Resumo:
Com o número crescente de satélites em órbita baixa da Terra, os detritos espaciais estão a tornar-se uma questão importante que ameaça a segurança das naves espaciais. Enfrentando um ambiente orbital cada vez mais sobrecarregado, os fabricantes de satélites e as instituições de investigação estão a desenvolver novos sensores de impacto, armaduras de protecção mais leves e estruturas de blindagem utilizando novos materiais e tecnologia de impressão 3D, na esperança de permitir que os satélites mantenham operações normais tanto quanto possível, mesmo que sejam atingidos por detritos de alta velocidade.
Atualmente, os detritos espaciais na órbita baixa da Terra podem se mover a uma velocidade de cerca de 7 quilômetros por segundo. Nessas velocidades, mesmo um pequeno fragmento pode danificar a eletrônica do satélite, penetrar em componentes externos ou até mesmo causar a falha direta de todo o satélite. Os dados da Agência Espacial Europeia mostram que o número de objetos artificiais na órbita da Terra mais do que duplicou desde 2017, e o problema está a piorar à medida que constelações de satélites comerciais continuam a ser implantadas.
Os detritos espaciais não são apenas satélites abandonados e restos de foguetes, mas também incluem fragmentos de metal, plásticos, fragmentos de tinta e outros pequenos objetos produzidos após colisões. Por serem tão pequenos, muitos detritos não podem ser rastreados diretamente pelos sistemas terrestres, mas o poder destrutivo produzido pelo voo em alta velocidade não pode ser subestimado. A Agência Espacial Europeia estima actualmente que existem dezenas de milhares de objectos rastreáveis em órbita, e o número real de detritos maiores que 1 centímetro que é suficientemente grande para causar danos catastróficos a uma nave espacial pode exceder 1,2 milhões.
Além de tentar reduzir a geração de novos detritos espaciais, os fabricantes de satélites também começaram a considerar outra questão prática: como aumentar a probabilidade de os satélites “sobreviverem” quando as colisões não puderem ser evitadas. A Odin Space em Santa Ana, Califórnia, EUA, começou a vender uma tira de detecção adesiva instalada na superfície de um satélite. Ele é equipado com um sensor de vibração interno, que pode registrar a vibração gerada quando o satélite é atingido e ajudar os operadores a determinar o tamanho aproximado e a força de impacto do impacto.
Esta tecnologia promete resolver um problema antigo na indústria de pequenos satélites. Um estudo de 2021 descobriu que cerca de um em cada cinco pequenos satélites deixa de funcionar um ano após o lançamento, e a causa de cerca de 60% destas falhas não é clara. Os ataques com detritos são uma causa possível, mas as falhas dos satélites muitas vezes deixam provas insuficientes para que os operadores determinem o que aconteceu.
Se os satélites puderem registrar o tempo, a intensidade e as características dos impactos, os fabricantes poderão correlacionar esses dados com as falhas dos satélites para determinar melhor as ameaças reais em diferentes ambientes orbitais. Esses dados também podem ser usados para melhorar o projeto estrutural do satélite no futuro, permitindo que os engenheiros reforcem os tipos de detritos e direções de impacto mais comuns sem simplesmente aumentar o peso protetor de todo o satélite.
Atualmente, o alumínio ainda é um dos materiais de proteção mais comuns para naves espaciais. Muitos satélites usam painéis de alumínio e estruturas em favo de mel de alumínio para fortalecer a fuselagem. Esta solução é mais leve e relativamente madura na fabricação, mas tem capacidades de proteção limitadas quando confrontada com detritos em alta velocidade.
Uma solução mais comprovada é o Whipple Shield. Esta estrutura adiciona uma fina camada tampão externa alguns centímetros à frente da concha principal do satélite. Quando os detritos em alta velocidade atingem a estrutura externa, eles serão primeiro quebrados e vaporizados, e então a nuvem de detritos formada atingirá a camada protetora principal traseira, reduzindo assim a energia de impacto que é finalmente transmitida ao interior da espaçonave. O escudo Whipple provou ser muito eficaz, mas o problema é que acrescenta peso e ocupa um espaço interno valioso, dois dos parâmetros mais sensíveis no projeto de satélites.
Atomic-6, perto de Atlanta, EUA, está desenvolvendo uma alternativa chamada "Space Armor". A empresa não divulgou os ingredientes específicos dos tijolos protetores compostos, mas cada tijolo protetor tem aproximadamente o tamanho de uma palma, cerca de 2,5 centímetros de espessura e pesa quase tanto quanto um iPhone.
Testes do Atomic-6 mostraram que o material pode impedir projéteis de alumínio do tamanho de uma ervilha que viajam a 7,2 quilômetros por segundo. O CEO da empresa, Trevor Smith, disse que, ao contrário das estruturas de proteção tradicionais, este material não produz grandes quantidades de fragmentos de alta velocidade semelhantes aos formados após a quebra da blindagem metálica, mas pode vaporizar os fragmentos metálicos impactantes e ser absorvido pelo material protetor.
Enquanto isso, outras equipes de pesquisa estão tentando reduzir o peso dos sistemas de proteção através de uma combinação de diferentes materiais. Por exemplo, a fibra Kevlar tem sido usada em equipamentos à prova de balas e também na estrutura de proteção da Estação Espacial Internacional. Pesquisadores estão experimentando combinar Kevlar com tecido cerâmico Nextel para criar camadas protetoras mais leves, especialmente para satélites menores e de menor custo.
Pesquisadores da Universidade de Pádua, na Itália, estão de olho na tecnologia de impressão 3D. Eles estão usando alumínio, Kevlar e resina reforçada com fibra de carbono para criar estruturas de proteção experimentais. A maior vantagem da impressão 3D é a sua capacidade de projetar estruturas de cavidades complexas dentro de materiais. Essas cavidades permitem que fragmentos em alta velocidade sofram fragmentação múltipla e consumo de energia durante o processo de penetração na camada protetora, conseguindo assim um efeito de proteção escalonado semelhante ao escudo Whipple.
A NASA também está testando uma ideia diferente, usando espuma de alumínio como material protetor. Há um grande número de pequenos vazios dentro da espuma de alumínio. Nos testes, uma camada protetora de espuma de alumínio com pouco mais de 6 mm de espessura foi capaz de fornecer proteção semelhante a um escudo Whipple tradicional, que pesa cerca de duas vezes mais que a solução de espuma de alumínio. Isto significa que, se a tecnologia relevante amadurecer ainda mais, os fabricantes de satélites poderão melhorar as capacidades de proteção sem aumentar significativamente o peso de lançamento.
No entanto, não existe uma “blindagem universal” que possa ser aplicada a todos os satélites. O ambiente de detritos em diferentes órbitas não é o mesmo e a composição, tamanho e velocidade dos detritos podem variar. Os engenheiros precisam decidir quais materiais e estruturas usar com base no ambiente orbital específico em que o satélite está localizado.
Rannveig Marie Faergestad, designer de proteção da Thales Alenia Space, disse que se dados ambientais de detritos orbitais mais precisos puderem ser obtidos, os engenheiros poderão selecionar materiais e projetar estruturas de proteção de maneira mais direcionada. Por outras palavras, o desenvolvimento da futura protecção dos satélites não dependerá apenas de materiais mais resistentes, mas também de uma compreensão mais precisa do ambiente orbital.
É também aqui que os sensores de impacto podem desempenhar um papel importante. No passado, os fabricantes de satélites baseavam-se principalmente em modelos teóricos para prever possíveis ameaças de detritos, enquanto os sensores instalados nos satélites podem fornecer dados de impacto do mundo real. Ao recolher estes dados ao longo do tempo, os operadores podem obter uma compreensão mais clara dos tipos de detritos e dos riscos de impacto que os satélites realmente enfrentam, e optimizar ainda mais o design de protecção dos satélites da próxima geração.
À medida que grandes constelações de satélites continuam a entrar na órbita baixa da Terra, o ambiente espacial está a mudar de um espaço operacional relativamente frouxo no passado para uma infra-estrutura cada vez mais sobrecarregada. A Agência Espacial Europeia alerta que mesmo que pare de lançar novas naves espaciais no futuro, os detritos existentes podem continuar a aumentar devido a colisões e desintegração. Portanto, reduzir a geração de novos detritos, melhorar a resistência ao impacto dos satélites e limpar proativamente os detritos espaciais existentes tornar-se-ão medidas fundamentais para manter a disponibilidade a longo prazo da órbita baixa da Terra.
Para os fabricantes de satélites, a competição no futuro não se trata apenas de tornar os satélites mais leves, mais baratos e mais fáceis de lançar, mas também de como fazê-los sobreviver durante mais tempo no ambiente orbital cada vez mais perigoso. Tecnologias como sensores, novos materiais compósitos, espuma de alumínio e estruturas impressas em 3D estão gradualmente permitindo que os satélites deixem de simplesmente “evitar” detritos espaciais e passem a ter capacidades mais fortes de detecção ativa e proteção passiva.
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