Laser impulsiona aerogel de grafeno em microgravidade

Investigadores indicam que um laser consegue impulsionar pequenos blocos de espuma de grafeno em ausência de peso, com uma força que quase desaparece sob a gravidade terrestre.

Esta descoberta transforma uma curiosidade de laboratório numa forma potencialmente viável de deslocar e orientar naves espaciais sem transportar propelente.

No interior da câmara

No interior de um tubo de vácuo, durante breves intervalos de ausência de peso, pequenos cubos de aerogel de grafeno avançaram subitamente assim que foram atingidos pela luz laser.

Ao acompanhar esse movimento, investigadores da Universidade Khalifa registaram a resposta mais intensa do material apenas quando a gravidade deixou de o manter pressionado no lugar.

Em gravidade normal, os mesmos cubos exibiram apenas uma versão muito mais fraca desse movimento, pelo que o resultado obtido no voo foi muito mais do que uma simples curiosidade visual.

Esta diferença acentuada demonstra claramente o fenómeno, mas mantém em aberto uma questão mais ampla: o que permite, exactamente, que a luz exerça um impulso tão superior em condições próximas da ausência de peso?

Porque é que a gravidade foi determinante

Em cada arco parabólico, a aeronave proporcionou cerca de 20 segundos de microgravidade, um estado quase sem peso criado durante a queda livre.

A gravidade não desapareceu, mas o avião e a carga experimental caíram em conjunto, retirando às amostras a pressão que as mantinha fixas.

Nesse intervalo, uma amostra percorreu quase 5 centímetros em 0,05 segundo e atingiu aproximadamente 1,7 metros por segundo.

No solo, o mesmo material alcançou somente cerca de 1,5 centímetros e 0,06 metros por segundo, mostrando que a gravidade reduzia o impulso.

Regular o impulso

A intensidade do laser alterou o resultado, demonstrando que o movimento não era uma vibração aleatória no interior da aeronave.

Uma luz mais intensa gerou aumentos maiores de velocidade e distância, sendo que o impulso máximo surgiu nos primeiros 30 milissegundos.

Este grau de controlo é útil no espaço, pois um sistema de propulsão que responde à intensidade luminosa pode ser orientado com precisão.

Escolher o melhor desenho

Nem todos os aerogéis de grafeno, espumas sólidas formadas por folhas de grafeno, converteram a luz em movimento da mesma forma.

A versão mais leve ficou para trás, a mais densa percorreu a maior distância e o desenho intermédio produziu o pico de impulso mais acentuado.

Essa amostra intermédia terá provavelmente encontrado o melhor equilíbrio entre o tamanho dos poros e o fluxo de calor, permitindo que o gás aquecido atravesse o material de forma eficiente.

O desempenho dependia da arquitectura, e não apenas de tornar o material o mais leve possível, um aviso útil para os engenheiros.

O calor transforma-se em força

A explicação principal começa pelo aquecimento desigual, pois o laser aquece a face frontal mais depressa do que a traseira.

As moléculas de gás mais quentes atingem um dos lados com maior força, criando uma força fotoforética - um impulso provocado por diferenças de temperatura num gás rarefeito.

Ao mesmo tempo, o calor que se propaga pelos poros impulsiona o gás através da rede, somando-se ambos os efeitos.

Esta interpretação é compatível com uma pista importante do voo: o impulso aumentou de imediato e desapareceu quando as amostras embateram na parede do tubo.

Do laboratório ao ensaio de voo

O impulso de grafeno através da luz não começou neste voo, uma vez que equipas anteriores já tinham conseguido mover grafeno em massa sob iluminação.

Um artigo de 2015 relatou propulsão directa por luz em grafeno em massa, mostrando que o efeito era real muito antes deste teste aéreo.

Essas amostras anteriores confirmaram a ideia, mas não revelaram até que ponto a própria gravidade suprimia o movimento.

O novo voo preenche essa lacuna, convertendo um efeito de laboratório em algo que os engenheiros podem medir para missões reais.

Grafeno em velas espaciais

Outro estudo, de 2020, impulsionou velas de grafeno sobre grelha em microgravidade, apontando para velas luminosas ultraleves destinadas ao voo espacial.

Essas membranas destacavam a pressão directa da luz, ao passo que os novos aerogéis parecem beneficiar adicionalmente do gás aquecido.

A distinção é relevante, porque uma vela em órbita necessita de impulso eficiente, enquanto os testes laboratoriais também exigem forças suficientemente grandes para serem medidas.

O grafeno assume agora ambas as funções: candidato a futuras velas e material capaz de revelar como a luz se converte em movimento.

Movimento espacial sem combustível

As naves espaciais pagam um preço elevado por cada grama de propelente, pelo que qualquer impulso útil obtido apenas com luz capta de imediato a atenção dos engenheiros.

“Estamos a abrir caminho para um futuro de propulsão sem propelente”, afirmou Ugo Lafont, engenheiro de física e química de materiais da Agência Espacial Europeia.

As velas solares poderiam corrigir a sua orientação, e os pequenos satélites poderiam ajustar a atitude - a direcção para a qual uma nave espacial aponta no espaço - sem combustível.

Se futuros equipamentos conseguirem reproduzir estes resultados fora do laboratório, a recompensa seria mais espaço para instrumentos e missões mais longas.

O que continua por saber

Ainda ninguém construiu um motor pronto para voo a partir desta tecnologia, e a experiência durou apenas fracções de segundo.

Os cubos deslocaram-se dentro de tubos de vidro numa câmara de baixa pressão, e os impactos nas paredes interromperam os ensaios mais limpos.

Antes de se saber como o material se comporta no espaço, os investigadores ainda precisam de testes mais longos, vácuo mais profundo e movimento menos condicionado.

Mesmo assim, o resultado reduz as incógnitas, porque mostra onde a física parece mais forte e onde a engenharia terá de evoluir.

O futuro da propulsão por luz

Neste caso, luz, desenho do material e ausência de peso combinaram-se para transformar espuma de carbono numa fonte de movimento rápida e controlável.

Se os testes seguintes conseguirem converter esse impulso em manobras fiáveis, as futuras naves espaciais poderão transportar menos combustível e, ainda assim, mover-se com precisão.