Sistema Saturno em 101 Questões: A Nave Cassini e a Sonda Huygens.

Sistema Saturno: dos Mitos à Missão Cassini-Huygens

Fonte original: este material foi traduzido e atualizado do Projeto NASA, escrito durante a ida da Cassini ao Sistema Saturno: Saturn Educator Guide. Embarque você também nessa incrível e surpreendente Missão Sistema Saturno!

64. Qual é o tamanho da nave Cassini?

  • Altura e largura: A Cassini é a maior nave interplanetária já construída pelos Estados Unidos. É do tamanho de um ônibus escolar. A espaçonave tem cerca de dois andares de altura (6,8 m) e 4 metros de diâmetro. Seriam necessários cerca de 7 adultos grandes com braços estendidos para cercar Cassini.
  • Massa e Peso: A massa da espaçonave Cassini é de 5.650 kg, o que inclui a sonda Huygens (370 kg), os instrumentos científicos do orbitador Cassini (370 kg) e 3.130 kg de propelente. Antes do lançamento, mais da metade do peso da Cassini era propulsor de foguetes! Na superfície da Terra, a espaçonave Cassini pesaria cerca de aproximadamente 6 toneladas. Isso é o peso de três ou quatro carros de médio porte!

65. Quanto fiação é usada na espaçonave Cassini?

Os engenheiros estimam que a Cassini use aproximadamente 12 km de fiação para interligar seus componentes elétricos.

66. A espaçonave Cassini é realmente coberta de ouro?

Grande parte da Cassini é coberta com material dourado, mas não é realmente ouro. É um tecido de multicamadas ligado à espaçonave como roupas para protegê-la de extremos de calor e frio e de impactos por pequenas rochas espaciais e poeira no espaço chamados micrometeoritos. O tecido parece dourado porque a camada superior é um material âmbar translúcido chamado KAPTON®, que tem um revestimento de alumínio brilhante. Juntos, parecem uma folha de ouro brilhante.

Além disso, uma grande parte das camadas protetoras da Cassini são coberturas cheias de grafite. Esta cobertura preta protege os instrumentos científicos da Cassini sem interferir em suas operações. Por exemplo, uma cobertura de ouro perto de uma das câmeras da Cassini pode fazer com que reflexos indesejados apareçam nas imagens.

67. A nave usou paineis solares para fornecer energia aos instrumentos da Cassini?

Não. A Cassini usa geradores termoelétricos de radioisótopos, ou RTGs. Para identificar a fonte de energia mais adequada para executar os instrumentos, rádios e computadores da Cassini, o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA realizou uma análise profunda dos sistemas de energia elétrica disponíveis, incluindo sistemas que usam energia solar. Os instrumentos, rádios e computadores da Cassini exigem de 600 a 700 watts. Para comparação, a demanda de energia para uma casa residencial americana média é de cerca de 1.400 watts. O desafio para os designers da Cassini era que essa potência deve ser produzida confiavelmente por muitos anos a uma distância 9,6 vezes mais distante do Sol do que a Terra (distância média de Saturno). Esta potência também deve ser fornecida mantendo a espaçonave pequena e leve o suficiente para ser lançada da Terra.

Se a espaçonave Cassini estivesse equipada com as células solares de maior eficiência disponíveis, como as desenvolvidas pela Agência Espacial Europeia, tornaria a espaçonave muito pesada para ser lançada para Saturno. As matrizes solares resultantes cobririam uma área maior que duas quadras de tênis! Os RTGs são, portanto, o único sistema de energia viável para a missão Cassini-Huygens.

Os RTGs iniciam a missão fornecendo cerca de 820 watts de potência, e terminaram a missão fornecendo cerca de 650 watts. A saída de energia diminui porque os RTGs geram energia a partir de uma substância radioativa chamada plutônio que decai ao longo do tempo. É importante saber que os três RTGs da Cassini não têm nada a ver com o lançamento ou propulsão da espaçonave.

Cassini-Huygens em High Bay 2 no Laboratório de Propulsão a Jato.
Cassini-Huygens na câmara de testes do Laboratório de Propulsão a Jato

68. Como funciona um RTG? Se envolve plutônio, é perigoso?

Um RTG usa a energia térmica de uma fonte radioativa, plutônio (Pu-238). A radioatividade gera calor, que por sua vez é convertido em energia elétrica que alimenta os instrumentos, rádios e computadores da Cassini.

Embora o plutônio seja, de fato, uma substância muito tóxica se respirado nos pulmões, os RTGs da Cassini contêm uma forma cerâmica resistente ao calor, chamada dióxido de plutônio. Estes módulos cerâmicos são projetados e embalados para evitar a formação de partículas de poeira fina de plutônio que seriam prejudiciais se respiradas nos pulmões. Anos de extensos testes de segurança e análises demonstraram que os RTGs são extremamente robustos e resistentes à liberação do combustível de dióxido de plutônio, mesmo em ambientes de acidentes graves. Em outubro de 1968, um foguete Atlas carregando um RTG foi destruído pouco depois de ser lançado da Base Aérea de Vandenberg. As porções contendo plutônio do RTG caíram no oceano intactas, e todo o plutônio foi recuperado e reutilizado em uma missão subsequente.

69. Quão bem a Cassini pode apontar seus instrumentos?

Alguns dos instrumentos da Cassini devem ser destinados precisamente à coleta de dados. Eles não giram sozinhos, mas exigem que toda a espaçonave aponte na direção desejada. A espaçonave pode apontar os instrumentos com uma precisão de cerca de 0,06° (1/17 de um grau). Uma vez apontada, a nave Cassini se mantém extremamente estável.

OS INSTRUMENTOS CIENTÍFICOS

70. Que tipos de instrumentos o orbitador Cassini tem? O que é que eles fazem?

De certa forma, a nave Cassini tem sentidos melhores que os nossos. Por exemplo, a Cassini pode “ver” em comprimentos de onda de luz e energia que o olho humano não pode. Os instrumentos podem “sentir” coisas sobre campos magnéticos e pequenas partículas de poeira que nenhuma mão humana poderia detectar. A nave Cassini foi projetada com 18 grandes grupos de instrumentos científicos: 12 no orbitador Cassini, e 6 na sonda Huygens.

Mesmo sem conhecer os detalhes de todos os instrumentos e a natureza do que eles estão medindo ou detectando, ainda é possível discernir várias coisas sobre eles a partir de suas descrições.

Por exemplo, você pode classificar os instrumentos científicos de uma forma que lhe permita fazer uma comparação com a forma como seus próprios sentidos operam.

  • Seus olhos e ouvidos são dispositivos de “sensoriamento remoto” porque você pode receber informações de objetos remotos sem estar em contato direto com eles.
  • Seus sentidos de toque e paladar são dispositivos de “sensoriamento direto”.
  • Seu nariz pode ser interpretado como um dispositivo de sensoriamento remoto ou direto. Você certamente pode sentir o cheiro da torta de maçã do outro lado da sala sem ter o nariz em contato direto com ela, mas as moléculas que carregam o cheiro têm que fazer contato direto com suas células sensoriais.

Os instrumentos da Cassini são:

  • 1. Imaging Science Subsystem (ISS) Faz imagens em luz visível, e alguma luz infravermelha e ultravioleta. A ISS tem uma câmera que pode tirar uma imagem ampla, grande angular e uma câmera que pode gravar pequenas áreas em detalhes finos. Os engenheiros antecipam que a ISS devolverá centenas de milhares de imagens de Saturno e seus anéis e luas! [Sensoriamento remoto / visão]
  • 2. Radio Detection and Ranging (RADAR) Produz mapas da superfície de Titã e mede a altura de objetos superficiais (como montanhas e cânions) disparando sinais de rádio na superfície de Titã e cronometrando seu retorno. Isso é semelhante a ouvir o eco de sua voz através de um cânion para dizer o quão grande é o cânion. Ondas de rádio podem penetrar o véu espesso da neblina ao redor de Titã. Além do lançamento de ondas de rádio, o instrumento RADAR ouvirá ondas de rádio que Saturno ou suas luas possam estar produzindo. [Sensor ativo remoto / escutar eco; Sensoriamento/visão passiva remota]
  • 3. Radio Science Subsystem (RSS) Usa antenas de rádio na Terra para observar a forma como os sinais de rádio da espaçonave mudam à medida que são enviados através de objetos, como a atmosfera de Titã ou os anéis de Saturno. RSS usa receptores de rádio e transmissores em três comprimentos de onda diferentes. Isso fornece informações detalhadas sobre a estrutura dos anéis e atmosfera. [Sensoriamento remoto / visão ou audição]
  • 4. Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS) Analisa partículas carregadas (como prótons e íons mais pesados) e partículas neutras (como átomos) perto de Titã e Saturno para aprender mais sobre suas atmosferas. [Sensoriamento/cheiro direto e remoto]
A nave Cassini-Huygens.
  • 5. Visible and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) Faz imagens usando luz visível e infravermelha para descobrir mais sobre a composição das superfícies lunares, os anéis e as atmosferas de Saturno e Titã. VIMS também observa a luz solar e a luz das estrelas que passam pelos anéis para aprender mais sobre a estrutura do anel. [Sensoriamento remoto / visão]
  • 6. Composite Infrared Spectrometer (CIRS) Mede a luz infravermelha proveniente de um objeto (como uma atmosfera ou superfície lunar) para aprender mais sobre sua temperatura e do que ela é feita. [Sensoriamento remoto / visão]
  • 7. Cosmic Dust Analyzer (CDA) Detecta o tamanho, velocidade e direção de pequenos grãos de poeira perto de Saturno. Algumas dessas partículas estão orbitando Saturno, enquanto outras podem vir de outros sistemas solares. [Sensor direto / toque ou gosto]
  • 8. Radio and Plasma Wave Science (RPWS) Recebe e mede os sinais de rádio vindos de Saturno, incluindo as ondas de rádio originárias da interação do vento solar com Saturno e Titã. [Sensoriamento direto e remoto / muitos sentidos]
  • 9. Cassini Plasma Spectrometer (CAPS) Mede a carga elétrica e energética de partículas como elétrons e prótons que o instrumento encontra. [Sensor direto / toque, paladar, cheiro]
  • 10. Ultraviolet Imaging Spectrograph (UVIS) Faz imagens da luz ultravioleta refletidas de um objeto, como as nuvens de Saturno e/ou seus anéis, para aprender mais sobre sua estrutura e composição. [Sensoriamento remoto / visão]
  • 11. Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI) Produz imagens e outros dados sobre as partículas presas no enorme campo magnético de Saturno, ou magnetosfera. [Sensoriamento direto e remoto / visão e cheiro]
  • 12. Dual Technique Magnetometer (MAG) Mede a força e a direção do campo magnético ao redor de Saturno. Os campos magnéticos são gerados em parte pelo núcleo derretido intensamente quente no centro de Saturno. Medir o campo magnético é uma das maneiras de sondar o núcleo, mesmo que seja muito quente e profundo para realmente ser visitado. [Sensoriamento direto e remoto / toque e cheiro]

71. Quão bem as câmeras Cassini podem ver?

A câmera de alta resolução da Cassini é capaz de ver uma moeda de 1 centavo norte-americana, com 1,5 cm de diâmetro, a uma distância de quase 4 km.

72. Como sabemos a cor de um planeta ou de uma lua?

Em várias das câmeras da Cassini, filtros de cores podem ser colocados dentro e fora das câmeras para que o detector veja apenas uma cor de cada vez. Cada imagem é então transmitida para a Terra. Computadores de processamento de imagem na Terra combinam os dados para recriar a imagem em suas cores originais. Nossos olhos funcionam de forma semelhante: podemos realmente ver imagens apenas em três cores primárias da luz – vermelho, verde e azul. Nossos cérebros combinam essas três cores para fazer outras cores, como roxo, amarelo e laranja.

73. O que a sonda Huygens pode fazer?

Logo após chegar ao sistema de Saturno, o orbitador Cassini lançará a sonda Huygens, que descerá para a atmosfera de Titã — a maior lua de Saturno. A sonda Huygens, construída pela Agência Espacial Europeia, carrega seis instrumentos para coletar dados sobre as nuvens, atmosfera e superfície de Titã.

A sonda de 320 kg é construída um pouco como um molusco: é dura por fora, para proteger os instrumentos delicados por dentro. A concha deve ser construída para sobreviver à queda de 20.000 km/h quando atingir a atmosfera pela primeira vez, e as temperaturas de 12.000 °C à medida que o atrito da atmosfera de Titã a retarda violentamente.

À medida que a sonda de 2,7 m de diâmetro entrar na atmosfera de Titã, ela começará a fazer medidas na camada de neblina acima das nuvens. Durante sua descida de 2,5 horas — primeiro em um paraquedas principal e depois em um paraquedas “drogue” menor (de desaceleração) — com vários instrumentos para medir a temperatura, pressão, densidade e composição da atmosfera. À medida que a sonda Huygens finalmente romper a camada inferior das nuvens, uma câmera com 11 direções de visualização simultâneas captura imagens panorâmicas da superfície de Titã.

Os instrumentos da sonda também medem propriedades da superfície de Titã à medida que desce e possivelmente após o pouso. A sonda pousa e se choca relativamente forte com a superfície, a cerca de 25 km/h e, portanto, poderia não sobreviver ao pouso. Mas, felizmente, ela “sobreviveu”!

Concepção artística da sonda Huygens sendo lançada acima de Titã.
Instrumentos nas duas faces da sonda Huygens.

74. Que tipos de instrumentos a sonda Huygens tem?

A sonda Huygens carrega seis instrumentos. À medida que a sonda cai através da atmosfera em direção à superfície de Titã, alguns dos instrumentos estarão ocupados monitorando a atmosfera olhando as janelas da sonda ou “cheirando” a atmosfera através de buracos. Outros instrumentos começarão a funcionar depois que a sonda pousar — ou flutuar — em Titã. Os rádios da sonda enviam dados para o orbitador Cassini. Estes são os instrumentos da sonda Huygens:

  • 1. Gas Chromatograph and Mass Spectrometer (GCMS) Analisa as quantidades de vários gases na atmosfera de Titã. Ele procurará moléculas orgânicas que possam indicar uma química interessante acontecendo na atmosfera de Titã, bem como moléculas mais simples que ajudarão os cientistas a entender como Titã se formou. [Sensor/cheiro direto]
  • 2. Aerosol Collector and Pyrolyser (ACP) Detecta as partículas nas nuvens espessas e nebulosas de Titã. O ACP pode ajudar a detectar os gases e nuvens que seriam expelidos por qualquer vulcão ativo em Titã. [Sensor/cheiro direto]
  • 3. Descent Imager / Spectral Radiometer (DISR) Tira fotos de Titã enquanto a sonda desce em direção à superfície. Também mede como as nuvens de Titã diminuem a luz do Sol. Isso ajudará os astrônomos a entender como Titã é aquecida pelo Sol.
  • 4. Huygens Atmosphere Structure Instrument (HASI) Observa raios e ouve trovões nas nuvens de Titã. Usando as baterias da sonda para energia, a HASI também criará seus próprios pequenos raios para explorar como a atmosfera de Titã interage com a eletricidade. [Sensoriamento remoto / visão, audição; sensoriamento direto / toque]
  • 5. Doppler Wind Experiment (DWE) Mede a velocidade dos ventos de Titã. Titã tem furacões enormes, ou é um lugar relativamente calmo? Talvez, como a Terra, esteja ventando em algumas altitudes e mais calma em outras. Este instrumento é tão sensível que também pode medir a sonda suavemente balançando abaixo de seu paraquedas! [Sensor direto / toque, equilíbrio]
  • 6. Surface-Science Package (SSP) Este conjunto de oito instrumentos examina o local de pouso da sonda – se são rochas, neve, “lama” ou um lago. O SSP tem detectores para medir o quão forte a sonda atinge a superfície, a temperatura, a velocidade do som na atmosfera de Titã e o tipo de líquido em que a sonda pode estar flutuando. [Sensor direto / toque, audição, gosto]

75. O que acontece com a sonda Huygens depois que ela pousa em Titã?

A sonda Huygens pode sobreviver a aterrissar em terra firme, gelo ou até mesmo líquido. Os engenheiros a projetaram para flutuar! Muitos cientistas teorizam que Titã pode estar coberta por lagos ou oceanos de metano ou etano, de modo que a sonda Huygens foi projetada para funcionar se for “molhada” ou “esguichada”. Um instrumento a bordo nos dirá se a Huygens está flutuando em líquido, e outros instrumentos a bordo nos dirão do que esse líquido é feito. Se a sonda alimentada por bateria sobreviver ao seu pouso, ela enviará medições da superfície de Titã até que suas baterias morram ou o orbitador Cassini voe para fora do contato por rádio — por até 30 minutos.

Depois que a sonda ficar sem bateria, ela pode ficar onde quer que aterrisse por milhares de anos. Pode ser pega em um deslizamento de terra ou uma avalanche, se tais fenômenos ocorrerem em Titã! Huygens poderia ser lavada em alguma frígida praia de Titã. Ou, poderia pousar em um iceberg de metano e flutuar infinitamente em um mar de etano. Onde quer que aterrisse, compostos químicos orgânicos caindo do céu de Titã provavelmente cairão sobre ele. Como um carro estacionado ao ar livre em alguma cidade por muito tempo, Huygens eventualmente seria revestido com o resíduo desta gosma marrom clara, como fumaça.

Talvez no futuro distante, voltemos a Titã para descobrir o que aconteceu com a sonda Huygens.

76. Se a sonda Huygens afundar, haveria alguma maneira de enviar informações de volta?

Não. Se a sonda afundasse em etano líquido frio, que pode muito bem estar presente em Titã, as baterias e o rádio não funcionariam bem, e a sonda não seria capaz de enviar informações de volta ao orbitador Cassini.

77. Quantas pessoas trabalharam na Cassini?

No seu auge, o desenvolvimento da Cassini envolveu cerca de 4.500 pessoas, incluindo 3.000 nos EUA e 1.500 em países europeus. Isso inclui engenheiros, cientistas e muitas outras pessoas em universidades, instituições de pesquisa e na indústria. Essas pessoas trabalhavam em 32 estados americanos e 16 países europeus.

Um modelo em tamanho real da Cassini-Huygens na JPL, com alguns dos milhares de membros da equipe Cassini.

Cassini-Huygens na JPL, com alguns dos milhares de membros da equipe Cassini.

Outra forma de expressar a magnitude do esforço humano envolvido é considerar o número de anos de trabalho necessários para preparar a Cassini para o lançamento. Um ano de trabalho equivale a uma pessoa trabalhando em tempo integral por 1 ano. Preparar a missão Cassini para o lançamento levou cerca de 13.000 anos de trabalho de esforço – quase metade do que deve ter sido necessário para construir a Grande Pirâmide de Queops em Gizé!

78. Quem gerencia o Projeto Cassini?

O Jet Propulsion Laboratory (JPL), uma divisão do Instituto de Tecnologia da Califórnia, gerencia o Projeto Cassini. JPL está sob contrato com a NASA para projetar e pilotar missões espaciais robóticas. JPL é especialmente famoso por seu trabalho em ciência planetária, incluindo as Missões Voyagers para os planetas exteriores e a Pathfinder para Marte.

79. Que tipo de profiissionais trabalham em um projeto espacial como a Cassini?

É uma tarefa monumental projetar, construir, lançar e pilotar um robô sofisticado como a Cassini. Uma grande diversidade de pessoas talentosas são necessárias para que isso aconteça. A maioria dos que trabalham no projeto Cassini são cientistas e engenheiros, mas o projeto também envolve pessoas como programadores de computador, educadores, maquinistas, eletricistas, secretários, seguranças e agentes de viagens.

Encontro de membros da Missão Cassini-Huygens (2017). Conheça mais sobre os profissionais que atuaram na missão aqui.

80. Como eu poderia me preparar para uma carreira envolvendo um projeto espacial?

Na preparação para carreiras envolvendo um projeto espacial, é sábio fazer todos os cursos que puder na escola, especialmente matemática, ciências e inglês. Vá para a faculdade, se possível, e escolha um campo de estudo que particularmente lhe interessa. Ciência e engenharia são os caminhos mais prováveis para se envolver em um projeto de exploração espacial, mas há outras maneiras também. Procure alguém que já esteja em uma carreira relacionada ao espaço e converse com eles sobre quais habilidades e atitudes eles precisavam para serem bem sucedidos.

É útil se conscientizar e começar a cultivar algumas das habilidades de trabalho úteis que podem não necessariamente ser ensinadas na escola. Além de ter habilidades matemáticas básicas e algum tipo de treinamento técnico, é útil ser entusiasmado, criativo, capaz de aprender coisas novas, falar e escrever bem, usar um computador, trabalhar bem em equipe e perseverar através de problemas.