Em meados de dezembro, discos gêmeos começarão a brilhar em azul na parte de baixo de uma espaçonave do tamanho de um microônibus no espaço profundo. Nesse momento, a missão BepiColombo da Europa e do Japão terá acabado de dar um passo crucial para se aproximar de Mercúrio.

Esta semana vê o comissionamento em vôo e teste de disparo dos quatro propulsores - com um ou dois disparos por vez - do Sistema de Propulsão Solar Elétrica que BepiColombo depende para alcançar o planeta mais interno. Isso marca a primeira operação em vôo do sistema de propulsão elétrica mais poderoso e de alto desempenho já voado em qualquer missão espacial até o momento.

Cada propulsor e seu processamento de energia associado e unidades de controle de fluxo de propelente serão testados em potência total para verificar se nenhum efeito prejudicial foi causado pelo lançamento, culminando nas primeiras operações de propulsor duplo - a configuração a ser usada durante a maior parte da missão.

O primeiro disparo de rotina está programado para meados do próximo mês, e o sistema de propulsão operará continuamente por três meses para otimizar a trajetória da espaçonave para a longa viagem a Mercúrio.

BepiColombo, lançado do espaçoporto europeu na Guiana Francesa em 20 de outubro, enfrenta um desafio diferente das missões científicas planetárias da ESA:está voltado para dentro, em direção ao Sol, não fora, e precisa perder velocidade em vez de ganhá-la.

Como todos os objetos do Sistema Solar, a espaçonave está em órbita solar, movendo-se perpendicularmente à atração da gravidade do Sol. Portanto, o BepiColombo tem que diminuir a velocidade por meio de uma série de manobras de frenagem e sobrevôos, tornando-o mais suscetível à gravidade do Sol e deixando-o espiralar mais perto do coração do Sistema Solar.

O empuxo produzido pelo sistema de propulsão elétrica serve para desacelerar a espaçonave, ou, em alguns casos, o acelera para tornar os voos de frenagem mais eficazes. Nada menos que nove sobrevôos planetários da Terra (uma vez), Vênus (duas vezes) e o próprio Mercúrio (seis vezes) são obrigados a colocar a espaçonave multimodular em órbita ao redor de Mercúrio daqui a sete anos.

Rebocador espacial

A parte do Módulo de Transferência de Mercúrio da nave espacial, contendo o sistema de propulsão, é em essência um 'rebocador espacial' de alto desempenho. Sua tarefa é realizar todas as manobras ativas de controle de trajetória necessárias para transportar as outras partes da 'pilha' do BepiColombo - o Mercury Planet Orbiter da ESA e o Mercury Magnetospheric Orbiter do Japão - para a órbita de Mercúrio.

O alto desempenho do sistema de propulsão, em termos da quantidade de combustível que os propulsores requerem, é crítico. O gás xenônio inerte é alimentado para os propulsores, onde os elétrons são primeiro removidos dos átomos de xenônio. Os átomos carregados eletricamente resultantes, referido como íons, são então focados e ejetados para fora dos propulsores usando um sistema de grade de alta tensão a uma velocidade de 50.000 metros por segundo.

Esta velocidade de exaustão é 15 vezes maior do que propulsores convencionais de foguetes químicos, permitindo uma redução dramática na quantidade de propelente necessária para cumprir a missão.

"O sistema de propulsão transforma a eletricidade gerada pelos painéis solares gêmeos de 15 m de comprimento do Mercury Transfer Module em empuxo, "explica o engenheiro de propulsão elétrica da ESA, Neil Wallace.

"Na potência máxima, um impulso equivalente ao peso de três moedas de 1 euro é desenvolvido, o que significa que os propulsores devem continuar disparando por longos períodos para serem eficazes, mas na ausência de qualquer resistência e presumindo que você seja paciente, as manobras possíveis e a carga útil que pode ser transportada são dramáticas. "

Propulsão eletrizante de espaçonave

Os quatro propulsores T6 em torno dos quais o sistema de propulsão elétrica solar é projetado, tem uma herança que remonta a décadas. A QinetiQ no Reino Unido - anteriormente a Agência de Avaliação e Pesquisa de Defesa do Reino Unido e antes disso o Farnborough Royal Aircraft Establishment - pesquisa a propulsão elétrica desde 1960.

O primeiro vôo de sua tecnologia veio com o propulsor T5 de 10 cm de diâmetro, um elemento chave da missão GOCE de mapeamento gravitacional da ESA em 2009, onde permitiu que o satélite orbitasse no topo da atmosfera da Terra por mais de três anos, deslizando pela atmosfera difusa na altitude orbital sem precedentes baixa necessária para a missão.

Os propulsores T6 aumentados têm 22 cm de diâmetro, o aumento no tamanho necessário para os requisitos de maior empuxo e vida útil da missão BepiColombo. E ao contrário do T5 do GOCE, esses propulsores T6 são manobráveis, cortesia de sistemas de cardan desenvolvido por RUAG Space na Áustria.

"Eles são mecanismos inteligentes que complicam um pouco o design do sistema - todos os cabos elétricos e tubos têm que cruzar um limite móvel - mas acrescentam muito ao desempenho, "acrescenta Neil." Eles garantem que o vetor de empuxo de um motor simples ou duplo atravesse o centro de gravidade da espaçonave, que muda ao longo do tempo à medida que o propulsor se esgota. "

As operações do propulsor são controladas usando duas unidades de processamento de energia, cuja arquitetura é projetada para suportar o disparo de dois T6s simultaneamente, mesmo no caso de qualquer anomalia do sistema, garantindo que o empuxo máximo de 250 mN pode ser mantido.

Injetando inteligência

“A inteligência do sistema para operação autônoma de propulsores vem dessas Unidades de Processamento de Energia - fornecidas pela Airbus Crisa na Espanha, "explica Neil, "que fornecem as tensões e correntes reguladas aos propulsores com base nas instruções do controle de solo por meio do computador de bordo da espaçonave."

Os outros elementos-chave são unidades de controle de fluxo de propelente, também supervisionado pelos PPUs, e o chicote elétrico de alta tensão. As FCUs garantem que os fluxos corretos de gás xenônio sejam fornecidos aos propulsores e foram desenvolvidas pela Bradford Engineering na Holanda para fornecer taxas de fluxo programáveis.

Os vários elementos do sistema de propulsão foram submetidos a testes individuais e extensivos de desempenho e qualificação, concluindo em uma série de testes realizados na unidade de Farnborough da QinetiQ.

Testing times

The spacecraft configuration and the extreme nature of the BepiColombo mission – needing to function in thermal conditions akin to placing it in a pizza oven – often demanded similarly extreme test scenarios, pushing the solar electric propulsion technology and test facilities to their limits.

"One important test early in the programme was to ensure that two thrusters could be operated in close proximity for prolonged periods without harmful interactions, " adds Neil. "They turned out to be remarkably tolerant of each other with no measureable effects."

One of the biggest ironies of the thruster qualification for BepiColombo, heading close to the Sun, was the extreme minimum temperatures experienced by its ion thrusters.

Neil explains:"Despite the fact the mission is headed to Mercury, the bulk of the spacecraft shadows the thrusters for very long periods and when not operating they naturally cool to temperatures way lower than ever tested in the past. We needed to prove they would turn-on and operate within specification when cooled to minus 150 C.

"It was a remarkable testament to the robustness of the technology that even after temperatures sufficient to freeze the xenon in the pipes the thrusters were able to start and operate flawlessly."

End of the journey

The propulsion system is dependent on the Mercury Planetary Orbiter's onboard computer for its control and command, so by itself it will not be able to function. Its ultimate fate is to be cast off, when the three-module BepiColombo stack separates before entering Mercury orbit, to circle the Sun indefinitely in the vicinity of the planet, letting the two science modules go to work.

"At one point while planning the BepiColombo mission, the Mercury Transfer Module was planned to impact the planet, " Neil comments, "a sort of Viking funeral that seemed fitting to all of us engineers."

Gridded ion thruster technology will have a life far beyond BepiColombo however, with commercial applications in development, e futuro, even more ambitious ESA science missions set to rely on the technology.