Por que precisamos de experimentos ativos no espaço (Op-Ed)

diagrama de experimento connex

Um diagrama da missão CONNEX proposta, que geraria exibições aurorais artificiais para ajudar os pesquisadores a entender melhor o ambiente espacial próximo à Terra. (Crédito da imagem: NASA Goddard Space Flight Center / Conceptual Image Lab)





Gian Luca Delzanno é um físico de plasma na divisão Teórica do Laboratório Nacional de Los Alamos. Ele é co-autor do artigo ' Avaliando o futuro dos experimentos baseados no espaço , 'Eos, 99, 18 de junho de 2018. A equipe CONNEX inclui membros de Los Alamos, Goddard Space Flight Center da NASA, Space Science Institute, Planetary Science Institute, SRI International, SLAC, University of Michigan, University of New Hampshire, University of Colorado -Boulder, Laboratório de Física de Plasma de Princeton, Universidade de Iowa e Universidade de Calgary. Delzanno contribuiu com este artigo para Expert Voices: Op-Ed & Insights da guesswhozoo.com.

Cinquenta e seis anos atrás, um dispositivo nuclear chamado Starfish Prime foi detonado 250 milhas (400 quilômetros) acima da Terra. Com um rendimento de aproximadamente 1,4 megatons, a explosão liberou enormes quantidades de detritos da fissão energética para o espaço. Um dos resultados foi a criação de um cinturão de radiação artificial, muito mais intenso do que o típico dos cinturões naturais de Van Allen, que durou anos.

A radiação não é apenas perigosa para os humanos, mas também para a nossa infraestrutura espacial. Poucos meses após o teste, sete satélites em órbita pararam de funcionar, incluindo um grande satélite de comunicações, Telstar 1, lançado um dia após a detonação do Starfish Prime. Os níveis de radiação acima do esperado atingindo os painéis solares e os componentes eletrônicos dos satélites eram os culpados. [Explicação da ameaça de radiação espacial aos astronautas (infográfico)]



Testes nucleares de alta altitude como o Starfish foram os primeiros experimentos ativos no espaço - isto é, experimentos que perturbam deliberadamente o ambiente espacial. Apesar da destruição, os testes nucleares ajudaram os cientistas a aprender muito sobre o ambiente próximo à Terra, que antes era um mistério. Felizmente, as armas nucleares não são mais testadas no espaço, graças a tratados internacionais. Mas também vimos um declínio acentuado nos últimos anos no número de outros experimentos baseados no espaço ativos, dificultando nossa compreensão da dinâmica do ambiente próximo à Terra e limitando nossa capacidade de proteger nossos satélites e astronautas da exposição à alta radiação .

Por que estudar o espaço?

Como o espaço não tem atmosfera para filtrar a radiação, qualquer coisa em órbita corre maior risco. A cada ano, o governo e empresas privadas gastam milhões de dólares para endurecer espaçonaves para mitigar sua vulnerabilidade ao ambiente hostil, como o dos cinturões de Van Allen, especialmente durante épocas de atividade geomagnética intensificada decorrente de o sol . Isso torna a espaçonave mais pesada, diminuindo sua funcionalidade. Mais peso também requer mais combustível para o lançamento e, conseqüentemente, aumenta os custos. Se pudermos entender melhor o ambiente em que essas espaçonaves orbitam e melhorar nossa capacidade de prever condições prejudiciais, poderemos encontrar maneiras melhores e mais econômicas de protegê-las.

Experimentos ativos baseados no espaço começaram no início da era espacial, quando pouco se sabia sobre o ambiente próximo à Terra, e focavam em aspectos muito fundamentais do ambiente espacial e sua interação com espaçonaves. Ao longo de várias décadas, experimentos baseados no espaço ativo olharam não apenas para explosões nucleares, mas também para feixes de partículas carregadas, aquecedores, liberações químicas, despejos de água, plumas de plasma, amarras, antenas e vieses de voltagem - todos resultando em uma melhor compreensão de plasma e física espacial. Desde então, os experimentos ativos baseados no espaço se tornaram menos populares por vários motivos.



Em primeiro lugar, experimentos anteriores coletaram a maioria dos dados mais facilmente obtidos - portanto, os frutos mais fáceis de alcançar já foram colhidos. A coleta de dados adicionais significativos requer experimentos mais sofisticados. Além disso, os experimentos espaciais se tornaram vítimas de seu próprio sucesso (e do da física espacial em geral): quanto mais os cientistas espaciais aprendiam sobre o ambiente espacial, menos precisavam de exploração com experimentos ativos.

Além disso, nos primeiros dias da era espacial, impulsionado principalmente por descobertas, o voo espacial era menos burocrático. Havia menos regulamentações e mais disposição para correr riscos. Na cultura atual de aversão ao risco, onde as espaçonaves desempenham um papel essencial para a nossa economia e segurança nacional, o limite para a confiabilidade da espaçonave - e, portanto, o custo - é mais alto. Além disso, os pesquisadores espaciais naqueles primeiros dias não eram tão pró-ativos quanto poderiam ser na divulgação de suas realizações - resultando em menos interesse e, conseqüentemente, menos financiamento. [Questionário de satélite: quão bem você sabe o que está orbitando a Terra? ]

Mas a necessidade de mais experimentos ativos baseados no espaço não diminuiu. Na verdade, exatamente o oposto. Em 1968, os Estados Unidos lançou um total de 61 cargas úteis . Em 2017, esse número era 255. Somando-se a essas cargas úteis sendo lançadas por países como Rússia, China, Índia e outros, bem como o setor privado, fica claro que compreender melhor o ambiente espacial - e seu impacto potencial em nosso espaçonaves, tripuladas e não tripuladas - é cada vez mais importante.



Possibilidades futuras

Temos motivos para ser otimistas. Os diagnósticos (a chave para qualquer experimento) melhoraram tremendamente ao longo dos anos, tornando nossos recursos de coleta de dados muito melhores. Além disso, várias novas tecnologias estão atingindo a maturação, abrindo uma série de oportunidades para novas explorações. A realização de experimentos ativos baseados no espaço com essas tecnologias aprimoradas nos permitirá sondar mais profundamente e expandir nossa compreensão além dos dados que coletamos antes.

Um desses experimentos que estamos desenvolvendo é chamado CONNEX, abreviação de 'CONNection EXplorer'. O objetivo do CONNEX é conectar fenômenos que acontecem no ambiente espacial longe da Terra (em a magnetosfera ) com aqueles que acontecem perto dele (na ionosfera), particularmente durante os tempos geomagneticamente ativos, onde o ambiente do espaço próximo à Terra é muito perturbado.

Um técnico soviético trabalha no Sputnik 1 antes do satélite

Atualmente, não podemos estabelecer conexões precisas da magnetosfera-ionosfera, o que está impedindo a pesquisa da magnetosfera. Por exemplo, sabemos que a aurora boreal é criada quando partículas carregadas atingem átomos na ionosfera, fazendo com que os elétrons nos átomos mudem seu estado de energia e liberem luz. No entanto, apesar de décadas de pesquisa, não conhecemos os processos e as condições magnetosféricas que produzem a grande variedade de exibições aurorais. Por sua vez, isso também nos impede de usar a ionosfera auroral como uma 'tela de TV' para assistir à atividade magnetosférica.

Este experimento pode ajudar a responder a essa pergunta. CONNEX é uma pequena constelação de satélites que compreende uma espaçonave 'mãe' e algumas espaçonaves menores de coleta de dados que orbitarão cerca de 31.000 milhas (50.000 km) acima da Terra. A espaçonave mãe está equipada com um acelerador de elétrons que emite um feixe de elétrons relativístico que pode atingir a atmosfera, onde criará uma aurora boreal artificial. Ao fazer isso, instrumentos baseados em terra farão medições desta aurora fabricada e do ambiente ionosférico local, enquanto os pequenos satélites CONNEX farão medições da magnetosfera ao mesmo tempo. Isso nos ajudará a entender melhor como o ambiente espacial se comporta e, de maneira mais geral, como melhor proteger nossa espaçonave de mau funcionamento como resultado de tempestades geomagnéticas e sub-tempestades.

O Laboratório Nacional de Los Alamos vem desenvolvendo esse experimento nos últimos 15 anos - mas ele continuou parando porque a ideia geral e a tecnologia subjacente não estavam maduras o suficiente. Agora é (graças também a importantes investimentos do programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido pelo Laboratório de Los Alamos), e temos certeza de que o CONNEX fornecerá dados críticos sobre o meio ambiente próximo à Terra.

Mas CONNEX é apenas um exemplo de um experimento baseado no espaço ativo que pode fornecer uma visão crucial do ambiente espacial que se tornou cada vez mais vital para a segurança nacional e a economia global. Muitos outros experimentos estão sendo desenvolvidos por instituições de pesquisa em todo o mundo. Devemos aproveitar a oportunidade que a nova tecnologia nos oferece para persegui-los e contribuir para um portfólio saudável de atividades de pesquisa espacial (incluindo experimentos de laboratório baseados na Terra) para aprender como prever o comportamento do ambiente espacial - e como proteger melhor nossa espaçonave.

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