Uma nova maneira de planejar as trajetórias para os asteróides

Modelo da NASA de NEOs conhecidos e suas trajetórias. Crédito - NASA/JPL-Caltech Existem dezenas de milhares de objetos próximos à Terra (NEOS) que representam alguns dos recursos mais facilmente acessíveis no sistema solar. Se conseguirmos chegar até eles, pelo menos. Planejar trajetórias para se encontrar com esses mundos em miniatura é notoriamente difícil, e requer uma enorme quantidade de poder computacional para calcular. Mas um novo artigo do astrodinâmico Alessandro Beolchi da Universidade de Ciência e Tecnologia de Khalifa e seus co-autores oferece uma maneira muito menos computacionalmente intensiva de encontrar essas trajetórias, e tem o bônus adicional de encontrar os caminhos muito menos intensivos em energia para iniciar. Ao plotar trajetórias orbitais, os engenheiros da NASA usaram uma técnica chamada "Patched-Conics". Este sistema depende fortemente do Problema de Dois Corpos, um modelo matemático que essencialmente apenas olha para o Sol e para a nave espacial, ignorando a influência gravitacional de todos os outros corpos no sistema solar. Ele também assume que as mudanças de velocidade da nave espacial serão fornecidas em breve, poderosas explosões por foguetes químicos. Para a maior parte da história da exploração espacial, isso já foi suficiente. E embora esses modelos nem sempre tenham fornecido a rota mais eficiente para ir do ponto A para o ponto B, ele certamente conseguiu a espaçonave lá rapidamente. Mas os tempos estão mudando, e a eficiência está se tornando cada vez mais importante ao planejar essas rotas. Já não usamos exclusivamente foguetes químicos. Nem é necessário simplesmente ignorar todas as outras influências gravitacionais - especialmente a Terra. Assim, o modelo do pesquisador adota uma abordagem mais nuanceada de seus modelos astrodinâmicos e encontra algumas melhorias significativas em fazê-lo. Fraser discute a possibilidade de mineração de asteróides. Primeiro, eles misturaram dois modelos diferentes da física do voo espacial. Enquanto estão perto da Terra, usam um modelo conhecido como Problema de Três Corpos Restritos Circulares (CR3BP). Este modelo tem a vantagem de introduzir o rebocador de guerra entre a Terra e o Sol, especificamente os pontos de estabilidade orbital de Lagrange que são introduzidos por esse rebocador de guerra. A espaçonave pode efetivamente “estacionar” nestes pontos no espaço interplanetário, permitindo-lhe esperar um asteroide passando quando ele se aproxima. Cada um destes pontos de Lagrange também tem um “multiplicador invariante” - essencialmente uma estrada invisível que permitiria que uma nave espacial se afastasse da Terra sem quase nenhuma despesa de combustível. Eventualmente, uma vez que eles se afastam o suficiente da Terra, o papel muda modelos para o problema mais tradicional de dois corpos do Sol e da nave espacial, eliminando a influência gravitacional de nosso planeta natal inteiramente. A viagem de entrada (i.e. do asteroide ou cometa de volta para a Terra) é calculado completamente separadamente da viagem de saída, com alguns pontos básicos juntos no próprio NEO. Isto é computacionalmente muito mais eficaz. Mas há outra mudança que os novos modelos fazem. As modernas tecnologias de propulsão de espaço profundo, como a Solar Electric Propulsion (SEP), não têm o mesmo impacto de curta duração e alta força de foguetes químicos. Sua técnica propulsiva é mais como a tartaruga do que a lebre - eles podem ter apenas a face equivalente de um pedaço de papel descansando em sua mão, mas aplicada continuamente ao longo de meses ou mesmo anos que podem resultar em uma grande mudança de velocidade. Fraser discute a utilidade dos pontos de Lagrange. Os pesquisadores modificaram o código que fatorou em mudanças de velocidade como quase instantâneas (i.e. como eles estariam com foguetes químicos) para torná-lo mais aceita de tecnologias de queima lenta como SEP. Uma vez que eles tiveram o modelo finalizado, eles começaram a executar simulações em asteróides reais - 80 deles para ser exato. Cada um tinha órbitas relativamente planas, de baixa eccentricidade, mas os resultados das simulações foram surpreendentes - mais de 2 milhões de trajetórias de ida e volta viáveis. Dois estudos de caso específicos se destacaram para os pesquisadores. Asteróide 1991 VG era temporariamente uma “mini lua” da Terra, e os pesquisadores encontraram uma transferência distinta “porta alternativa” onde uma sonda robótica poderia deixar a Terra ao longo de um caminho orbital para o ponto L1 Lagrange, visitar o asteróide, e depois voltar para casa através de L2 no lado oposto do planeta. Outro estudo de caso foi Apophis, que tem uma órbita notoriamente excêntrica e inclinada. De acordo com os pesquisadores, o algoritmo lidou com o desenvolvimento de uma trajetória para este objeto próximo maravilhosamente. Comparando os resultados globais de suas trajetórias modeladas com as trajetórias padrão da NASA na base de dados Human Space Flight Accessible Targets Study (NHATS), houve benefícios claros usando a nova metodologia. O “delta-v” foi semelhante entre os dois sistemas, mas a nova metodologia reduziu drasticamente a energia de escape de lançamento necessária. Por outras palavras, tornou as missões muito mais baratas. Melhor ainda, as trajetórias de regresso à Terra foram muito mais lentas, permitindo que a nave atingisse a atmosfera da Terra em velocidades mais seguras, e, portanto, requerendo menos blindagem térmica. As we start to explore more and more nearby mini-worlds, these astrodynamical models might play an increasing role in determining the missions architecture when we do so. Se isso significa um custo mais baixo e maior taxa de sobrevivência, isso soa como uma situação de ganho-ganha para esta nova e atualizada maneira de fazer as coisas. Saiba mais: A. Beolchi et al. - Trajetórias de baixa energia para objetos próximos da Terra usando Low Thrust UT - Os propulsores de jato do Plasma podem iniciar a viagem interplanetária? UT - Se queremos visitar mais asteróides, precisamos deixar a nave espacial pensar por si mesma UT - aprendendo como parar os asteróides perigosos Andy Tomaswick Andy tem sido interessado em exploração espacial desde a leitura Pale Blue Dot no ensino médio. Um engenheiro que treina, gosta de se concentrar nos desafios práticos da exploração espacial, quer seja livrar-se de percloratos em Marte ou fazer espelhos ultra-suaves para capturar dados cada vez mais claros. Quando não escreve ou não faz engenharia, encontra - se entretendo seus quatro filhos, seis gatos e dois cães, ou correndo em círculos para se manter em forma.