Novo Instrumento Compacto Desenvolvido Por Pequisadores Patrocinados Pela NASA, Permite 'Medições de Alta Fidelidade' de Partículas Energéticas em CubeSats

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No dia 21/07, o portal da NASA noticiou que uma equipe de pesquisadores patrocinados pela agência desenvolveu um Novo Instrumento Compacto que permite 'Medições de Alta Fidelidade de Partículas Energéticas' em CubeSats.

De acordo com a nota da agência, uma equipe de cientistas e engenheiros patrocinada pela NASA desenvolveu uma abordagem inovadora para observar partículas de alta energia no ambiente espacial próximo à Terra, incorporando sensores miniaturizados em um instrumento compacto de detecção de partículas com múltiplas direções de observação, diferente de qualquer outro já criado. Desenvolvido para a Missão CubeSat Relativistic Electron Atmospheric Loss (REAL), da NASA, o instrumento inovador (também chamado REAL) permite medições mais completas de como as partículas energéticas são transportadas e perdidas no ambiente de radiação da Terra, abrindo caminho para uma melhor compreensão dos efeitos do clima espacial na órbita baixa da Terra (LEO), além de tornar essas observações sem precedentes acessíveis a futuras espaçonaves pequenas e de baixo custo.

Crédito da imagem: NASA Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio

Concepção artística dos cinturões de Van Allen, incluindo uma seção em corte dos gigantescos anéis de radiação em forma de rosquinha que circundam a Terra.

Bilhões de partículas carregadas de alta energia ficam magneticamente aprisionadas ao redor da Terra em regiões em forma de rosquinha chamadas cinturões de radiação de Van Allen. Esses cinturões normalmente formam duas zonas distintas: um cinturão interno dominado por prótons de alta energia e um cinturão externo composto principalmente por elétrons energéticos. Juntos, eles representam um risco constante para os satélites em órbita terrestre dos quais a sociedade moderna depende, incluindo satélites de GPS e satélites que fornecem serviços de telefonia e internet. O cinturão externo, em particular, contém os chamados "elétrons assassinos" — partículas suficientemente energéticas para penetrar a blindagem dos satélites e provocar descargas elétricas danosas ou anomalias operacionais.

Devido a esses riscos, os cientistas passaram décadas trabalhando para compreender e prever melhor o comportamento dos cinturões de radiação. No entanto, esse esforço é dificultado pelo caráter altamente dinâmico desses cinturões, especialmente o cinturão externo, onde as populações de elétrons energéticos podem aumentar e depois diminuir rapidamente. Em determinados momentos, esses elétrons são perdidos dos cinturões, às vezes mergulhando na atmosfera terrestre em microexplosões que duram apenas 100 milissegundos e, em outras ocasiões, em eventos mais longos que se estendem por minutos ou até horas.

"As partículas de radiação podem permanecer aprisionadas nos cinturões de Van Allen por longos períodos, deslocando-se para frente e para trás ao longo das linhas do campo magnético. Mas, se alguma interação as direciona mais diretamente ao longo das linhas do campo magnético da Terra, elas mergulham na atmosfera", explicou Thomas Sotirelis, físico do Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins, onde o instrumento REAL foi desenvolvido. Sotirelis é o idealizador do conceito de sensor do instrumento REAL e atua como cientista responsável pelo instrumento da missão REAL.

Esses eventos de perda, conhecidos como precipitação de elétrons energéticos (Energetic Electron Precipitation – EEP), representam uma das principais formas pelas quais os elétrons são perdidos dos cinturões de radiação e desempenham um papel importante em sua dinâmica. Entretanto, embora os pesquisadores tenham identificado as ondas de plasma como prováveis responsáveis por esses eventos, a física subjacente — por exemplo, se o espalhamento dos elétrons ocorre gradualmente por processos difusivos ou rapidamente por interações não lineares — ainda permanece incerta.

Crédito da imagem: Johns Hopkins APL/Craig Weiman

O integrante da equipe da missão REAL, Clifton Lomax (parte superior), do Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins, inspeciona o instrumento REAL antes de sua integração à espaçonave CubeSat. A imagem do instrumento REAL (parte inferior) mostra as diversas aberturas dos cabeçotes sensores de baixa, média e alta energia, bem como suas placas eletrônicas.

Lançado com sucesso em 23 de julho de 2025, o instrumento REAL consegue distinguir entre esses possíveis mecanismos, tornando possível investigar sua importância relativa e determinar quais ondas, se houver, são responsáveis pela precipitação dos elétrons. Aproveitando os avanços recentes na miniaturização de sensores, o instrumento inclui três cabeçotes sensores — um de baixa, um de média e um de alta energia, com duas, cinco e quatro direções simultâneas de observação, respectivamente — integrados a quatro placas eletrônicas. Juntos, eles ocupam apenas cerca de metade do CubeSat REAL e utilizam uma resolução temporal suficiente para detectar microexplosões de elétrons com energias que variam de 40 keV até 2 MeV. Enquanto seu CubeSat 3U opera em órbita baixa da Terra, o REAL permanece apontado ao longo do campo magnético terrestre e consegue medir simultaneamente a quantidade, a energia e o ângulo das partículas à medida que elas entram na atmosfera — uma capacidade inédita.

"A maioria dos CubeSats consegue observar partículas apenas de uma única direção, de modo que precisam girar para construir um quadro completo — e isso leva alguns segundos, tempo excessivo para capturar microexplosões", afirmou a física espacial Robyn Millan, do Dartmouth College, pesquisadora principal da missão REAL. "Com o REAL, conseguimos acomodar três sensores, cada um com múltiplas direções de observação, na parte superior desta estrutura de 100 por 100 milímetros, permitindo capturar todas essas medições simultaneamente. Temos muito orgulho dessa conquista."

O cabeçote de alta energia consiste em um colimador de alumínio com 30 milímetros de espessura e quatro aberturas, cada uma cobrindo 20 graus de ângulo de inclinação (pitch angle). Cada abertura está conectada a uma área ativa de um detector de estado sólido (SSD) localizado na base. O cabeçote de média energia utiliza igualmente um detector SSD, mas emprega cinco áreas ativas conectadas a um colimador de alumínio com 22 milímetros de espessura e cinco aberturas, também abrangendo 20 graus de ângulo de inclinação cada. Já o cabeçote de baixa energia é um analisador eletrostático (ESA) em miniatura composto por eletrodos de titânio posicionados entre fendas seletoras de silício gravadas por corrosão química. Esses componentes ficam montados sobre uma placa de microcanais (MCP). O cabeçote de baixa energia utiliza 36 aberturas, duas direções de observação (±40 graus) e 15 canais para medir elétrons de menor energia, entre 1 keV e 40 keV.

As medições resolvidas por ângulo de inclinação obtidas a partir dessas diferentes direções de observação permitem distinguir populações de elétrons precipitantes, quase aprisionados e aprisionados em escalas de tempo tão curtas quanto 20 milissegundos, possibilitando quantificar com maior precisão a taxa de perda de elétrons e seu impacto sobre a atmosfera terrestre.

Crédito da imagem: NASA/Johns Hopkins APL

Dois espectrogramas de elétrons codificados por cores — as primeiras observações do analisador eletrostático de baixa energia do REAL — mostram a variação no número de elétrons de baixa energia detectados em 6 de dezembro de 2025 a partir de duas perspectivas diferentes: próxima ao campo magnético (parte superior) e perpendicular a ele (parte inferior).

Tão importante quanto isso, essa nova capacidade demonstra que medições que antes exigiam missões grandes e intensivas em recursos agora podem ser realizadas por instrumentos compactos e economicamente viáveis instalados em pequenos satélites. Essa mudança possibilita novos conceitos de missão e tecnologias mais complexos e abre caminho para constelações de CubeSats capazes de monitorar continuamente o ambiente de radiação da Terra, ajudando a proteger melhor os sistemas espaciais dos quais a sociedade moderna depende.

Os três cabeçotes sensores do REAL continuam funcionando normalmente e seguem coletando dados científicos valiosos. De fato, a equipe da missão REAL recentemente realizou um ajuste fino no instrumento (alterando configurações de limiar, entre outros parâmetros) para melhorar sua sensibilidade.

Líderes do Projeto: Dr. Tom Sotirelis, Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins; Dra. Robyn Millan, Dartmouth College.

Organização Patrocinadora: Programa Heliophysics Flight Opportunities in Research and Technology (H-FORT), da Divisão de Heliofísica da NASA.

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