Antes do final desta década, a NASA planeja levar astronautas de volta à Lua pela primeira vez desde a Era Apollo. Mas desta vez, através do Programa Artemis, não será um assunto de “pegadas e bandeiras”.



Com outras agências espaciais e parceiros comerciais, o objectivo a longo prazo é criar a infra-estrutura que permitirá um “programa sustentado de exploração e desenvolvimento lunar”. Se tudo correr conforme o planejado, várias agências espaciais estabelecerão bases em torno da Bacia Pólo Sul-Aitken, o que abrirá caminho para as indústrias lunares e o turismo.

Para que os humanos vivam, trabalhem e realizem diversas atividades na Lua, são necessárias estratégias para lidar com todos os perigos – entre eles o regolito lunar (ou “poeira lunar”). Como os astronautas da Apollo aprenderam, a poeira lunar é irregular, adere a tudo e pode causar desgaste significativo nos trajes, equipamentos, veículos e saúde dos astronautas.

Num novo estudo realizado por uma equipe de engenheiros da Texas A&M, o regolito também representa um risco de colisão quando levantado por plumas de foguete. Dadas as muitas naves espaciais e módulos de aterragem que transportarão tripulações e carga para a Lua num futuro próximo, este é um perigo que merece muita atenção.

O estudo foi conduzido por Shah Akib Sarwar e Zohaib Hasnain, Ph.D. Aluno e professor assistente (respectivamente) do Departamento de Engenharia Mecânica J. Mike Walker '66 da Texas A&M University. Para seu estudo, Sarwar e Hasnain investigaram colisões partícula-partícula para regolito lunar usando o método de "esfera suave", onde as equações de movimento de Newton e um modelo de força de contato são integrados para estudar como as partículas irão colidir e se sobrepor.

Isso o diferencia do método da “esfera dura”, que modela partículas no contexto de fluidos e sólidos.

Embora o regolito lunar varie de partículas minúsculas a grandes rochas, o principal componente da "poeira lunar" são minerais finos de silicato com tamanho médio de 70 mícrons. Eles foram criados ao longo de bilhões de anos, quando a superfície sem ar da lua foi atingida por meteoros e asteróides que transformaram grande parte da crosta lunar em um pó fino.

A ausência de atmosfera também significava que a erosão pelo vento e pela água (comum aqui na Terra) estava ausente. Por último, a exposição constante ao vento solar deixou o regolito lunar carregado eletrostaticamente, o que significa que ele adere a tudo o que toca.

Quando os astronautas da Apollo se aventuraram na Lua, eles relataram ter problemas com o regolito que grudava em seus trajes e era rastreado até seus módulos lunares. Uma vez dentro dos veículos, aderia a tudo e tornava-se um perigo para a saúde, causando irritação nos olhos e dificuldades respiratórias.

Mas com as missões Artemis no horizonte e a infra-estrutura planeada que implicarão, há a questão de como as naves espaciais (durante a descolagem e a aterragem) farão com que o regolito seja levantado em grandes quantidades e acelerado a altas velocidades.

Como Sarwar relatou ao Universe Today por e-mail, esta é uma das principais maneiras pelas quais o regolito lunar será um grande desafio para as atividades humanas regulares na lua:

"Durante um pouso retropropulsivo suave na Lua, as plumas de exaustão de foguetes supersônicos/hipersônicos podem ejetar uma grande quantidade (108–1015 partículas/m ³ visto nas missões Apollo) de regolito solto da camada superior do solo."

"Devido às forças geradas pela pluma - arrasto, sustentação, etc. - o material ejetado pode viajar em velocidades muito altas (até 2 km/s). O spray pode danificar a espaçonave e equipamentos próximos. Também pode bloquear a visão do área de pouso, interromper sensores, obstruir elementos mecânicos e degradar superfícies ópticas ou painéis solares através de contaminação."

Os dados adquiridos das missões Apollo serviram de referência para Sarwar e Hasnain, que incluíam como o material ejetado da pluma de exaustão do Módulo Lunar (LM) Apollo 12 danificou a espaçonave Surveyor 3, localizada a 160 metros (525 pés) de distância. Este veículo não tripulado foi enviado para explorar a região do Mare Cognitum em 1967 e caracterizar o solo lunar antes das missões tripuladas.

O Surveyor 3 também foi usado como local de pouso da Apollo 12 e foi visitado pelos astronautas Pete Conrad e Alan Bean em novembro de 1969.

O dano foi mitigado pelo fato do Surveyor 3 estar em uma cratera abaixo do local de pouso da Apollo 12 LM. Outro exemplo é a missão Apollo 15 que pousou na região de Hadley-Apeninos em 1971. Durante a descida do LM, os astronautas David R. Scott e James B. Irwin não conseguiram ver o local de pouso porque sua pluma de exaustão havia criado uma espessa nuvem de regolito. acima dele.

Isto forçou a tripulação a selecionar um novo local de pouso na borda de Béla, uma cratera alongada a leste da região. O LM não conseguiu equilibrar-se neste local e inclinou-se 11 graus para trás antes de se estabilizar.

Pesquisas conduzidas desde que essas missões ocorreram levaram à conclusão de que as colisões entre partículas de regolito provavelmente causaram a dispersão. Como Sarwar indicou, estes exemplos ilustram como o regolito perturbado pode tornar-se um perigo, especialmente quando outras naves espaciais e instalações estão posicionadas nas proximidades:

"Os dois exemplos acima da era Apollo não foram graves o suficiente para comprometer o sucesso da missão. Mas as futuras missões Artemis (e CLPS) ocorrerão no pólo sul lunar, onde o solo é considerado significativamente mais poroso/fraco do que o equatorial e regiões de pouso da Apollo em latitudes médias."

"Além disso, espera-se que os módulos de pouso Artemis entreguem cargas úteis muito maiores do que a Apollo e, portanto, exijam mais impulso para desacelerar. Como resultado, podem ocorrer crateras profundas (não vistas na Apollo) devido às plumas de exaustão do foguete e explodir o regolito em ângulos muito mais altos. do que aqueles vistos anteriormente (~1-3 graus acima do solo)."

De acordo com os objetivos de longo prazo do Programa Artemis, a NASA planeja construir infraestrutura em torno da região polar sul para permitir um “programa sustentado de exploração e desenvolvimento lunar”. Isso inclui o Acampamento Base Artemis, que consiste em um habitat de superfície de fundação, uma plataforma de mobilidade habitável, um veículo terrestre lunar (LTV) e o Portal Lunar em órbita.

“Como tal, proteger os humanos, estruturas ou naves espaciais próximas dos perigos das partículas de regolito lunar é de extrema preocupação”, disse Sarwar.

Pesquisas semelhantes mostraram como as nuvens de regolito causadas pela aterrissagem e decolagem também podem representar um perigo para a operação segura do Portal Lunar e dos orbitadores lunares. Estas ameaças impulsionaram pesquisas consideráveis ​​sobre como a poeira lunar pode ser mitigada durante missões futuras. Conforme observado, Sarwar e Hasnain usaram o método da esfera suave para avaliar os riscos representados pelas colisões entre partículas:

"Neste método, as partículas adjacentes podem sobrepor-se umas às outras por uma pequena quantidade, o que é tomado como uma medida indireta da deformação esperada numa colisão real entre partículas. Este valor de sobreposição, juntamente com as propriedades relevantes do material do regolito lunar, é então usado em uma representação deslizante de atrito de painel de mola para calcular as forças em cada evento de colisão. A inelasticidade envolvida em uma colisão varia de completamente inelástica a altamente elástica.

"Nossos resultados revelam que colisões altamente elásticas entre grãos de regolito relativamente grandes (~100 mícrons) fazem com que uma porção significativa deles seja ejetada em grandes ângulos (alguns podem voar a ~90 graus). O restante dos grãos está, no entanto, contido em uma região de pequeno ângulo (<3 graus) ao longo do solo - o que está alinhado com a camada de regolito visível observada durante as missões Apollo."

Em termos de salvaguardas, Sarwar e Hasnain sugerem que bermas ou cercas em torno de uma zona de aterragem são uma forma de mitigar a pulverização de material ejectado. No entanto, como sugere a sua investigação, uma certa percentagem de partículas de regolito pode espalhar-se em grandes ângulos devido a colisões, tornando as bernas ou vedações insuficientes.

“Uma solução melhor para futuras missões Artemis seria construir uma plataforma de pouso”, disse Sarwar. "Nesse sentido, uma equipe multiorganizacional com pessoal acadêmico (incluindo o Dr. Hasnain) e da indústria está trabalhando no desenvolvimento da técnica de pulverização de alumina em voo, ou plataformas de pouso FAST."

O método FAST prevê módulos lunares equipados com partículas de alumina que são ejetadas durante as manobras de pouso. Eles são então liquefeitos pelas plumas do motor para criar alumínio fundido na superfície lunar, que esfria e solidifica para criar uma superfície de pouso estável. A NASA também investigou como as plataformas de pouso poderiam ser construídas usando tecnologia de sinterização, onde o regolito é explodido com microondas para criar cerâmica derretida que endurece em contato com o espaço.

Outra ideia é construir plataformas de pouso com paredes anti-explosão para conter o regolito ejetado, que a construtora ICON, com sede no Texas, incluiu em seu conceito de habitat da Lanterna Lunar.

Infelizmente, as investigações experimentais relativas ao regolito lunar são muito difíceis porque as condições lunares são muito diferentes das da Terra. Isso inclui a gravidade mais baixa (cerca de 16,5% da Terra), o ambiente de vácuo e as variações extremas de temperatura. É por isso que os pesquisadores são forçados a confiar fortemente na modelagem numérica, que normalmente se concentra nas forças da pluma e ignora amplamente o papel das colisões de partículas. Mas, como observou Sanwar, a sua investigação oferece informações valiosas e ilustra porque é importante considerar este fenómeno frequentemente esquecido ao planear futuras missões lunares:

"[No entanto,] nossa pesquisa sobre colisões de partículas mostrou que este é um fenômeno muito importante a ser considerado para uma previsão precisa da trajetória do regolito e, portanto, deve ser incluído. Ainda existem muitos desafios nesta área, como a falta de conhecimento sobre o coeficiente de restituição de partículas de regolito (que determina a perda de energia em uma colisão), efeitos da distribuição de tamanho de regolito, implicações de plumas turbulentas, etc."

“Esperamos elucidar algumas dessas incertezas no futuro e contribuir para um modelo PSI lunar mais abrangente para pousos lunares Artemis mais seguros”.

As descobertas foram publicadas na Acta Astronautica .

Mais informações: Shah Akib Sarwar et al, Investigando efeitos de colisão em partículas do solo lunar ejetadas sob plumas de foguetes, Acta Astronautica (2024). DOI:10.1016/j.actaastro.2024.02.014
Fornecido por Universe Today