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O que 5 meses de voo da vela solar LightSail 2 proporcionaram em descobertas?

Daniele Cavalcante

Em 23 de julho de 2019, a Sociedade Planetária, organização sem fins lucrativos fundada em 1980, lançou em um foguete Falcon Heavy uma pequena sonda chamada LightSail 2, movida por vela solar. Agora, pouco mais de cinco meses depois, a equipe da missão publicou um documento que descreve os resultados obtidos até então.

A ideia por trás desse voo é testar, na prática, a viabilidade de enviar naves espaciais impulsionadas apenas pela luz solar, sem a necessidade de combustíveis - um conceito apresentado por Carl Sagan, cofundador da Sociedade Planetária, nos anos 1970. A LightSail 2 conta com um cubesat de 5 kg e é equipada com uma vela extremamente fina que, ao se abrir no espaço, chega ao tamanho de um ringue de boxe. Então, ela é impulsionada pela radiação solar - mais ou menos como um barco a vela é movido pela força do vento.

Em seu novo documento, a equipe da LightSail 2 recapitula os eventos da missão até o final de novembro, discute o desempenho da vela solar e do sistema de controle de atitude e descreve como a órbita da espaçonave mudou.

Obstáculos atmosféricos

O LightSail 2 levou para o espaço um mini-DVD contendo uma lista de membros da Planetary Society, uma lista de colaboradores do Kickstarter e nomes e imagens da campanha "Selfies to Space" da sociedade (Foto: Jason Davis/The Planetary Society)

Voando a uma altitude de 720 km na órbita terrestre, a LightSail 2 está acima da maioria dos satélites na chamada “órbita baixa”. Como a quantidade de sondas nessa altitude é menor, não havia dados o suficiente sobre a densidade atmosférica para prever o quanto haveria de resistência capaz de desacelerar a espaçonave. Agora, com os dados coletados, sabemos que a atmosfera a 720 km é densa o suficiente para superar o impulso das velas solares.

Assim como velejar no mar, viajar com uma nave à velas não é tão simples quanto parece, principalmente quando às vezes é necessário navegar contra os fótons solares. Por isso, aqui também são aplicadas as técnicas de posicionamento da vela, encontrando um ângulo favorável para aproveitar melhor a energia de um impulso ou para navegar contra o vento - usando uma técnica conhecida como "feathering" (do inglês "feather" ou pena, significa tornar o avião mais "leve" ou aerodinâmico, oferecendo menos resistência aerodinâmica de modo a poder planar a uma maior distância).

Para controlar a nave, a equipe usa um mecanismo para girar a vela de acordo com a necessidade - por exemplo, posicionando a vela de frente para o Sol quando é preciso se afastar dele. Para orbitar a Terra, a nave leva cerca de 100 minutos, sendo que dentro desse período ela passa 67 minutos se movendo em direção ao Sol. Dos 33 minutos restantes de cada volta à Terra, a sonda passa cerca de 5 minutos voltando para a orientação desejada. Portanto, a LightSail 2 tem no máximo 28 minutos de cada órbita para capturar os fótons solares para alterar sua velocidade.

De acordo com a equipe, quando a sonda foi orientada aleatoriamente, seu semi-eixo maior - uma medida do tamanho da órbita - encolheu uma média de 34,5 metros por dia. Quando a navegação foi feita com energia solar, a órbita diminuiu em média 19,9 metros por dia. No entanto, a taxa é altamente variável e o eixo semi-maior na verdade aumentou em até 7,5 metros em alguns dias durante a navegação, o que significa que a LightSail 2 aumentou sua energia orbital durante esses períodos.

O vídeo abaixo ilustra esses movimentos de orientação da vela durante uma única órbita, realizada em 24 de setembro de 2019. Note nas legendas quando a sonda está em impulso ou em “feathering”, e se ela está em posição de eclipse no momento da órbita (ou seja, se está entre o Sol e a Terra). Quando o comando de navegação é "Feather", o LightSail 2 tenta girar sua vela de frente para os fótons solares.

Mas o problema da densidade atmosférica atuam contra o aumento da energia orbital da vela solar, por isso a órbita do LightSail 2 está decaindo gradualmente. Modelos orbitais feitos pela equipe antes do lançamento previam que a espaçonave retornaria à Terra e queimaria na entrada da atmosfera cerca de um ano após o lançamento. Porém, como existem poucos exemplos anteriores de naves espaciais como esta para saber realmente como a densidade atuaria contra a navegação, as simulações da equipe podem não ser tão precisas.

Agora, os novo dados da LightSail 2, que está lá no alto justamente para testar questões como esta, fornecerão novas informações sobre as taxas de decaimento orbital. Assim, as futuras velas solares poderão aproveitar essas novas medições. Elas serão usadas em órbitas mais altas da Terra ou em trajetórias interplanetárias, e a equipe da LightSail 2 está compartilhando dados e conhecimentos já adquiridos nesses cinco meses de voo com as equipes de futuras missões.

Variações na altitude orbital

Na página de controle de missões da LightSail 2, vemos que os pontos orbitais altos e baixos acima da Terra, conhecidos respectivamente como apogeu e perigeu, variaram bastante.

Imagem: The Planetary Society

Logo após a abertura da vela em julho, o apogeu do LightSail 2 aumentou, enquanto o perigeu diminuiu. Em setembro, o quadro se inverteu: o apogeu diminuiu, enquanto o perigeu aumentou. No final de outubro, uma nova inversão, que se repetiu em dezembro.

Esse ciclo tem duas causas: a forma não esférica da Terra e seu movimento orbital ao redor do Sol. O diâmetro da Terra no Equador é maior que nos pólos, tornando sua gravidade mais forte sobre o Equador. Essa gravidade desigual faz com que as posições de perigeu e apogeu oscilem. Enquanto tudo isso está acontecendo, a Terra também está girando em torno do Sol, alterando o ângulo entre a pressão da luz do Sol e as posições do apogeu e perigeu do LightSail 2.

Em um dos lados de sua vela solar, LightSail 2 possui células solares. Em certas orientações, a vela solar projeta uma sombra sobre esses painéis e a espaçonave não recebe energia adequada do Sol, causando quedas de energia. A equipe conseguiu contornar esse problema gerenciando cuidadosamente os gastos de energia da sonda e o modo de controle de atitude. De acordo com a Sociedade Planetária, as futuras naves a vela solar devem considerar a sombra das velas no planejamento de suas missões.

Por fim, a equipe adicionou recentemente um novo modo de controle à sonda para manter a vela solar de frente para o Sol durante toda a sua órbita. Essa abordagem dará à nave uma orientação favorável para o carregamento da bateria, entre outras vantagens. À medida que a órbita diminui, a equipe estudará o efeito da vela na taxa de decaimento orbital, compartilhando os dados com outras equipes que estudam o uso de velas para desorbitar naves espaciais.


Fonte: Canaltech

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