Quando o trio de helicópteros SkyFall da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço dos Estados Unidos (NASA – National Aeronautics and Space Administration) decolar nos céus marcianos, uma de suas tarefas será caçar água congelada, um recurso crítico para futuros astronautas, usando radar de penetração de solo.
Para que esse radar funcione, cada aeronave de asas rotativas carregará uma antena flexível à base de tecido que precisará se estender abaixo delas sem interferir nos pousos ou quebrar no impacto. É um design especializado para a missão, e recentemente passou por uma rodada de testes no Laboratório de Propulsão a Jato da agência no sul da Califórnia.
Embora espaçonaves em órbita possam mapear os depósitos de gelo marcianos espessos dezenas de metros abaixo da superfície, elas são efetivamente cegas para os primeiros metros de regolito, ou rocha quebrada e poeira. Esta zona rasa é o que importará mais para futuros astronautas, que precisarão alcançar e processar facilmente gelo para água, oxigênio e combustível.
“A única maneira de detectar gelo subsuperficial raso remotamente é voar perto do solo,” disse Adrian Tang, cientista líder do instrumento de radar de penetração de solo do SkyFall no Laboratório de Propulsão a Jato (JPL – Jet Propulsion Laboratory). “Voando baixo e lentamente, um helicóptero SkyFall poderia capturar imagens de radar que resolvem o estratificado fino onde o solo seco cede lugar ao gelo, detectando sua presença e mapeando sua extensão.”
Para ver sob a superfície marciana, o radar de penetração de solo do SkyFall usará uma faixa de frequência ultra-ampla, de 500 a 2.500 megahertz, correspondendo a comprimentos de onda de cerca de 24 a 5 polegadas (60 a 12 centímetros). Os comprimentos de onda mais longos podem penetrar vários metros abaixo da superfície. Os comprimentos de onda mais curtos fornecem detalhes mais finos sobre as camadas mais superiores e textura da superfície.
É aqui que entra o design único da antena. Uma antena tradicional operando naquela parte do espectro eletromagnético precisaria ter 19 polegadas (48,3 centímetros) de comprimento e ter uma visão clara do solo, mas o espaço livre mínimo entre a superfície de Marte e a base da fuselagem do helicóptero é de apenas cerca de 6 polegadas (15,2 centímetros). A equipe precisava de uma antena que não interferisse ou fosse danificada pelo pouso.
Após uma busca extensa pela antena certa, a equipe do SkyFall se concentrou na Vivaldi porque ela pode transmitir e receber sinais em uma grande faixa contínua de frequências de rádio, e porque seu perfil plano e leve pode ser facilmente cortado em tecidos metalizados flexíveis. A antena curvilínea foi nomeada por seu inventor, Peter Gibson, que sentiu que suas linhas varridas se assemelhavam a um violino, um instrumento associado ao compositor Antonio Vivaldi.
Embora a pegada padrão da antena Vivaldi fosse eficiente e robusta, ainda era muito grande para funcionar com o espaço livre do solo do SkyFall. Felizmente, o radar de penetração de solo do SkyFall pode ser ainda mais miniaturizado porque é projetado especificamente para levantamento raso (menos de 16 pés, ou 5 metros) no regolito marciano seco, que bloqueia muito menos as ondas de rádio do que o solo da Terra. A equipe desenvolveu técnicas para reduzir ainda mais o tamanho da antena sem sacrificar a sensibilidade.
“Embora tenhamos conseguido encolher bastante a antena, ela tem cerca de uma vez e meia o comprimento das pernas do helicóptero,” disse Christine Gebara, líder mecânica de radar de penetração de solo do SkyFall no JPL. “Isso significa que durante o pouso, a Vivaldi tem que se curvar para sair do caminho. E se pousar em uma rocha, ela se curva ainda mais. Mas quando o helicóptero decola novamente, a antena deve voltar à posição para coleta de dados. Como espera-se que o SkyFall faça dezenas de voos explorando Marte, precisávamos de uma antena que pudesse lidar repetidamente com essas pressões sem perder sua forma em voo.”
Para garantir que sua Vivaldi redimensionada pudesse resistir às operações de voo, a equipe a revestiu em poliéster e depois camadas de Vectran, o mesmo material flexível e super resistente usado para os airbags de pouso dos rovers Spirit e Opportunity de Marte da NASA. Para ajudar a antena a manter a forma enquanto em voo, engenheiros adicionaram fitas de mola de fibra de vidro flexível e uma estrutura de montagem de magnésio leve. Todo o conjunto pesa cerca de 5 onças (150 gramas), um pouco mais do que dois arcos de violino.
Testar conceitos de hardware espacial com designs em papel e modelos matemáticos pode levar uma missão apenas até certo ponto. A equipe precisava provar que seu protótipo de antena poderia sobreviver a um valor completo de missão, com oscilações de temperatura intensas e radiação espacial.
Trabalhando no Laboratório de Teste Ambiental do JPL, engenheiros curvaram a antena para simular uma possível orientação após um voo do SkyFall em Marte. Então eles executaram mudanças térmicas dramáticas para simular o ciclo dia-noite marciano, durante o qual as temperaturas podem variar em até 170 graus Fahrenheit (94 graus Celsius). Em seguida, eles flexionaram repetidamente a antena como se tivesse passado por dezenas de pousos. Ao longo do caminho, eles pausaram seis vezes para levar o hardware para uma câmara de teste eletromagnético para verificar que sua capacidade de transmitir e receber sinais de radar não havia diminuído.
Durante testes de radiofrequência, a equipe inverteu a antena para que a parte inferior apontasse para cima (uma configuração que estressa a estrutura mais do que a gravidade de um terço de Marte jamais faria) e testou o desempenho do sinal. Ao final da campanha de testes, a antena havia resistido a 200 pousos em Marte, mais do que o dobro do que seria necessário para uma missão principal bem-sucedida, sem perda de desempenho.
“Este teste marcou todas as caixas que deveria e respondeu nossas maiores questões técnicas,” disse Tang. “Embora ainda tenhamos trabalho à frente antes que a antena seja totalmente qualificada para voo, este foi um marco importante, e o hardware funcionou exatamente como esperado.”
Com a primeira grande campanha de testes da antena, a equipe de radar de penetração de solo está construindo um modelo de engenharia que suportará testes de vibração, implantação em um ambiente marciano simulado, testes de sinal e testes ao ar livre no Mars Yard (Pátio de Marte) do JPL.
Equipados com quatro instrumentos cada, os três helicópteros SkyFall seguem nos passos do Helicóptero Ingenuity de Marte da NASA, que voou 72 vezes durante quase três anos, provando que voo controlado e motorizado é possível na atmosfera marciana rarefeita. Também demonstrou como uma perspectiva aérea pode gerar dados valiosos ajudando a equipe do rover Perseverance de Marte da NASA a planejar rotas que economizem tempo e escolher locais para coleta de dados científicos.
Espera-se que o SkyFall seja lançado a bordo do Space Reactor-1 Freedom (Reator Espacial-1 Liberdade) da NASA no final de 2028.
Informações da NASA
