Isolamento térmico de espaçonaves: como uma nave aguenta 2.760 °C
O isolamento térmico de espaçonaves resolve dois problemas opostos com materiais diferentes. Em órbita, como na Estação Espacial Internacional, a nave precisa não perder nem ganhar calor demais num ambiente sem ar. Os painéis solares enfrentam o mesmo problema, como mostra o artigo sobre painéis solares espaciais. Na volta, precisa sobreviver a alguns minutos em que o escudo da cápsula Orion chega a cerca de 2.760 °C por fora, enquanto a face de trás fica em 93 °C. Entre uma coisa e outra há poucos centímetros de material.
Este artigo explica os três tipos de proteção, a manta refletora, a placa que isola e o escudo que se desgasta de propósito, com os números da NASA para o ônibus espacial, a Orion, a sonda Parker e o telescópio James Webb.
Por que o espaço exige outro tipo de isolamento
Na Terra, a maior parte do calor passa de um corpo para outro pelo ar em movimento ou pelo contato. No vácuo não há ar, e o que sobra é a radiação: o Sol aquece o que ilumina, e tudo o que está na sombra irradia calor para o espaço e esfria. Um documento do Centro Espacial Kennedy registra que os materiais do ônibus espacial tinham de suportar em órbita de −200 °F a +200 °F, ou cerca de −129 °C a +93 °C.
Isolar, nesse ambiente, é principalmente refletir radiação. A lã de vidro de uma casa, tema do guia de conforto térmico em edificações, funciona prendendo ar parado; no espaço esse recurso não existe.
A manta dourada dos satélites
A cobertura dourada e amassada que aparece nas fotos de satélites é a manta multicamadas, conhecida pela sigla MLI. Ela é uma pilha de filmes plásticos muito finos, de cerca de 6 micrômetros, de Mylar ou Kapton, cobertos de metal, em geral alumínio. Entre um filme e outro vai uma tela fina, para que as camadas quase não se toquem.
Cada camada reflete a maior parte da radiação que recebe e irradia pouco para a seguinte. Quarenta camadas em sequência, que dão uns 20 mm de espessura, deixam passar uma fração mínima do calor. A cor não é ouro: é o tom âmbar do Kapton sobre o metal prateado. Esses dados são da Wikipédia em inglês; não lemos um documento primário sobre a manta.
O telescópio James Webb leva o princípio ao extremo. O escudo solar tem cinco camadas de Kapton com alumínio, cada uma do tamanho de uma quadra de tênis, com 21,2 m por 14,2 m, segundo a NASA. A mais grossa tem 0,05 mm. A camada voltada para o Sol pode chegar a 383 K, cerca de 110 °C, e a última, a 36 K, cerca de −237 °C. Pelos extremos, são quase 350 °C de diferença atravessando cinco folhas e o vazio entre elas; a própria NASA fala em uma redução de cerca de 300 °C. O frio é necessário porque o telescópio observa em infravermelho e precisa operar abaixo de 50 K; baixas temperaturas desse tipo aparecem também em supercondutores.
As placas do ônibus espacial
Na reentrada, o problema muda. A nave chega a mais de 17.000 milhas por hora, cerca de 27.400 km/h, e comprime o ar à frente até ele ficar incandescente. A superfície do ônibus espacial chegava a 3.000 °F, cerca de 1.650 °C, e a estrutura de alumínio por baixo não podia passar de 350 °F, ou 177 °C.
A solução foram as placas de sílica. Na configuração final, cada nave tinha cerca de 24.300 placas e 2.300 mantas flexíveis, segundo o mesmo documento do Centro Kennedy. O material mais usado, o LI-900, é feito de fibras de sílica pura com 1 a 3 micrômetros de espessura e pesa 9 libras por pé cúbico, ou 144 kg/m³. A NASA descreve a placa como 94% ar e 6% sólido.
A conta confirma a descrição. A sílica vítrea tem densidade de cerca de 2.200 kg/m³, valor de manual que adotamos. Seis por cento disso dão 132 kg/m³, perto dos 144 kg/m³ da placa. Ela é sete vezes menos densa que a água.
O desempenho vem dessa estrutura. O calor atravessa mal um material que é quase todo vazio e cujas fibras mal se tocam. Uma placa aquecida a 2.200 °F, cerca de 1.200 °C, podia ser mergulhada em água fria sem trincar. Não encontramos em fonte aberta o valor da condutividade térmica da placa, e por isso não fazemos a comparação com materiais comuns.
As placas não cobriam tudo. No nariz e nos bordos de ataque das asas, onde o aquecimento era maior, ia o carbono-carbono reforçado, um compósito de fibra de carbono em matriz de carbono, parente dos materiais compósitos usados em aeronaves. Foi um painel desse material, na asa esquerda, que um pedaço de espuma do tanque externo perfurou na decolagem do Columbia, em 2003. A nave se desintegrou na reentrada.
O escudo que se desgasta de propósito
Cápsulas que voltam da Lua chegam mais rápido que uma nave vinda da órbita baixa, e a placa reutilizável não basta. A saída é o escudo ablativo: um material que queima de forma controlada e leva o calor embora com o que se desprende.
A cápsula Orion entra na atmosfera a 25.000 milhas por hora, cerca de 40.200 km/h. O escudo é feito de blocos de um material chamado Avcoat, com 1 a 3 polegadas de espessura (2,5 a 7,6 cm). Segundo a NASA, a frente chega a cerca de 5.000 °F (2.760 °C) e a face de trás fica em 200 °F (93 °C).
A queda de temperatura dentro do material é o número mais impressionante do artigo:
(2.760 − 93) ÷ 7,6 cm = cerca de 350 °C por centímetro
Isso supondo o trecho mais espesso; a NASA não diz em que ponto do escudo as duas temperaturas ocorrem, e onde o bloco é mais fino a queda por centímetro seria ainda maior.
Há materiais ablativos mais leves. O PICA, desenvolvido no centro Ames da NASA, pesa um quinto dos escudos convencionais e suporta até 2.760 °C, segundo a própria agência. Ele protegeu a cápsula da missão Stardust, que voltou em 2006 a 28.600 milhas por hora, cerca de 46.000 km/h. Uma versão dele, o PICA-X, é usada na cápsula Dragon, da SpaceX.
A sonda que encosta no Sol
A Parker Solar Probe passa a 6,4 milhões de quilômetros do Sol. O escudo dela tem 2,4 m de diâmetro e pesa cerca de 73 kg: duas chapas de carbono-carbono com um miolo de espuma de carbono de 11,43 cm, que é 97% ar. A face voltada para o Sol é pintada de branco.
Segundo a NASA, essa face chega a quase 2.500 °F (1.371 °C), enquanto os instrumentos atrás do escudo ficam a cerca de 85 °F (29 °C). Os 29 °C são a temperatura dos instrumentos na sombra do escudo, e não da face de trás da espuma, que a NASA não informa. Se as duas fossem iguais, a queda seria de (1.371 − 29) ÷ 11,43 = cerca de 117 °C por centímetro; o número serve só como ordem de grandeza. Ao contrário de uma cápsula, a sonda repete a exposição a cada volta em torno do Sol.
O princípio é o da placa do ônibus espacial: um material que resiste ao calor e é quase todo vazio. Sair da Terra para chegar a esses lugares é assunto de como superar a gravidade da Terra.
Perguntas frequentes
Como funciona o isolamento térmico de espaçonaves?
De três maneiras: mantas de filmes metalizados que refletem radiação, placas porosas que conduzem pouco calor e escudos que se desgastam na reentrada, levando o calor com o material que sai.
Por que os satélites são cobertos de papel dourado?
É uma manta de várias camadas de filme plástico com metal. A cor vem do plástico âmbar sobre o metal, e não de ouro.
Que temperatura uma nave enfrenta na reentrada?
O ônibus espacial chegava a cerca de 1.650 °C na superfície. A cápsula Orion, que volta da Lua mais rápido, chega a cerca de 2.760 °C.
De que eram feitas as placas do ônibus espacial?
De fibras de sílica pura, num material que é 94% ar e pesa 144 kg por metro cúbico.
O que é um escudo ablativo?
É um escudo feito para queimar de forma controlada. O material que se desprende carrega o calor para longe da nave.
O isolamento térmico de espaçonaves depende de três ideias simples, refletir, não conduzir e deixar queimar, levadas a materiais que são quase todos vazio. Os princípios físicos por trás delas, com as contas, estão em como funciona a engenharia.
