Um novo conceito de laser pode revolucionar a forma como exploramos os mundos congelados do nosso sistema solar.
Quando os cientistas sonham em explorar o oceanos escondidos sob as crostas geladas de luas como a de Júpiter Europa ou de Saturno Encélado — ou outras regiões geladas, como crateras lunares permanentemente sombreadas ou solos contendo gelo perto dos pólos marcianos — um grande problema está no caminho: perfurar o gelo.
As brocas e sondas de fusão tradicionais são pesadas, complexas e consomem grandes quantidades de energia. Agora, pesquisadores do Instituto de Engenharia Aeroespacial da Technische Universität Dresden, na Alemanha, desenvolveram uma nova solução promissora: uma perfuratriz de gelo baseada em laser que pode perfurar canais estreitos e profundos em gelo mantendo baixos os requisitos de massa e energia.
“Criamos uma broca a laser que permite acesso profundo, estreito e com eficiência energética ao gelo, sem aumentar a massa do instrumento – algo que brocas mecânicas e sondas de derretimento não conseguem”, disse Martin Koßagk, principal autor do estudo, ao Space.com por e-mail.
As brocas mecânicas tornam-se mais pesadas com a profundidade à medida que estendem as hastes para baixo, e as sondas de fusão dependem de cabos longos e que consomem muita energia. A broca a laser evita ambos os problemas, mantendo todos os instrumentos na superfície. Esta tecnologia envia um feixe concentrado para o gelo, vaporizando-o em vez de derretê-lo – um processo conhecido como sublimação.
O vapor resultante escapa para cima através de um poço estreito, largo o suficiente para coletar amostras de gás e poeira. Instrumentos na superfície podem então analisar essas amostras quanto à composição química e densidade, fornecendo pistas valiosas sobre as propriedades térmicas e a história da formação do corpo cósmico que está sendo explorado.
Embora os lasers não sejam as ferramentas com maior eficiência energética, o feixe vaporiza um mero furo de gelo, o que significa que a furadeira usa muito menos energia total do que os aquecedores elétricos. Ele também funciona mais rápido em camadas ricas em poeira que retardam as sondas de fusão tradicionais, permitindo que ele perfure muito mais profundamente sem adição de massa ou energia.
Portanto, um instrumento baseado em laser “torna a exploração subterrânea de luas geladas mais realista, permitindo análises de alta resolução da composição e densidade do gelo, melhorando modelos de transporte de calor e profundidade oceânica em corpos como Europa e Encélado, e apoiando estudos de formação de crosta”, disse Koßagk. “Sobre a lua ou Martea broca a laser também pode extrair material subterrâneo, como poeira de crateras ou solos contendo gelo, permitindo a reconstrução geológica além das camadas superficiais.”
O conceito de perfuração a laser da equipe opera a cerca de 150 watts (W), com uma massa projetada de cerca de 9 libras (4 quilogramas), permanecendo constante independentemente da profundidade – seja 33 pés (10 metros) ou 6 milhas (10 quilômetros). No entanto, Koßagk observou que um espectrômetro de massa para analisar o gás e instrumentos para separação e análise de poeira aumentaria a necessidade de energia e massa.
Os primeiros testes mostram-se promissores. O protótipo perfurou amostras de gelo com cerca de 20 centímetros de comprimento sob vácuo e condições criogênicas durante experimentos de laboratório e em profundidades maiores em testes de campo nos Alpes e árticoatingindo profundidades de mais de um metro na neve. Em testes com 20 watts de potência do laser, o sistema atingiu velocidades de perfuração próximas de 1 metro por hora e até 3 metros por hora em gelo solto ou empoeirado.
Um conceito baseado em laser não é isento de limitações. Em pedras ou camadas de poeira nas quais não haja gelo que possa ser vaporizado, o processo de perfuração seria interrompido. E, nesses casos, um novo furo teria de ser perfurado na superfície que contorna o obstáculo.
“Portanto, é importante operar a broca laser em conjunto com outros instrumentos de medição”, disse Koßagk ao Space.com. “Os instrumentos de radar poderiam observar o gelo e localizar obstáculos maiores, que a broca a laser poderia então perfurar.”
Fendas cheias de água também representariam um desafio. Quando alguém é perfurado, a broca a laser teria que bombear a água à medida que ela flui antes de poder continuar a perfurar mais profundamente. Contudo, a perfuração nestas áreas poderia ajudar a identificar a química de habitats potenciais para espécies passadas ou presentes. vida microbiana. Se alguma vez existissem bactérias, os seus restos poderiam ser detectáveis nas amostras recolhidas de um poço perfurado a laser.
Para tornar possível esse tipo de broca a laser, os próximos passos seriam miniaturizar o sistema, desenvolver uma unidade de separação de poeira e realizar testes de qualificação espacial. Uma versão compacta de carga útil poderia um dia viajar a bordo de um módulo de pouso até um lua geladaaproximando os cientistas da decodificação dos segredos congelados sob superfícies alienígenas, disse Koßagk.
Enquanto isso, de volta Terraa mesma ferramenta pode até ajudar a prever avalanches. Testes de campo em cooperação com o Centro Austríaco de Pesquisa para Florestas e o Departamento de Riscos Naturais nos Alpes e no Ártico mostraram que a broca a laser pode medir a densidade da neve sem cavar um buraco – e, montada em um drone, pode coletar dados de encostas perigosas onde os humanos não podem ir com segurança, disse Koßagk.
Seja na Terra ou no espaço profundo, o objetivo é o mesmo: olhar abaixo da superfície e compreender o que está escondido no gelo.
As descobertas iniciais da equipe foram publicado em 8 de setembro na revista Acta Astronautica.
