Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: Poderia uma atmosfera desacelerar uma nave espacial descontrolada?

Crédito da imagem: Breakthrough Starshot, do conceito de vela a laser para uma nave espacial.

Se vamos enviar uma sonda para outra estrela a 20% da velocidade da luz, que esperança temos de desacelerá-la?

Sim, agora existe esse caminho tecnológico. Mas está apenas começando. – Mae Jemison

No início deste mês, Yuri Milner e Stephen Hawking se uniram para anunciar o Starshot Breakthrough . O plano é que uma matriz de laser gigante acelere uma vela de laser muito leve com uma nave espacial conectada a ela a mais de 20% da velocidade da luz, voltada para uma das estrelas mais próximas de nós. A essas velocidades, a espaçonave deve chegar dentro de uma única vida humana de seu lançamento, um feito incrível! Enquanto existem um número incrível de desafios tecnológicos e econômicos para enfrentar para tornar este projeto uma realidade, Alex Stockton planeja o sucesso, mas questiona a chegada:

[Meu] pai e eu discutimos as possibilidades de naves espaciais como as que Yuri Milner e Steven Hawking estão propondo. Meu pai especulou sobre o uso de arrasto atmosférico para desacelerar a espaçonave assim que ela chegasse a um planeta. Atesto que não teria chance de desacelerar sensivelmente e certamente resultaria em uma explosão gigantesca. Qual é?

Afinal, presumivelmente, o objetivo de uma espaçonave que viaja anos-luz para um sistema planetário próximo não é simplesmente enviar nosso lixo espacial por toda a galáxia.

Concepção artística de um 'starchip' - capturada a partir de um vídeo Breakthrough Starshot.

Em vez disso, gostaríamos de alcançar um sistema repleto de mundos alienígenas, cheio de potencial para explorá-los, coletar dados e talvez algum dia devolver o que encontrarmos para aqueles que ainda estão aqui na Terra. Atualmente, aprendemos uma quantidade incrível sobre sistemas solares alienígenas de nossos estudos de exoplanetas de longe, mas – como missões como New Horizons, Dawn e Cassini mostraram mesmo dentro de nosso próprio Sistema Solar – não há substituto para estudar um mundo alienígena de perto.

Ilustração de um sistema exoplanetário. Crédito da imagem: NASA/David Hardy, via astroart.org.

Se conseguirmos chegar lá, é um feito incrível por si só. Se pudermos nos mirar com sucesso e nos acelerar com precisões e magnitudes suficientes, estaremos viajando em algum lugar na estimativa de 60.000 km/s em relação a qualquer planeta ou sistema estelar que chegarmos. Pense nessa velocidade por um momento: 60.000 km/s , ou cerca de 134 milhões de milhas por hora. Se isso soa mais rápido para você do que qualquer outra coisa que você conheça, há uma boa razão para isso: isto é . É mais rápido do que qualquer objeto macroscópico que conhecemos e é centenas de vezes mais rápido do que as velocidades necessárias para escapar da atração gravitacional de nossa própria galáxia. Se você se deparar com uma região minúscula, pequena e difusa de gás neutro, a quantidade de aquecimento que ocorrerá será simplesmente enorme. Afinal, a velocidades milhares de vezes mais baixas, apenas os escudos térmicos mais avançados sobreviveram à reentrada em nossa própria atmosfera.

Crédito da imagem: NASA/Kim Shiflett, do astronauta Bob Crippen com a cápsula Gemini-B, e o escudo térmico severamente marcado e danificado (mas intacto!).

Mas ir milhares de vezes mais rápido torna a situação milhões vezes pior. Se você já abriu a janela do carro enquanto dirige pela rua, deve ter notado algo interessante sobre a força do vento: se você for duas vezes mais rápido, sentirá quatro vezes a força. Energia, atrito e aquecimento em uma espaçonave sofrem exatamente do mesmo problema; se você viajar a duas vezes a velocidade, você aquece quatro vezes mais rápido, e se você viajar a dez vezes a velocidade, você aquece um centenas vezes mais rápido. Para entender o que uma espaçonave Starshot pode experimentar em uma atmosfera, quero que você considere a analogia mais próxima da que experimentamos na Terra: um meteoro.

Meteoro, fotografado sobre o Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array, 2014. Crédito da imagem: ESO/C. Malin.

A maioria dos meteoros que atingem a Terra durante uma chuva de meteoros são de massas comparáveis ao que essas espaçonaves serão: entre 0,1 e 10 gramas, no total. A quantidade de energia cinética que um meteoro possui, no entanto, é proporcional à massa do meteoro, mas também é proporcional à sua velocidade, em relação à atmosfera, ao quadrado . Esses meteoros se movem rapidamente: algo entre 20 e 110 km/s, e normalmente queimam na atmosfera em apenas uma fração de segundo. Ao longo de uma longa e gloriosa chuva de meteoros, você pode ver dezenas ou até centenas dessas faixas de fogo em uma única noite.

Crédito da imagem: Trevor Brexon, de 29 meteoros Perseidas capturados em 27 fotografias e costurados digitalmente. Através da https://www.flickr.com/photos/trevorbexon/20543624326 , sob uma licença genérica c.c.-by-s.a.-2.0.

Então agora chegamos à espaçonave: de massa comparável, mas com cerca de 1.000 vezes a velocidade de um meteoro típico. Isso significa que, em termos de energia cinética, ele tem cerca de 1.000.000 de vezes mais para lidar e dissipar do que um meteoro típico. Um planeta sendo atingido por uma nave espacial de ~ 1 grama movendo-se a 60.000 km/s vai experimentar o mesmo nível de efeitos catastróficos que um planeta sendo atingido por um asteróide de ~ 1 tonelada movendo-se a ~ 60 km/s: o equivalente a isso acontece na Terra apenas uma vez por década.

Representação do meteoro que pasta na Terra de 1860, por Frederic Edwin Church. Imagem cortesia de Judith Filenbaum Hernstadt.

A velocidades tão altas, o próprio material da espaçonave se tornará um plasma, com os átomos/moléculas a bordo tendo seus elétrons arrancados dele. A espaçonave, se for tão fina e espalhada como concebida, se desintegrará em questão de microssegundos, o que é bom, porque levará apenas cerca de 1.000 microssegundos para ir do topo de uma atmosfera semelhante à Terra até o solo. .

Sua melhor esperança de desaceleração, se você quiser que sua espaçonave permaneça intacta, é ter o mesmo tipo de matriz de laser esperando por você em seu destino, pronto para fornecer à sua espaçonave a mesma frequência de luz que a acelerou em primeiro lugar. Ficamos excelentes em projetar materiais que podem refletir em algum lugar na vizinhança de 99,999% da luz em uma frequência muito particular, que é como um conceito de vela a laser é plausível. Mas se você está se deparando com alguma coisa de outros do que a luz nessa frequência – incluindo qualquer outra forma de radiação ou, mais relevante, matéria – você vai absorver uma grande quantidade dessa energia. Nessas velocidades, isso significa desintegração.

Então, Alex, lamento dizer a você e seu pai que sim, drag atmosférico vontade reduza a velocidade de sua nave espacial consideravelmente, mas a maneira como ela faz isso resulta em uma catástrofe de fogo que deve destruir absolutamente tudo em sua espaçonave, até os próprios átomos individuais.

Envie suas considerações do Ask Ethan para ethan dot siegel no gmail dot com.

Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes . Deixe seus comentários em nosso fórum , confira nosso primeiro livro: Além da Galáxia , e apoie nossa campanha no Patreon !