Pesquisadores Japoneses Desenvolvem Sistema de Frenagem Magnética Para Reentrada Espacial

Caros entusiastas das atividades espaciais!

No dia de hoje (11/09), o portal Inovação Tecnológica noticiou que pesquisadores japoneses desenvolveram um novo sistema para testar o conceito de frenagem aerodinâmica magnética aplicado a espaçonaves que precisam realizar a reentrada na atmosfera.

[Imagem: Tokyo Metropolitan University]

Ao gerar um campo magnético, o plasma superaquecido pode ser empurrado para mais longe da nave, gerando um aumento no arrasto aerodinâmico que diminui sua velocidade.

Frenagem Aerodinâmica Magnetohidrodinâmica

Enquanto não conseguirmos driblar a força da gravidade, teremos que continuar dependendo dos fumacentos foguetões para colocar satélites e naves no espaço. Mas voltar é ainda pior: Com a gravidade puxando, as naves sofrem um atrito tão grande com a atmosfera que podem ser totalmente destruídas se não contarem com um grosso e pesado escudo antitérmico.

Pesquisadores japoneses estão tentando resolver pelo menos o problema da volta. Para isso, Takeaki Muramatsu e colegas da Tokyo Metropolitan University criaram um novo sistema para testar o conceito de frenagem aerodinâmica para espaçonaves que precisam reentrar na atmosfera.

A plataforma, que é na verdade magnetohidrodinâmica, usa eletroímãs para gerar campos magnéticos intensos enquanto uma espaçonave em miniatura é atingida por uma onda de choque que, viajando a mais de sete quilômetros por segundo (25.200 km/h), simula a nave saindo do ambiente quase vazio do espaço e entrando na muito mais densa atmosfera.

Os eletroímãs permitiram alcançar campos muito mais intensos do que os obtidos em versões anteriores, que vinham se baseando em ímãs permanentes. A equipe afirma que este é um passo crucial para testar o conceito com espaçonaves reais na atmosfera.

A Dificuldade de Testar o Conceito

[Imagem: Takeaki Muramatsu et al. - 10.2514/1.A36635]

Diagramas esquemáticos do sistema experimental. a) Configuração do tubo de expansão e do circuito magnético. b) Vista lateral do eletroímã com capacitores e bobinas.

Quando espaçonaves reentram na atmosfera, elas são atingidas por ondas de choque que ultrapassam vários quilômetros por segundo, aquecendo o ar na superfície da espaçonave a milhares de graus. Para contrabalançar esse aquecimento intenso, as tecnologias atuais incluem placas resistentes ao calor e material de sacrifício, que ajudam a dissipar o calor e proteger a espaçonave. Embora confiável, esse tipo de abordagem apresenta sérias limitações, aumentando o peso, o desgaste da superfície, o custo e o tempo de reparo.

A frenagem aerodinâmica magnetohidrodinâmica é considerada uma das tecnologias alternativas mais promissoras para superar esses desafios. Ao aplicar um campo magnético ao plasma fracamente ionizado na onda de choque, a camada de choque ultraquente pode ser expandida e afastada da superfície da espaçonave, criando uma espécie de escudo sem contato. Isso não apenas reduz o fluxo de calor para dentro da espaçonave, como também aumenta o arrasto aerodinâmico, diminuindo a velocidade da espaçonave.

Embora testes anteriores tenham dado resultados muito promissores, testar esses sistemas na prática é um grande desafio. Os experimentos geralmente envolvem a colocação de um ímã permanente dentro de um pequeno modelo de teste que recebe o impacto de uma onda de choque, mas o projeto dificulta a experimentação sistemática de diferentes intensidades e formatos de campo, o que é essencial para selecionar o melhor projeto.

Para permitir que os engenheiros testem uma gama mais ampla de campos magnéticos, a equipe desenvolveu um novo sistema usando um eletroímã montado dentro de um pequeno modelo. O eletroímã é formado por um conjunto personalizável de bobinas e alimentado por uma rede de formação de pulsos que o atinge com um pulso de corrente intenso, gerando um campo forte por um curto período de tempo.

[Imagem: Takeaki Muramatsu et al. - 10.2514/1.A36635]

Configurações da bobina magnética pulsada e do modelo de teste: a) Modelo 1; b) Modelo 2. Os contornos coloridos indicam a magnitude da densidade do fluxo magnético.

Reentrada em Laboratório

Durante os testes, a nave-modelo é atingida por uma onda de choque viajando a mais de 25.200 km/h durante dezenas de microssegundos em um tubo de expansão hipersônica, uma instalação usada para testar aeronaves e espaçonaves em ambientes extremos.

A equipe projetou o sistema para rastrear a chegada da onda de choque e sincronizar precisamente o campo magnético com sua duração, atingindo intensidades de campo significativamente maiores do que as possíveis com um ímã de neodímio permanente. Uma câmera de alta velocidade também foi sincronizada com a onda de choque para registrar a luz emitida pela camada aquecida da onda de choque, chamada "camada de autoemissão".

Para observar o sistema em funcionamento, a equipe projetou dois modelos diferentes, cada um com configurações de bobinas especificamente adaptadas aos seus formatos. Os campos magnéticos atingiram 1,24 e 1,58 Tesla, respectivamente, este último mais que o dobro da intensidade dos campos dos ímãs de neodímio convencionais. Com isto, a camada de autoemissão ficou mais de 15% mais espessa com o campo magnético ligado.

A equipe destaca que este é um passo vital rumo aos testes planejados de experimentos reais de reentrada e ao desenvolvimento de uma tecnologia essencial para qualquer missão espacial futura que envolva a reentrada em qualquer atmosfera, seja na Terra ou em outros planetas.

Saiba mais:

Artigo: Quasi-Steady Magnetic Field Generated by Pulse Forming Network for Magnetohydrodynamic Aerobraking

Autores: Takeaki Muramatsu, Kohei Shimamura, Akira Kakami, Hiroshi Katsurayama

Revista: Journal of Spacecraft and Rockets

DOI: 10.2514/1.A36635

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