Os testes de dose de radiação a longo prazo na Instalação de Efeitos de Radiação ocorrem em uma pequena sala com quatro pés de concreto. Cada parte de cada instrumento da NASA destinado a voos espaciais passa por testes de radiação para garantir que possa sobreviver no espaço. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA / Genna Duberstein
Numa sala pequena e quadrada, cercada por um metro e noventa de concreto, o ar cheira como se uma tempestade de raios tivesse acabado de passar - nítida e acre, como suprimentos de limpeza. Lá fora, esse é o cheiro de relâmpagos que destroem o oxigênio no ar, que prontamente se reorganiza no ozônio. Mas abaixo do solo em um dos quartos da Instalação de Efeitos de Radiação da NASA, o cheiro do ozônio permanece após testes de radiação de alta energia. A radiação que os engenheiros usam para testar os eletrônicos em voos espaciais é tão poderosa que destrói o oxigênio da sala.
Cada parte de cada instrumento da NASA destinado a voos espaciais passa por testes de radiação para garantir que possa sobreviver no espaço. Não é fácil ser uma nave espacial; partículas invisíveis, energéticas, zipam pelo espaço - e, embora haja tão poucas que o espaço seja considerado um vácuo, o que está lá embala um soco. Pequenas partículas podem causar estragos com os eletrônicos que enviamos para o espaço.
Enquanto a NASA explora o sistema solar, o teste de radiação torna-se cada vez mais crucial. A Instalação de Efeitos de Radiação, instalada no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, ajuda a inspecionar o hardware que permite a exploração da Lua pela NASA, o Sol e nosso sistema solar - de missões que buscam entender os primórdios do universo para o programa Artemis. jornada para a lua muito mais perto de casa.
"Seremos capazes de garantir que seres humanos, eletrônicos, naves espaciais e instrumentos - tudo o que estamos realmente enviando para o espaço - sobreviverão no ambiente em que estamos inseridos", disse Megan Casey, engenheira aeroespacial do Grupo de Análise e Efeitos de Radiação. em Goddard.
As condições exatas que uma nave espacial encontra dependem de onde ela está indo, então os engenheiros testam e selecionam cuidadosamente as peças fornecidas para o destino de cada espaçonave. O campo magnético da Terra, por exemplo, prende enxames de partículas em duas bandas em forma de rosquinha, chamadas de cinturões de radiação. Outros planetas também têm cinturões de radiação, como Júpiter, cujos cinturões são 10.000 vezes mais fortes que os da Terra. Geralmente, quanto mais próximo do Sol, mais dura é a lavagem de partículas solares conhecidas como o vento solar. E os raios cósmicos galácticos - fragmentos de partículas de estrelas explodidas longe do sistema solar - podem ser encontrados em qualquer lugar.
O tempo também é um fator. O Sol passa por ciclos naturais de 11 anos, oscilando de períodos de alta a baixa atividade. Na relativa calma do mínimo solar, os raios cósmicos infiltram-se facilmente no campo magnético do Sol, fluindo para o sistema solar . Por outro lado, durante o máximo solar, freqüentes erupções solares inundam o espaço com partículas de alta energia.
"Com base em onde eles estão indo, nós dizemos aos projetistas da missão como será o ambiente espacial deles , e eles voltam para nós com seus planos de instrumentos e perguntam:" Essas partes vão sobreviver lá? "", Disse Casey. "A resposta é sempre sim, não, ou não sei. Se não sabemos, é quando fazemos testes adicionais. Essa é a grande maioria do nosso trabalho."
O centro de radiação de Goddard - juntamente com instalações parceiras em todo o país - está equipado para imitar a gama de radiação do espaço, desde a constante irritação do vento solar até os cintilantes cinturões de radiação e golpes brutais de erupções solares e raios cósmicos.
Os cinturões de radiação da Terra estão cheios de partículas energéticas aprisionadas pelo campo magnético da Terra que pode causar estragos com os eletrônicos que enviamos ao espaço. Crédito: Estúdio de Visualização Científica da NASA / Tom Bridgman
Os efeitos da radiação espacial
Os engenheiros usam modelos de computador para determinar como será o destino de uma espaçonave - quanto de radiação ela encontrará lá - e que tipos de testes eles precisam para espelhar esse ambiente no laboratório.
A radiação é energia na forma de ondas ou pequenas partículas subatômicas. Para espaçonaves, a principal preocupação é a radiação de partículas. Essa radiação, que inclui prótons e elétrons, pode afetar sua eletrônica de duas maneiras.
O primeiro tipo, conhecido como efeitos de evento único, são ameaças imediatas - rápidas explosões de energia quando uma partícula solar ou um raio cósmico atravessa um circuito. "Partículas altamente energéticas descarregam energia em seus componentes eletrônicos", disse Clive Dyer, engenheiro elétrico do Centro Espacial da Universidade de Surrey, na Inglaterra. "Efeitos de eventos únicos vão bagunçar seus computadores, misturando seus dados - em código binário - de 1 a 0".
Muitas naves espaciais estão equipadas para se recuperar dessas escaramuças com partículas. Mas algumas greves podem atrapalhar os programas que as espaçonaves executam, afetando os sistemas de comunicação ou navegação e causando falhas no computador. Na pior das hipóteses, o resultado pode ser catastrófico. Anos atrás, os laptops dos astronautas no ônibus espacial caíram enquanto passavam por partes particularmente cabeludas dos cinturões de radiação, e o Telescópio Espacial Hubble da NASA desligou preventivamente seus instrumentos de ciência quando passou pela região.
E depois, há efeitos que pioram com o tempo. Partículas carregadas podem se acumular na superfície de uma espaçonave e acumular uma carga em questão de horas. Assim como atravessar uma sala acarpetada e girar uma maçaneta de metal, o carregamento aciona estática que pode danificar a eletrônica, os sensores e os painéis solares. Em abril de 2010, o carregamento desativou os sistemas de comunicação do satélite Galaxy 15, deixando-o à deriva por oito meses.
As naves espaciais devem resistir à radiação durante toda a vida. A radiação de longo prazo - conhecida como dose total - reduz o material, reduzindo gradualmente o desempenho do instrumento quanto mais tempo ele estiver em órbita. Mesmo a radiação relativamente leve pode degradar painéis solares e circuitos.
Escondidos em uma sala adjacente a uma distância segura da radiação, os engenheiros da instalação de testes atiram os componentes do instrumento com uma mistura de partículas energéticas, em busca de sinais de fraqueza.
Um acelerador de partículas na Instalação de Efeitos de Radiação arremessa partículas de alta energia em instrumentos, imitando o vento solar ou os raios cósmicos galácticos. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA / Genna Duberstein
Geralmente, os efeitos de seus testes não são visíveis. Um salto na temperatura ou corrente elétrica pode indicar que uma única partícula atingiu um circuito. Por outro lado, durante os testes de dose total, os engenheiros observam a lenta e graciosa degradação, um efeito colateral das viagens espaciais com que a maioria das missões pode viver, já que elas têm tempo suficiente para completar suas metas científicas.
"O pior caso é um efeito destrutivo de evento único, quando você vê uma falha catastrófica porque um instrumento está em curto", disse Casey. "São más notícias para a missão, mas essas são as mais divertidas para nós testarmos. Às vezes há muita energia, você realmente vê algo acontecer - luz ou uma marca de queimadura em alguns casos".
Resistindo à Tempestade de Radiação
Então, como os engenheiros protegem as espaçonaves dos constantes perigos da radiação espacial? Uma tática é construir partes que são endurecidas contra a radiação desde suas próprias fundações. Engenheiros podem selecionar certos materiais que são menos suscetíveis a ataques de partículas ou cargas.
Os projetistas de espaçonaves confiam na blindagem para defender seus instrumentos dos efeitos de longo prazo. O alumínio ou titânio em camadas reduz a velocidade das partículas energéticas , impedindo que elas atinjam componentes eletrônicos sensíveis. "Agora, nós assumimos que todas as missões terão uma espessura de proteção - quão espessa as paredes da espaçonave ou instrumento são - de cerca de um décimo de polegada", disse Casey.
Após os testes, os engenheiros fazem recomendações específicas para blindagem se o ambiente exigir. Blindagem adiciona volume e peso, o que aumenta as necessidades de combustível ou custos, por isso os engenheiros sempre preferem usar o mínimo possível. "Se pudermos melhorar nossos modelos e refinar mais intensamente como é o ambiente de radiação, talvez possamos diminuir essas paredes", disse ela.
Reunir observações de diversos ambientes espaciais é um passo fundamental na melhoria de modelos. "Refinar nossos modelos de radiação espacial nos ajuda a fazer uma seleção melhor de dispositivos", disse Michael Xapsos, membro da Equipe de Cientistas do Projeto para a missão Space Environment Testbeds da NASA, que se dedica a estudar os efeitos da radiação no hardware. "Com mais dados, os engenheiros podem fazer melhores negociações entre risco, custo e desempenho nos dispositivos eletrônicos que escolhem."
As partículas mais energéticas são impossíveis de evitar, mesmo com proteção pesada. Depois de testar os efeitos de um evento único, os engenheiros calculam uma previsão de quantas vezes esse golpe pode ocorrer. Pode ser, por exemplo, que uma espaçonave tenha uma chance de um ataque de partículas uma vez a cada 1.000 dias. Estes são eventos isolados que são tão prováveis de ocorrer no primeiro dia de um satélite no espaço quanto em seu milésimo dia - e cabe aos projetistas de missão decidir quanto risco eles podem suportar.
Uma estratégia comum contra efeitos de evento único é equipar um instrumento com múltiplos da mesma parte que trabalham juntos simultaneamente. Se um chip de computador for temporariamente desativado por um golpe de partículas, seus equivalentes podem compensar a folga.
Os engenheiros podem planejar e desenvolver essas estratégias de mitigação, mas é melhor quando elas realmente entendem o ambiente espacial pelo qual um satélite está passando. Missões como o Space Environment Testbeds, ou SET - com lançamento previsto para o final de junho - e os esforços de modelagem no Radiation Effects Facility garantem que eles obtenham essa informação.
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