É uma pena que Marte seja um lugar tão interessante, porque na verdade é um dos lugares mais difíceis de visitar no Sistema Solar, especialmente se você quiser levar muita bagagem. Esse planeta é um cemitério de missões que não foram suficientes.
À medida que nossas ambições crescem, e pensamos em explorar Marte com humanos - talvez até futuros colonos -, precisaremos resolver um dos maiores problemas da exploração espacial.
O desembarque com êxito de cargas pesadas na superfície de Marte é realmente muito difícil de fazer.
Existem muitos desafios em Marte, incluindo a falta de uma magnetosfera protetora e uma menor gravidade superficial. Mas uma das maiores é a fina atmosfera de dióxido de carbono.
Se você estivesse na superfície de Marte sem um traje espacial, morreria de frio e asfixiaria por falta de oxigênio. Mas você também experimenta menos de 1% da pressão atmosférica que desfruta aqui na Terra.
E acontece que essa atmosfera fina está tornando incrivelmente desafiador obter cargas úteis significativas com segurança até a superfície do Planeta Vermelho. De fato, apenas 53% das missões em Marte realmente deram certo.
Então, vamos falar sobre como as missões a Marte funcionaram no passado, e eu vou lhe mostrar qual é o problema.
Desembarque em Marte é o pior
Historicamente, as missões a Marte são lançadas da Terra durante as janelas de vôo que se abrem a cada dois anos quando a Terra e Marte estão mais próximos. O ExoMars voou em 2016, o InSight em 2018 e o rover Mars 2020 voará, bem, em 2020.
As missões seguem a trajetória de transferência interplanetária projetada para chegar lá o mais rápido ou com a menor quantidade de combustível.
À medida que a espaçonave entra na atmosfera de Marte, está indo dezenas de milhares de quilômetros por hora. De alguma forma, precisa perder toda essa velocidade antes de pousar suavemente na superfície do Planeta Vermelho.
Aqui na Terra, você pode usar a densa atmosfera terrestre da América para diminuir sua descida, diminuindo sua velocidade com um escudo térmico. Os ladrilhos do ônibus espacial foram projetados para absorver o calor da reentrada, já que a sonda de 77 toneladas passou de 28.000 km / h para zero.
Uma técnica semelhante poderia ser usada em Vênus ou Titã, onde eles têm atmosferas espessas.
A Lua, sem qualquer atmosfera, é relativamente simples de pousar também. Sem qualquer atmosfera, não há necessidade de um escudo térmico, basta usar a propulsão para desacelerar sua órbita e pousar na superfície. Contanto que você traga propulsor suficiente, você pode manter o patamar.
De volta a Marte, com uma espaçonave lançando-se em sua atmosfera fina a mais de 20.000 quilômetros por hora.
A curiosidade é o limite
Tradicionalmente, as missões começaram sua descida com um aeroshell para remover parte da velocidade da espaçonave. A missão mais pesada já enviada a Marte foi a Curiosity, que pesava 1 tonelada ou 2.200 libras.
Quando entrou na atmosfera marciana, percorria 5,9 quilômetros por segundo, ou 22.000 quilômetros por hora.
A curiosidade teve o maior aerossel já enviado a Marte, medindo 4,5 metros de diâmetro. Esse enorme aerossel foi inclinado em um ângulo, permitindo que a espaçonave manobrasse quando atingisse a fina atmosfera de Marte, visando uma zona de pouso específica.
A cerca de 131 quilômetros de altitude, a sonda começaria a disparar propulsores para ajustar perfeitamente a trajetória à medida que se aproximava da superfície de Marte.
Cerca de 80 segundos de vôo através da atmosfera, as temperaturas no escudo térmico subiram para 2.100 graus Celsius. Para não derreter, o escudo térmico usava um material especial chamado Ablator de Carbono Impregnado Fenólico, ou PICA. O mesmo material que a SpaceX usa para suas cápsulas de dragão, a propósito.
Depois de diminuir a velocidade para Mach 2.2, a sonda lançou o paraquedas maior já construído para uma missão a Marte - com 16 metros de diâmetro. Esse paraquedas poderia gerar 29.000 kg de força de arrasto, diminuindo ainda mais a velocidade.
As linhas de suspensão foram feitas de Technora e Kevlar, que são praticamente os materiais mais fortes e resistentes ao calor que conhecemos.
Depois, largou o paraquedas e usou motores de foguete para diminuir ainda mais sua descida. Quando estava perto o suficiente, o Curiosity implantou uma cabine do céu que abaixou o veículo espacial suavemente até a superfície.
Esta é a versão rápida. Se você quiser uma visão geral extensa do que o Curiosity passou no pouso em Marte, eu recomendo que você verifique o "Projeto e Engenharia da Curiosidade" de Emily Lakdawalla.
A curiosidade pesava apenas uma tonelada.
Indo mais pesado não escala
Deseja fazer o mesmo com cargas úteis mais pesadas? Tenho certeza de que você está imaginando aeronaves maiores, pára-quedas maiores, aeronaves maiores.
Em teoria, a nave espacial SpaceX enviará 100 toneladas de colonos e suas coisas para a superfície de Marte.
Aqui está o problema. Os métodos de desaceleração na atmosfera marciana não aumentam muito bem.
Primeiro, vamos começar com pára-quedas. Para ser sincero, em uma tonelada, o Curiosity é o mais pesado possível com um pára-quedas. Mais pesado e não há engenheiros de materiais que possam lidar com a carga de desaceleração.
Há alguns meses, os engenheiros da NASA comemoraram o teste bem-sucedido do Experimento de Pesquisa em Inflação Avançada de Paraquedas Supersônicos, ou ASPIRE. Este é o paraquedas que será usado para a missão do rover Mars 2020.
Eles colocaram o paraquedas feito de tecidos compostos avançados, como nylon, Technora e Kevlar, em um foguete e o lançaram a uma altitude de 37 quilômetros, imitando as condições que a espaçonave experimentará ao chegar a Marte.
O paraquedas, implantado em uma fração de segundo, e totalmente inflado, experimentou 32.000 kg de força. Se você estivesse a bordo na época, experimentaria 3,6 vezes mais força do que colidir com uma parede a 100 km / h usando o cinto de segurança. Em outras palavras, você não sobreviveria.
Se a sonda fosse mais pesada, ela precisaria ser feita de tecidos compostos impossíveis. E esqueça os passageiros.
A NASA tem tentado idéias diferentes para pousar cargas mais pesadas em Marte, como, até 3 toneladas.
Uma idéia é chamada de desacelerador supersônico de baixa densidade, ou LDSD. A idéia é usar um desacelerador aerodinâmico muito maior que inflaria em torno da espaçonave como um castelo inflável ao entrar na gravidade marciana.
Em 2015, a NASA realmente testou essa tecnologia, carregando um veículo protótipo em um balão a uma altitude de 36 quilômetros. O veículo então disparou seu foguete sólido, levando-o a uma altitude de 55 quilômetros.
Ao subir, inflou seu desacelerador aerodinâmico supersônico inflável a um diâmetro de 6 metros (ou 20 pés), o que reduziu a velocidade para Mach 2.4. Infelizmente, seu pára-quedas não conseguiu ser implantado corretamente, por isso caiu no Oceano Pacífico.
Isso é progresso. Se eles realmente puderem trabalhar na engenharia e na física, poderemos algum dia ver naves espaciais de 3 toneladas pousando na superfície de Marte. Três toneladas inteiras.
Mais propulsão, menos carga
A próxima idéia para ampliar um pouso em Marte é usar mais propulsão. Em teoria, você pode apenas carregar mais combustível, disparar seus foguetes quando chegar a Marte e cancelar toda essa velocidade. O problema, é claro, é que quanto mais massa você precisar transportar para desacelerar, menos massa poderá realmente pousar na superfície de Marte.
Espera-se que a espaçonave SpaceX use uma aterrissagem propulsiva para levar 100 toneladas à superfície de Marte. Por seguir um caminho mais rápido e direto, a Nave Estelar atingirá a atmosfera marciana a mais de 8,5 km / se usará forças aerodinâmicas para retardar sua entrada.
Não precisa ir tão rápido, é claro. A Nave Estelar poderia usar o aerobraking, passando pela atmosfera superior várias vezes para diminuir a velocidade. De fato, esse é o método usado pela sonda orbital que está indo para Marte.
Mas então os passageiros a bordo precisariam passar semanas para a espaçonave desacelerar e entrar em órbita em torno de Marte, e depois descer pela atmosfera.
De acordo com Elon Musk, sua estratégia deliciosamente pouco intuitiva para lidar com todo esse calor é construir a espaçonave em aço inoxidável e, em seguida, pequenos orifícios na carcaça vazam combustível de metano para manter o lado de barlavento da sonda frio.
Depois que derramar velocidade suficiente, ele ligará, acionará seus motores Raptor e pousará suavemente na superfície de Marte.
Apontar para o chão, puxe para cima no último minuto
Cada quilograma de combustível que a sonda usa para diminuir sua descida para a superfície de Marte é um quilograma de carga que não pode transportar para a superfície.
Não tenho certeza de que exista alguma estratégia viável que possa facilmente carregar cargas pesadas na superfície de Marte. Pessoas mais inteligentes que eu pensam que é praticamente impossível sem usar enormes quantidades de propulsor.
Dito isto, Elon Musk acha que há um caminho. E antes que descartemos suas idéias, vamos assistir os dois reforços laterais do foguete Falcon Heavy aterrarem perfeitamente juntos.
E não preste atenção ao que aconteceu com o reforço central.
Um novo estudo do Departamento Aeroespacial da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign propõe que missões a Marte poderiam tirar proveito da atmosfera mais densa que está mais próxima da superfície de Marte.
Em seu artigo intitulado "Opções de trajetória de entrada para veículos com alto coeficiente balístico em Marte", os pesquisadores propõem que as naves espaciais que voam para Marte não precisam ter tanta pressa para se livrar de sua velocidade.
Enquanto a sonda está gritando pela atmosfera, ainda será capaz de gerar muita sustentação aerodinâmica, que pode ser usada para guiá-la pela atmosfera.
Eles fizeram os cálculos e descobriram que o ângulo ideal era apenas apontar a espaçonave para baixo e mergulhar em direção à superfície. Então, no último momento possível, puxe para cima usando o elevador aerodinâmico para voar de lado pela parte mais espessa da atmosfera.
Isso aumenta a resistência e permite que você se livre da maior quantidade de velocidade antes de ligar os motores de descida e concluir o pouso motorizado.
Parece divertido.
Se a humanidade construir um futuro viável na superfície de Marte, precisaremos solucionar esse problema. Vamos precisar desenvolver uma série de tecnologias e técnicas que tornem o pouso em Marte mais confiável e seguro.
Suspeito que será muito mais desafiador do que as pessoas esperam, mas estou ansioso pelas idéias que serão testadas nos próximos anos.
Um grande obrigado a Nancy Atkinson, que cobriu este tópico aqui na Space Magazine há mais de uma década e me inspirou a trabalhar neste vídeo.
