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A leveza do ser

Para se locomover em asteroides e cometas, veículos espaciais têm de empregar sistemas pouco convencionais

The Economist, O Estado de S. Paulo

23 de março de 2015 | 03h00

Depois de viajar mais de 6 bilhões de quilômetros pelo espaço por mais de uma década, a sonda Rosetta, da Agência Espacial Europeia (ESA, na sigla em inglês) começou a orbitar o cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko no ano passado. Em novembro, a nave-mãe lançou o Philae, seu módulo de aterrissagem, que pareceu pousar com sucesso na superfície do corpo celeste. Mas o entusiasmo que tomou conta dos centros de controle europeus logo deu lugar à preocupação. 

O Philae tornou a levantar voo por causa de uma falha nos arpões impulsionados a explosivos que deveriam tê-lo ancorado no corpo celeste. Os arpões eram necessários porque um astro de dimensões reduzidas, como um cometa, gera pouca gravidade. Tão pouca que, se tivesse se descolado do solo a mais do que 44 centímetros por segundo, o módulo teria corrido o risco de ultrapassar a velocidade de escape do cometa, isto é, a velocidade que um objeto precisa alcançar para se soltar da gravidade de um corpo celeste.

O acaso fez que o Philae descesse de novo sobre a superfície do cometa, desta vez num ponto onde a luz do sol é insuficiente para alimentar seus painéis de energia. O módulo ainda conseguiu transmitir alguns dados para os centros de controle, até que, 64 horas depois, suas baterias se descarregaram. Se um dia o 67P se deslocar até um lugar onde receba mais luz do sol, o Philae talvez possa ser ressuscitado. Apesar disso, as dificuldades enfrentadas por essa missão ajudam a esclarecer por que as agências espaciais têm investido tanto no desenvolvimento de máquinas capazes não apenas de pousar em corpos celestes onde a atração gravitacional é mínima, mas também se locomover em sua superfície sem ficar esvoaçando para todo lado.

Veículos como os rovers circulam sem problemas pela Lua e por Marte, mas a gravidade desses dois astros é apenas reduzida - um sexto e um terço, respectivamente, da existente na Terra, cuja velocidade de escape é de 11 quilômetros por segundo. Rovers que se movem sobre rodas ou sobre lagartas provavelmente seriam capazes de operar com até um centésimo da gravidade terrestre, diz Issa Nesnas, diretor do Robotic Mobility Group, divisão do Jet Propulsion Laboratory que a Nasa tem em Pasadena, na Califórnia. Mas sob a microgravidade de corpos pequenos, como asteroides e cometas, esse veículos não têm como se firmar em seu solo. Para veículos sobre rodas o problema é ainda maior: ao se descolar do chão, elas podem girar em falso, desperdiçando energia. Conclusão: na microgravidade, os rovers precisam de um sistema de locomoção totalmente diferente.

Por estranho que pareça, um meio de transporte de grande potencial na microgravidade é o “pula-pula espacial”, uma máquina que não tem nada a ver com as bolas pula-pulas que fizeram sucesso entre as crianças nos anos 70 e 80, mas que se baseia no mesmo princípio. 

O primeiro pulo. Ainda não se sabe se um “pula-pula espacial” funcionaria no espaço. Mas a ideia poderá ser testada dentro de alguns anos. Uma nave transportando quatro robôs pula-pulas foi lançada do centro espacial japonês Tanegashima em 3 de dezembro último. A missão, que leva o nome de Hayabusa 2, está sob a responsabilidade da Agência Japonesa de Exploração Aeroespacial. O objetivo é coletar amostras num asteroide chamado 1999 JU3 e trazê-las para a Terra. A nave deve alcançar o asteroide no segundo semestre de 2018 e passará cerca de um ano realizando estudos sobre ele. Então chegará bem perto para disparar projéteis contra a superfície do astro. Isso fará com que vários materiais sejam lançados para o alto, e a nave os capturará com um bico sugador.

Com um diâmetro de aproximadamente um quilômetro apenas, o 1999 JU3 tem uma velocidade de escape de 32 centímetros por segundo. Para percorrer sua superfície, os rovers usarão uma massa interna móvel. O maior rover a bordo do Hayabusa 2 é uma máquina cuboide de 10 quilos, chamada Mascot (sigla de Mobile Asteroid Surface Scout). O Mascot utiliza um braço rotativo interno, com contrapeso, que lembra um pêndulo. Um motor elétrico faz o braço girar e então, de repente, interrompe o movimento. Esse sacolejo transfere inércia para o corpo do rover, pressionando-o contra a superfície e fazendo a máquina saltar. Para garantir que ela volte a estabelecer contato com a superfície e não fique à deriva no espaço, a velocidade do pulo tem de ser limitada a cerca de dois terços da velocidade de escape do asteroide.

O Mascot foi fabricado pelo centro aeroespacial alemão DLR. Além de pular, ele pode usar seu braço rotativo para dar cambalhotas, caso pare do lado errado ao aterrissar. O objetivo é garantir que seus instrumentos - uma câmera, um magnetômetro (para medir campos magnéticos), um radiômetro (para medir temperatura e radiação) e um microscópio infravermelho (para estudar minerais) - estejam todos voltados para a direção correta.

Mecanismos como o Mascot são mais leves e menos complicados do que sistemas que operam sobre rodas ou lagartas. Além disso, por se movimentarem aos pulos, não precisam de informações detalhadas sobre o terreno, a partir das quais possam traçar rotas mais seguras. Mesmo que um pula-pula espacial pouse sobre uma rocha angulosa, é pouco provável que sofra danos, pois na microgravidade, os objetos têm uma fração de seu peso na Terra. Pular também despende menos energia do que pôr as rodas de um veículo em movimento. Com uma quantidade de energia equivalente à necessária para manter um iPad em funcionamento por não muito mais que 30 segundos um Mascot percorre cerca de 70 metros, diz Tra-Mi Ho, que chefia o projeto.

A fim de que esse rover de US$ 32 milhões fosse leve e pequeno o bastante para ser transportado pela nave-mãe, seus projetistas o deixaram sem painéis de energia solar. Ou seja, ele não tem como recarregar suas baterias, que duram cerca de 16 horas, ou o equivalente a dois dias e duas noites no asteroide. Assim, entre um pulo e outro, o Mascot tem de dar conta de muito trabalho.

A agência espacial francesa CNES está analisando os dados das aterrissagens desgovernadas do Philae para calibrar melhor os pulos que o Mascot dará. Informações coletadas pelo Hayabusa 2 sobre a gravidade e a composição da superfície do 1999 JU3 serão usadas para calcular as velocidades do braço rotativo que proporcionarão ao rover pulos mais eficientes, diz Pierre Bousquet, diretor de projetos de microgravidade.

Em queda livre. O maior desafio será pôr os quatro rovers no asteroide, diz Ho, da DLR. Eles terão de ser ejetados da nave-mãe a velocidades e posições precisas, para seguir em queda livre por cerca de 100 metros, até alcançar a superfície do corpo celeste, acrescenta ela. Esse tipo de operação é complicado, como demonstrou a primeira missão Hayabusa, realizada em 2005. Posicionada 200 metros acima de um asteroide de nome Itokawa, a nave-mãe lançou o pula-pula espacial Minerva. Foi um erro. Logo se descobriu que o lançamento deveria ter sido feito a 70 metros de distância apenas. O Minerva não foi capturado pela gravidade do corpo celeste e saiu vagando pelo espaço. Os três Minervas-II, de fabricação japonesa, transportados pelo Hayabusa 2, são variações melhoradas desse rover original que se perdeu.

Se os pula-pulas espaciais do Hayabusa 2 funcionarem bem, esses rovers ajudarão a ampliar as atividades de exploração extraterrestre, particularmente em asteroides e cometas. O interesse dos cientistas por esses astros se deve ao fato de que eles são o resquício em estado mais puro dos primórdios do sistema solar, não tendo sido adulterados por muitas das transformações químicas e geológicas que tiveram lugar nos planetas. Alguns deles talvez contenham substâncias que antecedem a formação de estrelas. Muitos parecem ricos em moléculas orgânicas complexas contendo carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio.

Alcançar os asteroides que orbitam a Terra pode ser mais fácil e barato do que chegar a planetas e luas. E, como a velocidade de escape dos pequenos corpos celestes é muito baixa, o combustível a ser transportada para permitir a decolagem de um veículo estacionado em sua superfície também tende a ser reduzido. Assim, os asteroides poderiam servir como escalas intermediárias em viagens tripuladas com destino a pontos mais distantes no espaço, diz Marco Pavone, um especialista em robótica da Universidade de Stanford que está projetando um pula-pula espacial para a Nasa. Talvez seja possível também extrair desses astros rochosos elementos como oxigênio e hidrogênio, a fim de reabastecer suprimentos de água, ar respirável e combustível.

O pula-pula espacial em que Pavone e seus colegas estão trabalhando é dotado de três volantes internos, um para cada eixo. Esses volantes são impulsionados por motores elétricos independentes, o que lhes permite operar com velocidades diferentes. Para pular, a energia inercial de cada volante precisa ser transferida para a estrutura do robô de forma simultânea.

Alguns pula-pulas espaciais que usam sistemas semelhantes são conhecidos como “porcos-espinhos”, por causa de suas hastes protetoras. Um desses protótipos, montado no Jet Propulsion Laboratory, usava freios para brecar os volantes. A equipe de Stanford está experimentando outro método, com impulsão mais brusca e menor perda de energia sob forma de calor na frenagem. O sistema usa uma peça metálica para travar cada um dos volantes. Com vários volantes, os pulos são mais controláveis e precisos. Benjamin Hockman, um engenheiro mecânico que participa do projeto, diz que os porcos-espinhos também poderiam ser empregados na exploração de satélites naturais como Fobos, uma lua marciana com reduzida atração microgravitacional.

Uma equipe da Universidade de Tóquio adotou abordagem diversa. Construíram um pula-pula esférico, impulsionado por eletromagnetos. Funciona assim: cuatro eletromagnetos são fixados na parede interna da esfera, em cujo centro permanece suspensa uma pequena bola de ferro. Com uma bateria elétrica, ativa-se um ou mais eletromagnetos, fazendo com que a bola de ferro seja atraída para determinado ponto na extremidade da esfera. Isso transmite energia cinética para a estrutura do robô, e assim tem início o pulo. O mecanismo também deve permitir ao rover rolar por uma superfície, diz seu projetista Yoshihiko Nakamura.

Rolar é outra opção para os rovers que precisam operar sob baixa gravidade. “Estruturalmente maleável” é o nome de um robô projetado para se locomover dessa maneira. Sua estrutura é uma espécie de treliça, feita com hastes rígidas, interligadas por cabos elásticos. Agentes mecânicos são empregados para encurtar e encompridar os cabos, de modo que o rover muda de forma conforme vai tombando na direção pretendida. Embora desengonçado, esse robô precisa de pouca tração para executar seu “movimento de rolagem pontuada”, diz Alice Agogino, pesquisadora da Universidade da Califórnia, em Berkeley, cujo projeto é financiado pela Nasa. A ideia é que os instrumentos do rover e sua unidade de energia permaneçam suspensos no centro da estrutura.

No Ames Research Centre, da própria Nasa, uma equipe associada à de Agogino desenvolve rovers estruturalmente maleáveis, batizados de Super Ball Bots. Os pesquisadores trabalham com a perspectiva de que seus robôs sejam usados em Fobos ou em Titã, um das luas de Saturno. Com um sétimo da gravidade terrestre, Titã poderia ser percorrido com um rover tradicional, que se movesse sobre rodas. Mas um Super Ball Bot num lugar assim tem a vantagem de fazer as vezes tanto de sistema de locomoção, como de mecanismo de pouso, diz Vytas SunSpiral, especialista em robótica envolvido no projeto. Por não empregarem juntas rígidas, essas estruturas absorvem grandes impactos sem sofrer danos. Os rovers tradicionais enviados para Marte são acolchoados com sistemas de airbags - caros, complexos e pesados. Um Super Ball Bot poderia cair de órbita ou despencar de um penhasco e tornar-se seu próprio airbag, diz SunSpiral.

Mas a mobilidade em condições de atração microgravitacional não é tudo. Às vezes os rovers precisam parar e colher amostras. Os projéteis que o Hayabusa 2 vai disparar contra a superfície do 1999 JU3, a fim de lançar amostras para o alto, têm uma explicação simples: é impossível fazer perfurações no asteroide. Nenhum sistema robótico de ancoragem em condições de microgravidade foi usado com sucesso até hoje, e, sem tal sistema, seria a nave espacial, ou o rover, e não a broca da perfuratriz, que giraria. Aaron Parness, que trabalha na unidade de robótica aplicada a “condições ambientais extremas” do Jet Propulsion Laboratory bolou uma máquina que usa centenas de pequenas garras para se firmar na superfície irregular frequentemente encontrada em corpos celestes como os asteroides. A máquina ainda está em desenvolvimento, mas pode subir pela face vertical de uma rocha e até andar de ponta-cabeça.

Até serem testadas em microgravidade real, não há como ter certeza de que esses rovers funcionarão. É impraticável reproduzir perfeitamente uma missão sob condições simuladas de microgravidade na Terra. Alguns componentes do sistema Mascot foram testados numa torre de queda livre de 146 metros, em Bremen, na Alemanha, que usa uma catapulta para produzir 9,3 segundos de quase ausência de gravidade. O Draper Laboratory, um centro independente com sede em Cambridge, no estado americano de Massachusetts, testou os sistemas de orientação e controle de um protótipo de pula-pula espacial durante um voo de gravidade reduzida. Mas a primeira oportunidade de completar uma missão desse tipo caberá a um dos quatro pula-pulas espaciais transportados pelo Hayabusa 2. Falta decidir qual deles.

Salvando o planeta. O sucesso na utilização dessas máquinas é mais importante do que as pessoas tendem a imaginar. Embora desenvolvidos para a realização de atividades exploratórias, os rovers que operam sob microgravidade um dia ainda podem salvar a Terra de uma colisão catastrófica com um asteroide. Como muitos asteroides são formados por rochas fracamente aglutinadas, não seria fácil empurrá-los ou atraí-los para uma orbita segura. Mas uma gambiarra talvez dê conta do recado, conjectura Bousquet, da CNES. Assim como os pula-pulas espaciais funcionam com base no princípio de que toda ação gera uma reação oposta e equivalente, a luz e o calor que se refletem na superfície de um asteroide exercem uma pequena pressão. De modo que, aumentar a refletividade das rochas alteraria esse discreto ricochete, modificando, com o passar do tempo, a própria trajetória do asteroide. Seja como for que venham a se locomover, o fato é que os rovers capazes de operar sob condições de gravidade extremamente baixa um dia ainda podem ter um trabalho importantíssimo a fazer. 

© 2015 THE ECONOMIST NEWSPAPER LIMITED. DIREITOS RESERVADOS. TRADUZIDO POR ALEXANDRE HUBNER, PUBLICADO SOB LICENÇA. O TEXTO ORIGINAL EM INGLÊS ESTÁ EM WWW.ECONOMIST.COM.

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