Raios X mostram como escudos de calor de naves espaciais se desfazem por dentro durante a reentrada

Imagens em 3D combinadas com inteligência artificial revelam diferenças entre materiais usados para proteger missões da NASA.

Durante a reentrada na atmosfera, uma nave espacial atravessa o ar em velocidade hipersônica e submete seu escudo térmico a temperaturas que podem superar 3.000 graus Fahrenheit. Para proteger a tripulação, o material externo não permanece intacto: ele se aquece, se decompõe e é consumido de maneira controlada. Agora, pesquisadores conseguiram acompanhar esse processo por dentro, em três dimensões e em tempo real, usando raios X e modelos de inteligência artificial.

O trabalho foi realizado no Advanced Light Source, uma instalação de pesquisa do Lawrence Berkeley National Laboratory, nos Estados Unidos, em colaboração com cientistas da University of Illinois Urbana-Champaign e da NASA. A técnica foi aplicada a dois materiais conhecidos como superlight ablators, usados em diferentes partes traseiras de espaçonaves.

O escudo se sacrifica para preservar a nave

A chamada ablação é uma estratégia de proteção. Em vez de tentar impedir que todo o calor atravesse o escudo, o sistema usa um material que se degrada na superfície e absorve parte da energia durante esse processo. As camadas externas desaparecem gradualmente, enquanto a estrutura interna e os ocupantes permanecem protegidos.

O desafio para os engenheiros estava em saber exatamente como essa transformação ocorre no interior do material. Antes, muitos modelos dependiam da comparação entre amostras observadas antes e depois dos testes. Esse método mostrava o estado inicial e o resultado final, mas deixava uma lacuna no meio: a sequência microscópica de mudanças que determina o desempenho do escudo.

Segundo o Lawrence Berkeley National Laboratory, pesquisadores observaram a degradação interna de materiais de proteção térmica em experimentos realizados no Advanced Light Source, na Califórnia. O resultado oferece dados para comparar as previsões dos modelos computacionais com o comportamento real dos materiais.

Tomografia acompanhou mudanças em escala microscópica

Para reproduzir condições próximas às de uma reentrada, a equipe utilizou um ambiente experimental acoplado a um instrumento de microtomografia computadorizada por raios X. O sistema permite controlar separadamente temperatura, pressão e composição dos gases, enquanto registra imagens sucessivas da amostra.

Os experimentos levaram os materiais a 1.652 graus Fahrenheit, faixa em que eles começam a se decompor. Em vez de produzir apenas uma imagem antes e outra depois do aquecimento, os cientistas fizeram registros em diferentes momentos. Assim, puderam acompanhar a decomposição química em múltiplas fases, além da evolução da porosidade, ou seja, dos espaços que surgem dentro do material.

Foram analisados os ablatores comerciais SLA-220 e SLA-561V. Embora os dois sejam usados em escudos traseiros de espaçonaves, suas composições são diferentes. Essa diferença permitiu comparar duas maneiras de responder ao mesmo tipo de estresse térmico.

Dois materiais, duas redes internas

O SLA-561V contém cortiça como elemento estrutural. É o mesmo material natural empregado em rolhas, mas incorporado aqui a uma composição desenvolvida para aplicações aeroespaciais. Quando aquecida, a cortiça se decompõe e deixa cavidades abertas distribuídas dentro do escudo.

Já o SLA-220 não possui esse preenchimento orgânico. Sua matriz, semelhante à borracha e baseada em silicone, reage ao calor formando uma rede densa de canais interligados. A diferença não é apenas visual. Bolsas isoladas e canais conectados influenciam de maneiras distintas o deslocamento de calor e de gases durante a ablação.

Essa arquitetura interna ajuda a explicar por que materiais expostos às mesmas condições podem apresentar desempenhos diferentes. A formação de poros e caminhos para gases interfere na maneira como a energia atravessa a proteção, um fator que precisa ser representado corretamente nos cálculos de projeto.

Como a inteligência artificial completou as imagens

A equipe enfrentou um problema comum em experimentos de alta resolução: quanto mais detalhes uma imagem registra, mais tempo é necessário para produzi-la. Porém, durante o aquecimento, a estrutura muda rapidamente. Uma varredura muito lenta poderia perder justamente as etapas mais importantes.

Para resolver esse equilíbrio, os pesquisadores combinaram imagens amplas, obtidas rapidamente e com menor resolução, com registros mais nítidos de amostras antes e depois do aquecimento. Em seguida, treinaram um modelo baseado em redes generativas adversariais, um tipo de inteligência artificial capaz de aprimorar imagens a partir de padrões aprendidos.

O sistema foi usado para aumentar a resolução da sequência produzida durante o experimento. O procedimento não substituiu as medições de raios X, mas ajudou a transformar os registros rápidos em uma representação mais detalhada da evolução do material. Com isso, os cientistas puderam visualizar fibras, matriz e regiões preenchidas ou esvaziadas ao longo do aquecimento.

O que muda para as missões Artemis

Os dados são especialmente relevantes porque os escudos térmicos das missões Artemis já motivaram análises adicionais. Depois da primeira missão Artemis, a NASA examinou materiais dos escudos para entender melhor como sua estrutura interna evolui, pois o desempenho observado não coincidiu completamente com o previsto pelos métodos computacionais.

A nova abordagem não representa uma solução imediata para todos os riscos de uma reentrada. O experimento reproduz condições térmicas e gasosas em escala de laboratório, e os modelos ainda precisam relacionar esses resultados ao comportamento de um escudo completo, submetido ao voo, à pressão e ao fluxo extremo da atmosfera.

O avanço está em fornecer medições diretas para essa etapa. Em vez de inferir toda a transformação a partir do estado inicial e final, os engenheiros passam a contar com uma sequência de alterações microscópicas. Esses dados podem reduzir incertezas, melhorar a previsão do desempenho e apoiar o planejamento de missões tripuladas e de futuras entradas em Marte.

Por que o resultado também interessa à Amazônia

O estudo não trata de um experimento realizado na Amazônia nem de uma missão lançada a partir da região. A conexão para os leitores dos estados amazônicos é indireta, mas importante: pesquisas desse tipo mostram como instalações de luz síncrotron, computação e ciência de materiais trabalham juntas para resolver problemas que envolvem segurança humana em ambientes extremos.

Essa combinação também ajuda a explicar o valor de técnicas capazes de acompanhar transformações internas sem destruir a amostra a cada etapa. O mesmo princípio de observar materiais sob calor, pressão ou gases controlados pode orientar estudos de cerâmicas, compósitos, minerais e outros materiais de interesse para a indústria e para universidades brasileiras, embora o trabalho divulgado tenha como foco exclusivo os escudos espaciais.

A pesquisa foi apoiada por programas de tecnologia espacial da NASA. O Advanced Light Source é uma instalação de usuários do Departamento de Energia dos Estados Unidos, aberta a projetos científicos de diferentes instituições. A colaboração de longo prazo já aplicou a técnica a diversos materiais ablativos ligados a missões da NASA, inclusive aqueles relacionados à Artemis e à entrada em Marte. Os próximos passos são incorporar as novas medições aos modelos usados no desenvolvimento e na avaliação de sistemas de proteção térmica.

Com informações de Lawrence Berkeley National Laboratory.

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