Introdução

Na década de 70, os cientistas da NASA propuseram enviar uma sonda até o cometa Halley que seria impulsionada pela pressão dos raios solares contra uma vela solar gigante. Apesar de a proposta ser rejeitada sendo considerada arriscada demais e sem provas, a idéia de uma nave espacial continua. Os vários desenvolvimentos e testes dos materiais da vela solar foram realizados por anos, mas ninguém projetou, lançou com sucesso e navegou uma espaçonave.

Em junho de 2005, A Planetary Society, (em inglês) em parceria com várias organizações russas, vai lançar a espaçonave Cosmos 1 na órbita da Terra.

Foto cedida Planetary Society As velas solares vão usar a energia do Sol para impulsionar a nave espacial pelo cosmos

O que é uma vela solar? Como você pode usar a luz solar para mover uma espaçonave no espaço sideral? Neste artigo, mostraremos como funciona a tecnologia de vela solar, dando uma boa olhada na missão Cosmos 1 e descobrindo o que as velas solares significam para o futuro da viagem espacial.

Velas solares

As velas solares podem evocar imagens de velhos barcos à vela, como navios veleiros velozes ou modernos iates. Contudo, os princípios de construção e operação das velas solares são bem diferentes das velas de barco.

O que é uma vela solar?
Uma vela solar é um espelho grande que reflete os raios solares. Enquanto os fótons de luz solar atingem a vela, impulsionando-a, levam a espaçonave a incidirem sua força cinética sobre outros corpos. Porque há muitos fotóns de luz solar e estão constantemente atingindo a vela, há uma pressão constante (força por unidade de área) exercida sobre a vela que produz uma aceleração constante da espaçonave. Embora a força em uma espaçonave de vela solar seja menor que a de um foguete convencional químico como, por exemplo, o de um ônibus espacial, a nave espacial de vela solar acelera constantemente com o passar do tempo e atinge uma velocidade maior. É como comparar os efeitos de uma rajada de vento versus uma brisa serena em uma semente de dente-de-leão flutuando no ar. Embora a rajada (motor do foguete) inicialmente empurre a semente com maior força, ela morre rápido e a semente para por aí. Em oposição, a brisa de modo fraco empurra a semente durante um período maior e ela vai mais longe. As velas solares fazem com que a espaçonave se mova dentro do sistema solar entre as estrelas sem grandes motores de foguete e muito combustível.

Do que é feita uma vela solar?
Para uma vela solar ser uma maneira prática de impulsionar uma nave espacial, ela deve ter as características a seguir:

• grande área - ela deve coletar quanta luz solar for possível, porque quanto maior a área, maior a força da luz solar;
• peso leve - a vela deve ser fina e ter uma massa mínima, porque quanto mais massa, menos aceleração é obtida com a luz solar; 
• resistência à temperatura e durabilidade - ela deve resistir a mudanças de temperatura, partículas de carga e risco de colisão com micrometeoritos no espaço sidera.

Para satisfazer essas características, a maioria das velas são feitas de plástico resistente, revestido por metal, fino como poliéster BOPET ou poliamito. Por exemplo, a vela solar do Cosmos 1 é feita de alumínio revestido por poliéster BOPET, tem uma espessura de 0,0005 cm ou 5 mícrons (o polímero comum é de aproximadamente 0,0025 cm ou 25 mícrons de espessura) e uma área de 600 m².

As velas solares vêm em três projetos principais:

Foto cedida NASA Vela solar quadrada

• vela quadrada - requer vergas para apoiar o material da vela;
• vela de heliogiro - com pás como um helicóptero, a vela deve ser girada para estabilizar-se A;
• vela disco - a vela circular que deve ser controlada movendo-se o centro da massa relativa para o centro de pressão.

Viajando pela luz solar

A Cosmos 1 tem uma vela solar que está entre uma vela quadrada e uma de heliogiro. É uma vela solar arredondada que é dividida em oito pás triangulares com vergas infláveis para apoio. A vela não tem que ser arredondada por questões de estabilidade. Manobrar uma espaçonave de vela solar requer o equilíbrio de dois fatores: a direção relativa da vela solar para o Sol e a velocidade orbital da espaçonave. Ao mudar o ângulo da vela em relação ao Sol, muda-se a direção da força exercida pela luz solar.
 

Manobrando uma vela solar para mudar sua órbita (para ilustração, a mudança na órbita mostrada aqui ocorre mais rápido que na realidade)

Pressão dos raios solares Usando as equações e valores a seguir é possível calcular a força da luz solar sobre a espaçonave e sua aceleração: Força (F) = 2(P x A)/c Aceleração (a) = F/M Em 1 unidade astronômica (AU), o poder da luz solar é de aproximadamente 1.400 watts/metros2. Nossa espaçonave pesa 1 kg e tem uma área de vela de 1 km2 or 1 000 metros2, portanto: P (energia) = 1.400 W/m2 A (área) = 1 000 m2 c (velocidade da luz) = 3x108 m/s M (massa) = 1 kg Isto realiza uma força (F) de aproximadamente 9 newtons (N). Esta força leva a uma aceleração (a) de aproximadamente 9 m/s2, menos que a aceleração devido à gravidade da Terra. Em comparação, um motor principal de um ônibus espacial pode produzir 1,67 milhão N de força durante a decolagem e 2,1 milhão N de propulsão em um vácuo.

Quando a espaçonave está em órbita ao redo da Terra ou Sol, está viajando em um caminho circular ou elíptico em uma determinada velocidade e distância. Para ir a uma órbita mais alta (viajar longe do objeto), é necessário mover a vela solar em ângulo relativo ao Sol para que a pressão gerada pela luz solar esteja na direção de seu movimento orbital. A força acelera a espaçonave, aumenta a velocidade de sua órbita e a nave espacial se move em uma órbita mais alta. Em contraste, se a meta é uma órbita mais baixa (mais próxima do objeto), é necessário mover a vela em ângulo relativo ao Sol para que a pressão gerada pela luz solar esteja oposta à direção de seu movimento orbital. A força acelera a espaçonave, diminui a velocidade de sua órbita e a nave espacial se move em uma órbita mais alta.

A pressão da luz solar diminui com a área de distância do Sol. Portanto, a luz solar exerce maior pressão mais próxima ao Sol do que distante dele. O futuro da espaçonave de vela solar pode tirar vantagem deste fato movendo-se primeiro para uma órbita próxima ao Sol para depois usar a maior pressão da luz solar para conseguir mais impulso de aceleração no começo da missão. Isto é chamado de manobra de propulsão periélica.

O projeto da espaçonave Cosmos 1

A primeira nave espacial de vela solar, chamada Cosmos 1, foi desenvolvida, construída e testada pela Planetary Society, (em inglês) uma organização privada, sem fins lucrativos cujo objetivo é encorajar a exploração de nosso sistema solar. A Planetary Society contratou uma organização espacial russa, o Centro Espacial Babakin, para construir, lançar e operar a nave espacial. O custo do projeto é de aproximadamente US$4 milhões e é patrocinado pela Cosmos Studios, (em inglês) uma nova companhia de mídia baseada em ciência. 

Espaçonave Cosmos 1

A espaçonave em si pesa 40 kg e pode ser colocada em uma mesa. Após uma primeira fase de teste de lançamento, a espaçonave será lançada na órbita da Terra, 840 km perigeu e 850 km apogeu. Os sistemas da nave espacial incluem:

Foto cedida Planetary Society Uma pá da vela solar

• vela solar
  • feito de poliéster BOPET de alumínio
  • espessura de 0.000005 cm (5 mícrons)
  • área de 600 metros quadrados
  • disposto em oito pás triangulares:
    • cada um com 15 m comprimento
    • consiste de tubos plásticos infláveis que apoiam a vela (uma espuma pode ser usada dentro dos tubos para mantê-los rígidos uma vez inflados)
    • pode ter um eixo (como uma hélice de helicóptero) acionado por motores elétricos para mudar seu ângulo em relação ao sol
• montagem da vela solar - sistema de gás comprimido que infla os tubos plásticos
  

Montagem da vela solar

Dobrando as velas solares No projeto original da pá da vela, ela era dobrada em rolos. Porém, alguns testes indicaram que dobrá-las em estruturas sanfonadas podia ser mais confiável (e a técnica dos tubos infláveis ainda seria utilizada na montagem).

• energia - uma pequena série de células solares dá conta de toda a energia elétrica.
• navegação - é essencial para a nave espacial saber onde o Sol e ela estão a todo tempo.
  1. Um sensor detecta a posição do Sol.
  2. Um receptor de posicionamento global (GPS) detecta a posição da espaçonave (do chão, a órbita da espaçonave será determinada pelos dados rastreados com a ajuda de acelerômetros a bordo, sobre os quais falaremos mais tarde).
  3. As informações do sensor solar e do receptor GPS são continuamente retransmitidas para o computador de bordo da espaçonave.
  4. O computador de bordo opera os motores que viram as pás das velas para manter sua orientação correta em relação ao Sol.
  5. O computadro pode aceitar correções ou ignorar comandos do solo.
• comunicações - os sistemas de rádio redundantes são usados para a comunicação com os controladores aéreos no chão.
  • uma banda UHF, 400 MHz
  • um banda S, 2210 MHz
• computador de bordo
  • 2 microprocessadores 386EX
    • velhos, mas confiáveis no duro ambiente do espaço sideral
    • podem ser executados em modos de menos potência, similar aos laptops
    • programados para operar sistemas de bordo, retransmitindo informações para a terra e recebendo comandos.
  • um programa de software determina as tarefas de cada microprocessador baseado na quantidade de trabalho e desempenho (velocidade, atraso).
  • cada processador tem sua própria capacidade de memória de leitura (ROM) sufiente para iniciar o computador e carregar o sistema operacional na memória (RAM).
  • 3 CD ROMs regravavéis contêm os sistemas operacionais e programas. As cópias do CD ROM são verificadas antes de usar por causa de erros causados pela radiação no espaço sideral.
  • três memórias RAM estão presentes para receber o sistema operacional. Novamente, a integridade de cada memória RAM é verificada para localizar erros antes de carregar.
  • a arquitetura do CD ROM permite aos programadores em terra atualizar e reiniciar o software da espaçonave a qualquer momento. Também permite à espaçonave funcionar em caso de danos por radiação.
  • os dados são armazenados em 2 banco de dados separados conectados por sistemas serial e paralelo.
• instrumentos
  • duas câmeras de imagem a bordo (uma russa e outra americana) para documentar a missão
  • acelerômetros a bordo para medir a aceleração da espaçonave devido à pressão da luz solar (aceleração não-gravitacional)

Na próxima seção, vamos examinar os detalhes da missão Cosmos 1.

Missão Cosmos 1

Foto cedida Planetary Society A Cosmos 1 vai ser lançada de um submarino

Lançamento do veículo
Para colocar a Cosmos 1 na órbita da Terra, a espaçonave será carregada em um míssil balístico intercontinental modificado de projeto russo, chamado de Volna. O míssil vai ser lançado de um submarino russo no Mar de Barrents. Em geral, o míssil Volna não tem propulsão suficiente para entrar em órbita, mas o míssil usado pela Cosmos 1 terá um motor de foguete extra (estágio de propulsão) que é usado para lançar satélites. O estágio de propulsão vai fornecer a força extra necessária para pôr a Cosmos 1 em órbita.

Uma vez em órbita, as velas solares serão montadas. Não há previsão da duração da missão: pode ser alguns dias ou meses. A missão será considerada um sucesso se a espaçonave puder se mover para uma órbita mais alta usando as velas solares. Se o objetivo da missão for atingido e se a missão durar mais do que alguns dias, pode haver um teste extra para determinar se os laseres da Terra podem suprir a luz suficiente para empurrar a nave espacial em órbita.

Foto cedida Planetary Society Lançamento (versão maior da imagem)

Outras missões de vela solar
Outros grupos além da Planetary Society têm proposto e estão desenvolvendo missões de vela solar. Em agosto de 2004, duas grandes velas solares foram lançadas e armadas no espaço pela Agência de Exploração Aeroespacial Japonesa. A NASA (em inglês) está desenvolvendo uma nave espacial para lançar. A Agência Espacial Alemã (DLR) (em inglês) e a Agência Espacial Européias (AEE) também têm um nave espacial em desenvolvimento e a Universidade Carnegie Mellon (em inglês) está trabalhando em uma vela solar de heliogiro.

O futuro das velas solares

Impulso específico Na ciência de foguetes, a eficácia do combustível de um motor é medida por seu impulso específico. O impulso específico se refere às unidades de propulsão por unidades de propulsores consumidos por um período. Porque uma espaçonave da vela solar não carrega combustível, ela tem impulso específico infinito.

A maior vantagem de uma espaçonave de vela solar é sua habilidade de viajar para planetas e estrelas sem carregar combustível. Ela precisa somente de um veículo de lançamento convencional para chegar à órbita da Terra para que as velas solares possam ser armadas e a aeronave siga seu rumo. Estas espaçonaves ganham velocidade gradualmente, diferente dos foguetes químicos, que oferecem aceleração rápida. Então para uma viagem rápida para Marte, uma nave espacial de vela solar não leva vantagem sobre um foguete químico convencional. Entretanto, se precisar carregar uma carga útil para Marte e você não estiver com pressa, uma espaçonave de vela solar é ideal. Quanto às viagens mais longas necessárias para se chegar às estrelas, a espaçonave de vela solar, que tem aceleração gradual, mas constante, pode atingir velocidades maiores que as dos foguetes químicos convencionais e, portanto, pode cobrir a distância em menos tempo. Logo, a tecnologia de vela solar vai fazer vôos interestelares e tornar a viagem entre planetas mais barata e conseqüentemente mais prática do que as realizadas com foguete químicos convencionais.