Impressão de artista da Parker Solar Probe da NASA. A sonda vai voar pela coroa do Sol e traçar como a energia e o calor se movem pela atmosfera da estrela.
Crédito: APL/NASA GSFC
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A Parker Solar Probe da NASA deverá descolar este mês de agosto, numa janela de lançamento entre os dias 11 e 23 de agosto. O foguetão Delta IV Heavy vai transportar até ao espaço a nave com o tamanho de um automóvel, com o objetivo de estudar o Sol mais perto do que qualquer outro objeto feito pelo ser humano.
O nosso Sol é muito mais complexo do que aparenta ser. Em vez do disco constante e imutável que parece aos olhos humanos, o Sol é uma estrela dinâmica e magneticamente ativa. A atmosfera do Sol envia constantemente material magnetizado para o exterior, envolvendo o nosso Sistema Solar muito além da órbita de Plutão e influenciando todos os mundos pelo caminho. Bobinas de energia magnética explodem com radiação e luz, que viajam pelo espaço e criam interrupções temporárias na nossa atmosfera, por vezes afetando os sinais de rádio e as comunicações perto da Terra. A influência da atividade solar na Terra e nos outros planetas é coletivamente conhecida como "clima espacial", e a chave para entender as suas origens está na compreensão do próprio Sol.
"A energia do Sol está sempre a passar pela Terra," comenta Nicky Fox, cientista do projeto Parker Solar Probe no Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins em Laurel, no estado norte-americano de Maryland. "E embora o vento solar seja invisível, podemos vê-lo a rodear os polos nas auroras, que são muito bonitas, mas que revelam a enorme quantidade de energia e de partículas que entram em cascata na nossa atmosfera. Não temos uma forte compreensão dos mecanismos que orientam esse vento na nossa direção e é por isso que vamos partir nesta jornada."
É aqui que entra a Parker Solar Probe. A nave transporta várias "suites" de instrumentos construídos para estudar o Sol tanto remotamente quanto "in situ", ou diretamente. Em conjunto, os dados destes instrumentos de última geração deverão ajudar os cientistas a responder a três perguntas fundamentais sobre a nossa estrela.
Uma dessas questões é o mistério da aceleração do vento solar, o constante fluxo de material do Sol. Embora compreendamos em grande parte as origens do vento solar no Sol, sabemos que existe um ponto - ainda não observado - onde o vento solar é acelerado a velocidades supersónicas. Os dados mostram que essas mudanças acontecem na coroa, uma região da atmosfera solar pela qual a Parker Solar Probe voará diretamente, e os cientistas planeiam usar as medições remotas e "in situ" para descobrir como é que isto acontece.
Em segundo lugar, os cientistas esperam desvendar o segredo das temperaturas extremamente altas da coroa. A superfície visível do Sol tem aproximadamente 5600º C mas, por razões que não compreendemos completamente, a coroa é centenas de vezes mais quente, chegando a vários milhões de graus Celsius. Isto é contraintuitivo, pois a energia do Sol é produzida no seu núcleo.
"É como se nos afastássemos de uma fogueira e de repente a temperatura subisse muito mais," comenta Fox.
Finalmente, os instrumentos da Parker Solar Probe deverão revelar os mecanismos em funcionamento por trás da aceleração das partículas energéticas solares, que podem atingir velocidades superiores a metade da velocidade da luz à medida que se afastam do Sol. Tais partículas podem interferir com os componentes eletrónicos dos satélites, especialmente aqueles para lá do campo magnético da Terra.
Para responder a estas perguntas, a Parker Solar Probe usa quatro conjuntos de instrumentos.
A "suite" FIELDS, liderada pela Universidade da Califórnia em Berkeley, mede os campos elétricos e magnéticos em redor da nave. O conjunto de instrumentos FIELDS vai captar ondas e turbulência na heliosfera interior com alta resolução para compreender os campos associados com as ondas, choques e com a reconexão magnética, um processo pelo qual as linhas do campo magnético se realinham de forma explosiva.
O instrumento WISPR (Wide-Field Imager for Parker Solar Probe) é a única câmara a bordo da sonda. Captará imagens de estruturas como ejeções de massa coronal, jatos e outras características expelidas pelo Sol, a fim de ajudar a relacionar o que acontece na estrutura coronal a grande escala com as medições físicas detalhadas recolhidas diretamente no ambiente próximo do Sol. É liderado pelo Laboratório de Investigação Naval em Washington, DC.
A "suite" SWEAP (Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation) usará dois instrumentos complementares para recolher dados. Conta as partículas mais abundantes no vento solar - eletrões, protões e iões de hélio - e mede propriedades como a velocidade, densidade e temperatura com o objetivo de melhorar a nossa compreensão do vento solar e do plasma coronal. O conjunto de instrumentos SWEAP é liderado pela Universidade do Michigan, pela Universidade da Califórnia em Berkeley e pelo Observatório Astrofísico Smithsonian, em Cambridge, Massachusetts.
Finalmente, a "suite" ISʘIS (Integrated Science Investigation of the Sun, que inclui o símbolo ʘ - o símbolo do Sol - na sua sigla) medirá partículas através de uma ampla gama de energias. A medição dos eletrões, protões e iões vai permitir entender os ciclos de vida das partículas - de onde vieram, como se tornam aceleradas e como saem do Sol e se movem através do espaço interplanetário. O conjunto de instrumentos ISʘIS é liderado pela Universidade de Princeton em Nova Jersey.
A Parker Solar Probe é uma missão já planeada há cerca de sessenta anos. Com o alvorecer da Era Espacial, a Humanidade foi apresentada à dimensão total da poderosa influência do Sol sobre o Sistema Solar. Em 1958, o físico Eugene Parker publicou um artigo científico inovador, teorizando a existência do vento solar. A missão honra este cientista e é a primeira missão da NASA a receber o nome de uma pessoa ainda viva.
Somente nas últimas décadas a tecnologia se tornou suficientemente avançada para tornar a Parker Solar Probe uma realidade. A ousada viagem da nave é possível graças a três grandes avanços: o escudo térmico de ponta, o sistema de arrefecimento solar e o avançado sistema de gestão de falhas.
"O Sistema de Proteção Térmica (o escudo de calor) é uma das tecnologias que possibilitam a missão da nave," comenta Andy Driesman, gerente do projeto Parker Solar Probe no Laboratório de Física Aplicada de Johns Hopkins. "Permite que a nave opere praticamente à temperatura ambiente."
As outras inovações críticas são o sistema de arrefecimento dos painéis solares e o sistema de gestão de falhas a bordo. O sistema de arrefecimento dos painéis solares permite com que estes produzam energia sob a intensa carga térmica do Sol e o sistema de gestão de falhas protege a nave durante os longos períodos em que não consegue comunicar com a Terra.
Usando dados de sete sensores colocados em redor dos limites da sombra provocada pelo escudo de calor, o sistema de gestão de falhas da Parker Solar Probe protege a sonda durante os longos períodos de tempo em que não consegue comunicar com a Terra. Se detetar um problema, a sonda corrige automaticamente a sua trajetória para garantir que os seus instrumentos científicos permaneçam frescos e em funcionamento durante os períodos de perda de comunicação.
O escudo de calor da Parker Solar Probe - TPS (Thermal Protection System) - é uma "sanduiche" de carbono-carbono que envolve quase quatro polegadas e meia de espuma de carbono, que é aproximadamente 97% ar. Embora tenha quase 2,5 metros em diâmetro, o TPS só acrescenta cerca de 73 kg à massa da Parker Solar Probe graças aos seus materiais leves.
Embora o Delta IV Heavy seja um dos foguetões mais poderosos do mundo, a Parker Solar Probe é relativamente pequena, mais ou menos do tamanho de um carro pequeno. Mas o que a Parker Solar Probe precisa é energia - alcançar a sua órbita em torno do Sol exige muita energia no lançamento. Isto porque qualquer objeto lançado da Terra começa a viajar em redor do Sol à mesma velocidade que a Terra - cerca de 29,8 km/s - de modo que um objeto tem que viajar incrivelmente depressa para contrabalançar este momento, para mudar de direção e para se aproximar do Sol.
A janela de lançamento da Parker Solar Probe - entre as 4 e as 6 horas EDT (Eastern Daylight Time, 09:00-11:00 em Portugal), durante um período de duas semanas - foi escolhida com muita precisão a fim de enviar a sonda para o seu primeiro e vital alvo, para ajudar a chegar à órbita final: Vénus.
"A energia de lançamento para alcançar o Sol é 55 vezes a necessária para alcançar Marte, e duas vezes a necessária para chegar a Plutão," comenta Yanping Guo do Laboratório de Física Aplicada de Johns Hopkins, que projetou a trajetória da missão. "Durante o verão, a Terra e os outros planetas no nosso Sistema Solar estão no alinhamento mais favorável para nos permitir chegar perto do Sol."
A nave realizará uma assistência gravitacional para "deitar fora" alguma da sua velocidade no poço de energia orbital de Vénus, colocando a Parker Solar Probe numa órbita que - já na sua primeira passagem - a leva para mais perto da superfície solar do que qualquer outra sonda alguma vez esteve, bem dentro da coroa. A Parker Solar Probe realizará manobras idênticas mais seis vezes ao longo da sua missão de sete anos, auxiliando a nave na sequência final de órbitas que passam a pouco mais de 6,1 milhões de quilómetros da fotosfera.
"Ao estudar a nossa estrela, podemos aprender mais não só sobre o Sol," comenta Thomas Zurbuchen, administrador associado do Diretorado de Missões Científicas na sede da NASA, "mas também podemos aprender mais sobre todas as outras estrelas espalhadas pela Galáxia, pelo Universo e até mais sobre o começo da vida."
A maioria do que sabemos sobre a coroa está intimamente ligada com a história dos eclipses solares. A Parker Solar Probe vai voar por esta região, procurando pistas sobre o comportamento do Sol. Esta foto foi captada em Madras, no estado norte-americano do Oregon, durante o eclipse solar total de 21 de agosto de 2017.
Crédito: GSFC da NASA/Gopalswamy
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Uma missão solar como a Parker Solar Probe é o sonho dos cientistas há décadas, mas só há relativamente pouco tempo temos a tecnologia necessária - como o escudo de calor, o sistema de arrefecimento dos painéis solares e o sistema de gestão de falhas - para tornar esta missão uma realidade.
Crédito: NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman
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A Parker Solar Probe vai ser lançada a bordo de um foguetão Delta IV Heavy a partir de Cabo Canaveral, na Flórida. A missão requer um veículo de lançamento assim tão poderoso - apesar do relativamente pequeno tamanho da nave - devido à energia necessária para alcançar a sua órbita que "raspa" o Sol.
Crédito: NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman
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