p Em 26 de novembro, A sonda InSight da NASA completará sua jornada de seis meses e meio até Marte, pousando em Elysium Planitia, uma vasta planície próxima ao equador marciano que abriga a segunda maior região vulcânica do planeta. p Lá, Os cientistas da NASA esperam "dar ao Planeta Vermelho sua primeira verificação completa desde que se formou 4,5 bilhões de anos atrás, "de acordo com o site da missão InSight. Missões anteriores examinaram recursos na superfície, mas muitas assinaturas da formação do planeta - que podem fornecer pistas sobre como todos os planetas terrestres se formaram - só podem ser encontradas sentindo e estudando seus "sinais vitais" muito abaixo da superfície.

p Para verificar esses sinais vitais, O InSight virá equipado com dois pacotes de instrumentos principais:um sismômetro para estudar como as ondas sísmicas (por exemplo, de marsquakes e impactos de meteoritos) viajar através do planeta e uma "toupeira" que vai cavar no solo, arrastando uma corda com sensores de temperatura atrás dela para medir como as temperaturas mudam com a profundidade do planeta. Esses instrumentos informarão aos cientistas sobre a estrutura interna de Marte (semelhante à forma como um ultrassom permite que os médicos "vejam" o interior do corpo humano) e também sobre o fluxo de calor do interior do planeta.

p Os engenheiros esperam que a toupeira alcance uma profundidade entre três e cinco metros - longe o suficiente para ficar isolada das flutuações de temperatura do dia e da noite e do ciclo anual de Marte na superfície acima. Metros podem não parecer muito, mas cavar tão longe usando apenas equipamento que pode ser lançado em uma espaçonave e controlado a 55 milhões de milhas de distância é um desafio técnico que nunca foi tentado antes.

p Usando um peso deslizante dentro de seu corpo estreito, a toupeira, que tem 15,75 polegadas (400 milímetros) de comprimento e pesa apenas 1,9 libra (860 gramas), martela-se no chão, 1 mm de cada vez, enquanto arrasta uma corda que é cravejada com 14 sensores de temperatura ao longo de seu comprimento. Uma broca tradicional que tentasse realizar a mesma tarefa precisaria ser tão longa quanto o furo que estava tentando perfurar - e precisaria de uma estrutura de suporte maciça. Se martelasse continuamente, a toupeira levaria entre algumas horas a alguns dias para atingir sua profundidade final, dependendo das características do solo. Contudo, a toupeira irá parar a cada 50 centímetros para medir a condutividade térmica do solo, um processo que requer períodos de resfriamento e aquecimento que duram vários dias. Com o tempo adicional necessário para avaliar o progresso e enviar novos comandos, a toupeira pode levar seis semanas ou mais para atingir sua profundidade final.

p Ao projetar a sonda, engenheiros do JPL, que Caltech gerencia para a NASA, queria ter certeza de que a toupeira seria capaz de atingir a profundidade necessária, e então eles chamaram José Andrade do Caltech, George W. Housner Professor de Engenharia Civil e Mecânica na Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas e especialista em física de materiais granulares.

p "Cerca de cinco anos atrás, quando a toupeira ficava presa durante o teste, a equipe InSight reuniu o que é chamado de 'equipe tigre' - um grupo de especialistas de diferentes áreas que são trazidos para ajudar a resolver um problema, "Andrade diz." Fui chamado para servir nesta equipe de tigres como um especialista em mecânica de solo. "

p Como o solo é um material granular - um conglomerado de partículas sólidas que são maiores que um micrômetro - ele exibe propriedades um tanto incomuns. Por exemplo, solo composto de partículas redondas fluirá facilmente conforme as partículas deslizam umas pelas outras, como areia em uma ampulheta. Mas o solo composto do mesmo tamanho de partículas, mas com formas mais irregulares e angulares, se unirá como peças de um quebra-cabeça e não poderá fluir sem uma força externa significativa.

p Os materiais granulares podem ser descritos como objetos singulares que se deformam com base em sua plasticidade de estado crítico - um modelo idealizado de como grupos de grãos passarão uns pelos outros à medida que a tensão é aplicada a eles. Essa plasticidade é governada pela pressão do ar e pela força da gravidade. Como tal, é difícil simular em laboratório o estado crítico de plasticidade de um material granular em Marte, que tem um terço da gravidade e 0,6 por cento da pressão atmosférica da Terra ao nível do mar.

p "Continuamos tentando extrapolar como a plasticidade de estado crítico se traduziria em Marte, "Andrade diz." Sem saber disso, não pudemos modelar com eficácia quanta resistência a toupeira do InSight enfrentaria ao tentar perfurar o solo de Marte, e se poderia atingir a profundidade desejada. Então, isso despertou uma necessidade clara de mais compreensão. "

p Para ajudar a investigar a penetração da toupeira em um material granular, Andrade e a equipe do InSight contrataram o pesquisador de pós-doutorado Ivan Vlahinic, que completou recentemente um PhD na Northwestern University. Vlahinic montou testes nos quais as primeiras maquetes da toupeira eram monitoradas e analisadas matematicamente à medida que avançavam por uma coluna de vidro cheia de areia.

p Andrade, Vlahinic, e seus colegas descobriram que a menor pressão de sobrecarga de Marte, em comparação com a Terra, na verdade, será mais difícil para a toupeira penetrar no solo de Marte. A pressão de sobrecarga é a pressão sobre uma camada de rocha ou areia exercida pelo material empilhado acima dela. Em qualquer profundidade, a pressão de sobrecarga em Marte é um terço da da Terra, correspondendo com a gravidade inferior do planeta vermelho. Para a mesma fração de empacotamento - a quantidade de espaço preenchido por material - a baixa pressão permite que os materiais granulares existam em um estado mais solto que na verdade aumenta o número de contatos individuais que cada grão tem com seus vizinhos, e isso aumenta a resistência geral do material à penetração.

p A pesquisa de Vlahinic acabou sendo assumida por Jason Marshall, que obteve um PhD da Carnegie Mellon University em 2014 e trabalhou como pesquisador de pós-doutorado na Caltech de 2015 a 2018.

p “Nós não estudamos apenas a penetração, mas também como o calor se move pelo solo, "Marshall diz." Uma das coisas que o InSight busca entender é como a temperatura do planeta muda com a profundidade. O que descobrimos é que conforme estamos deformando a areia, as partículas estão obviamente sendo reorganizadas, e isso vai afetar as medições de condutividade térmica. "À medida que os materiais granulares se deformam, a quantidade de espaço entre as mudanças de grãos individuais, ajustar a quantidade de espaço através do qual o calor irá irradiar ou conduzir através da fina atmosfera do planeta. Também aumenta o número de contatos de grão a grão à medida que o solo é compactado de maneira mais compacta.

p Com este conhecimento, Andrade foi capaz de desenvolver novos modelos de computador que ajudaram a equipe do JPL a prever a eficácia da toupeira em solo marciano. A menos que a toupeira encontre um obstáculo, ele está confiante de que será um sucesso.

p "Os testes mostram que essa coisa pode ir muito mais fundo do que dois metros. Um dealbreaker pode ser uma grande formação de rocha que bloqueia o caminho da toupeira, mas a equipe de seleção do local de pouso do InSight escolheu um local em Marte que seja o mais livre de rochas possível, "diz ele. Além disso, armado com as informações de Marshall sobre o efeito do rearranjo de partículas na condutividade térmica, O InSight deve estar em uma boa posição não apenas para atingir a profundidade desejada, mas também enviar de volta informações precisas sobre a temperatura naquela profundidade, Andrade diz.

p Por enquanto, Andrade e seus ex-pós-doutorandos podem apenas assistir - e esperar. "Fizemos tudo o que podíamos aqui na Terra. Agora depende da InSight, " ele diz.