Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
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Sonda Solar Parker, o milagre tecnológico para visitar o Sol

A sonda enfrentará temperaturas de milhões de graus Celsius e tem a missão de coletar diretamente partículas solares e medir campos magnéticos

Ethevaldo Siqueira, O Estado de S.Paulo

12 Agosto 2018 | 19h57

Chegar ao Sol é um dos maiores desafios que a Nasa já enfrentou em seus 60 anos de existência. Mesmo que o Sol tenha uma atração tão poderosa, é surpreendentemente difícil, pois, para chegar até lá é preciso dispor de 55 vezes mais energia do que para ir a Marte.

Por que é tão difícil? A resposta está no mesmo fato que impede que a Terra mergulhe no Sol: a velocidade orbital de nosso planeta é muito rápida – cerca de 107.200 km/hora – quase totalmente de afastamento em relação ao Sol, por ser uma força centrífuga. A única maneira de chegar ao Sol é anular esse movimento centrífugo.

O Sol contém 99,8% da massa do nosso Sistema Solar. É sua atração gravitacional que mantém tudo em órbita desde o minúsculo planeta Mercúrio até os gigantes gasosos (Júpiter, Saturno, Urano e Netuno) até a Nuvem de Oort, a 298 bilhões de quilômetros de distância do Sol.

Como a Sonda Solar Parker vai passar por toda a atmosfera do Sol, ela só precisa reduzir em 84.800 km/hora de movimento centrífugo para chegar ao seu destino. Mas isso não é tarefa fácil. Para chegar ao seu objetivo, a sonda fará 24 órbitas extremamente elípticas, para se aproximar até o limite de 6,2 milhões de quilômetros da superfície do Sol. 

Com essa estratégia de aproximação progressiva, a viagem consumirá um prazo de sete anos. Só no começo de 2025 teremos a confirmação do sucesso da missão e de seus possíveis resultados científicos. 

Além de usar um poderoso foguete, o Delta IV Heavy, a Sonda Solar Parker terá que ter um desempenho de sete missões para obter a aceleração final com auxílio da gravidade de Vênus, ao longo dos sete anos que durará a missão para alcançar a velocidade orbital com a mesma energia orbital de Vênus. 

Essas assistências gravitacionais vão atrair a órbita da Sonda Solar Parker para mais perto do Sol para uma aproximação recorde de apenas 6,2 milhões de quilômetros da superfície visível do Sol nas órbitas finais.

Embora esteja perdendo velocidade lateral ou orbital para se aproximar do Sol, a Sonda Solar Parker ganhará velocidade geral, reforçada pela extrema gravidade do Sol – por isso também quebrará o recorde de velocidade entre todos os objetos mais rápidos já feitos pelo homem, atingindo 688.000 km por hora em suas órbitas finais.

A sonda e o vento solar

Neste verão, a humanidade embarca em sua primeira missão manter contato mais próximo com o Sol: uma espaçonave será lançada na atmosfera externa do Sol.

A Sonda Solar Parker da NASA – cujo nome é uma homenagem a Eugene Parker, físico da Universidade de Chicago que primeiro previu a existência do vento solar – enfrentará temperaturas de milhões de graus Celsius – tem a missão de coletar diretamente partículas solares e medir campos magnéticos na tentativa de resolver alguns das mais importantes questões que os pesquisadores enfrentam atualmente nesse campo da ciência solar. 

Entre essas perguntas, a mais importante é sobre a origem do vento solar e como ele é acelerado para velocidades de até 2,88 milhões de km por hora? Além dessas, há questões relacionadas sobre como o vento solar pode preencher todo o nosso Sistema Solar. 

Quando rajadas de vento solar chegam à Terra, elas podem desencadear não apenas as auroras (boreais e austrais) deslumbrantes – mas que também expõem os astronautas à radiação, interferem nas comunicações eletrônicas dos satélites e interrompem os sinais de comunicação, como GPS e ondas de rádio. Quanto mais entendermos os processos fundamentais que impulsionam o vento solar, mais podemos mitigar alguns desses efeitos.

Em 1958, Eugene Parker desenvolveu uma teoria que mostra como a coroa quente do Sol — até então conhecida como milhões de graus — é tão quente que supera a gravidade do Sol. Segundo a teoria, o material na coroa expande-se continuamente para fora em todas as direções, formando um vento solar. Um ano depois, a espaçonave soviética Luna 1 detectou partículas de vento solar no espaço e, três anos depois, as observações foram confirmadas pela espaçonave Mariner 2 da NASA.

Nos últimos anos, a sonda Mariner 2 detectou duas correntes distintas de vento solar: uma corrente lenta viajando a aproximadamente a 344 km por segundo e um fluxo muito mais rápido a cruzar o espaço ao dobro dessa velocidade. Então, em 1973, as origens do vento solar rápido foram identificadas. Imagens de raios-X da coroa retiradas da Skylab – a primeira estação espacial tripulada dos EUA – revelaram que o vento veloz respinga dos buracos coronais, que são regiões escuras e relativamente frias no Sol.

Em entrevista que me concedeu, por telefone, Jim Klimchuk, físico solar do Goddard Space Flight Center, da NASA, em Greenbelt, Maryland, me disse que "o vento solar lento é, em muitos aspectos, um mistério maior. Conhecê-lo pode nos esclarecer muitos outros aspectos da natureza do vento solar e nos dar um novo entendimento fundamental".

As origens e mecanismos de aceleração do vento solar lento permanecem misteriosos. É uma velha questão em debate acirrado de décadas entre cientistas. Mas não estamos sem pistas. A missão da NASA com a sonda Ulysses, lançada em 1990 para voar em torno dos polos do Sol, observou que durante os períodos de atividade solar mínima, o vento solar lento está confinado ao equador do Sol - exatamente onde a Sonda Solar Parker voará. 

À medida que o ciclo solar progride em direção ao seu máximo, a estrutura do vento solar muda de dois regimes distintos – rápido nos pólos e lento no equador - para um fluxo heterogêneo e misto.

O debate sobre as origens do vento solar lento depende de uma distinção entre o que é conhecido como os conceitos de coroa fechada e coroa aberta. A coroa fechada refere-se às regiões do Sol onde suas linhas de campo magnético estão fechadas - isto é, conectadas à superfície solar em ambas as extremidades. 

A coroa aberta, por outro lado, refere-se a regiões onde as linhas do campo magnético se ancoram ao Sol em uma única extremidade, estendendo-se para o espaço na outra, criando assim uma estrada para que o material solar escape para o espaço. Buracos coronais – as regiões mais frias na fonte do vento solar rápido - são o habitat de linhas de campo abertas.

No momento em que o lento vento solar deixa a coroa solar, ela também está fluindo em linhas abertas de campo magnético, já que essa é a única maneira de se afastar tanto do Sol. Mas as teorias diferem em saber se ela começou por aí, ou se nasceu em linhas de campo fechadas apenas para mudar para linhas de campo abertas em algum lugar ao longo do caminho.

Os esforços atuais para testar as teorias sobre o vento solar por espaçonaves próximas à Terra são frustrados pela grande distância entre suas medições e as origens do vento solar, pois muito pode acontecer ao longo de 150 milhões de quilômetros, que separam a Terra do Sol. A chave está se aproximando, rastreando o vento solar de volta à sua fonte - e a Sonda Solar Parker fará exatamente isso.

Se pudermos medir o lento vento solar, e descobrir que ele vem da fronteira entre campos magnéticos abertos e fechados, essa constatação apóiará a idéia de que a reconexão magnética dá origem ao vento solar lento, sugerem os cientistas.

Para as cientistas que anseiam por dados para testar suas teorias, medições precisas dos campos magnéticos da coroa solar serão inestimáveis. "É por isso que a missão de Parker é tão importante", disse Higginson. "Tudo remonta a entender a estrutura magnética detalhada do Sol".

Por que a sonda não vai derreter?

A Sonda Solar da Parker foi projetada para suportar as condições extremas e as flutuações de temperatura da missão. O segredo de tudo está em seu escudo térmico personalizado e em um sistema autônomo que ajuda a proteger a missão da intensa emissão de luz do Sol, mas permite que o material coronal “toque” a espaçonave.

Uma explicação para se esclarecer como a espaçonave e seus instrumentos seguros se mantêm seguros é entender o conceito de calor versus temperatura. Contra nossa intuição, as altas temperaturas nem sempre se traduzem em realmente no aquecimento de um objeto.

No espaço, a temperatura pode ser de centenas de milhares de graus sem fornecer calor significativo a um determinado objeto ou sensação de calor. Por quê? A temperatura mede a velocidade com que as partículas estão se movendo, enquanto o calor mede a quantidade total de energia que elas transferem. 

As partículas podem estar se movendo rapidamente (alta temperatura), mas se houver muito poucas delas, como no espaço cósmico, elas não vão transferir muita energia (baixo calor). Como o espaço é praticamente vazio, há muito poucas partículas que podem transferir energia para a espaçonave.

A coroa através da qual a Sonda Solar Parker voa, por exemplo, tem uma temperatura extremamente alta, mas uma densidade muito baixa – o que significa que tem poucas partículas. Pensemos na diferença entre colocar a mão em um forno quente versus colocá-la em uma panela de água fervente (não se deve tentar fazer isso em casa) – no forno, sua mão pode suportar temperaturas significativamente mais quentes por mais tempo do que na água. Por quê? Porque na água sua mão tem que interagir com muito mais partículas. Da mesma forma, em comparação com a superfície visível do Sol, a coroa é menos densa, de modo que a espaçonave interage com menos partículas quentes e não recebe tanto calor. 

O escudo que protege

Isso significa que enquanto a Sonda Solar Parker estará viajando através de um espaço com temperaturas de vários milhões de graus, a superfície do escudo de calor que fica em frente ao Sol só será aquecida a cerca de 1.400 graus Fahrenheit.

É claro que milhares de graus ainda são fantasticamente quentes. Para comparação, a lava das erupções vulcânicas podem estar entre 700 e 1.200º C. E para suportar esse calor, a Sonda Solar Parker faz uso de um escudo térmico conhecido como Sistema de Proteção Térmica, ou TPS, que mede 2,4 metros de diâmetro e cerca de 115 mm de espessura. Estes poucos centímetros de proteção garantem que, do outro lado da blindagem, o corpo de sonda terá uma temperatura muito confortável de apenas 30 graus Celsius.

O TPS foi projetado pelo Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins e foi construído na Carbon-Carbon Advanced Technologies, usando uma espuma de carbono composta entre duas placas de carbono. Este isolamento leve será acompanhado por um toque final de tinta cerâmica branca na placa virada para o Sol, para refletir o máximo de calor possível. Testado para suportar até 1.650 graus Celsius, o TPS pode suportar qualquer calor que o Sol possa enviar, mantendo praticamente toda a instrumentação segura.

A taça que mede o vento

Mas nem todos os instrumentos da Sonda Solar Parker estarão atrás do TPS. Por cima do escudo de calor, a Copa de Sonda Solar é um dos dois instrumentos da sonda que não será protegida pelo escudo térmico. Este instrumento é conhecido como um copo de Faraday, um sensor projetado para medir os fluxos de íons e elétrons e os ângulos de fluxo do vento solar.

Devido à intensidade da atmosfera solar, tecnologias exclusivas tiveram que ser projetadas para garantir que não apenas o instrumento possa sobreviver, mas também a eletrônica a bordo possa enviar leituras precisas.

A taça em si é feita de folhas de titânio-zircônio-molibdênio, uma liga de molibdênio, com um ponto de fusão de cerca de 2.349 graus C. As grades que produzem um campo elétrico para a taça da sonda solar são feitas de tungstênio, um metal com o mais alto ponto de fusão conhecido de 3.422 ° C). 

Outro desafio veio na forma da fiação eletrônica - a maioria dos cabos derreteria da exposição à radiação de calor tão próxima do Sol. Para resolver esse problema, a equipe criou tubos de cristal de safira para suspender a fiação e fez os fios de nióbio.

Para garantir que o instrumento estivesse pronto para o ambiente hostil, os pesquisadores precisavam testar tudo e criar uma intensa radiação de calor equivalente à do Sol em laboratório. Para tanto, os pesquisadores usaram um acelerador de partículas e projetores especiais - equipados com todos os recursos disponíveis para aumentar sua temperatura. 

Os projetores imitavam o calor do Sol, enquanto o acelerador de partículas expunha a taça à radiação para garantir que ela pudesse medir as partículas aceleradas sob as condições intensas. Para ter certeza absoluta de que essa copa da sonda solar suportaria o ambiente hostil, um tipo especial de forno solar (Odeillo)) – que concentra o calor do Sol através de 10.000 espelhos ajustáveis ​​– foi usado para testar a taça contra a intensa emissão solar.

Outro problema com a proteção de qualquer espaçonave é descobrir como se comunicar com ela. A sonda solar Parker viajará e trabalhará solitária em grande de sua jornada. A comunicação entre ela e a Terra leva oito minutos para chegar aqui. Ou seja, se os engenheiros tivessem que controlar a espaçonave da Terra, quando algo desse errado, seria tarde demais para corrigi-la.

Ao longo de sete anos de duração planejada da missão, a espaçonave fará 24 órbitas de nossa estrela. Em cada abordagem próxima ao Sol, ele irá coletar amostras do vento solar, estudar a coroa solar e fornecer observações de perto sem precedentes em torno de nossa estrela - e, munidas de uma enorme quantidade de tecnologias inovadoras, sabemos que ela ficará calma o tempo todo.

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