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Como a nave espacial enxame poderia nos ajudar a entender a Terra como nunca antes

Satélites pequenos, simples e baratos estão sendo desenvolvidos para explorar e estudar o espaço de novas maneiras com a nave espacial enxame. Se os implantarmos em grandes enxames, esses “CubeSats” podem mudar a maneira como vemos e protegemos nosso planeta.

O rugido dos motores do veículo de lançamento Rockot dividiu o ar quando ele decolou do Cosmódromo de Plesetsk, no norte da Rússia, em 30 de junho de 2003. O foguete tinha 30m de altura e tinha sido fretado pela empresa alemã Eurockot Launch Services. Mas em vez de levar um grande satélite para órbita, o Rockot estava carregando oito menores.

Na época, ninguém prestou muita atenção. Afinal, não foi o lançamento de uma missão de bilhões de dólares. No entanto, em retrospectiva, podemos ver que foi exatamente isso que tornou o lançamento tão importante – talvez até mesmo um divisor de águas na maneira como usamos e exploramos o espaço.

Alguns dos satélites em órbita naquele dia eram pequenos CubeSats, com dimensões de apenas 10 x 10 x 10cm. Feito de peças padronizadas, cubeSats são relativamente rápidos e simples de construir.

Quando foram concebidos no final da década de 1990, eles foram pensados como ferramentas educacionais para ensinar aos alunos o básico de como construir satélites. A ideia era que os alunos pegassem o conhecimento que adquirissem no CubeSats e aplicassem-no à grande espaçonave da indústria tradicional de satélites.

E enquanto alguns fizeram exatamente isso, outros usaram sua experiência para assumir um desafio totalmente diferente: usar os satélites em miniatura para algo mais do que apenas educação.

“Agora existem algumas pessoas muito inteligentes na Europa e em todo o mundo que se tornaram um desafio para miniaturizar a tecnologia de tal forma que ela possa se encaixar em um volume muito pequeno. As pessoas se referem a isso como pensar dentro da caixa”, diz Roger Walker, da Agência Espacial Europeia (ESA).

Esse tipo de pensamento está começando a valer a pena. O padrão CubeSat é barato e está permitindo que muito mais missões sejam desenvolvidas do que nunca. E à medida que a tecnologia continua a encolher e novas técnicas são desenvolvidas, mais tipos de missões se tornam possíveis – algumas das quais eram praticamente inimagináveis até recentemente, como enxames de satélites.

Enxames de satélites são dezenas, centenas ou mesmo milhares de pequenas naves espaciais trabalhando juntas para fazer algo que é impossível ou impraticável com naves espaciais tradicionais. Enxames contendo quantidades tão grandes de CubeSats podem ser imaginados porque cada um é tão barato de construir.

Scott Williams é diretor de programas da SRI International, que esteve envolvido no desenvolvimento precoce do CubeSats. Ele se lembra de pensar: “Ok, quantos podemos voar? O que podemos fazer com eles? Se conseguirmos muitos pontos de medição no espaço, não criamos uma capacidade semelhante, ou talvez de alguma forma melhor, do que uma única medição requintada de um satélite de trilhões de dólares?”

Williams percebeu que, para muitas aplicações, a resposta era um sim retumbante. Mas como você controla um enxame de, digamos, 1.000 CubeSats?

“O que você não pode fazer é ter 1.000 operadores em estações terrestres, digitando individualmente comandos para cada um dos satélites”, diz ele. “Ele não escala financeiramente; você tem que ser capaz de tratar a rede como uma única entidade.

“Uma vez que você tem um único operador que executa sua constelação de cem milhões de dólares, então você alcança uma economia real de escala e você tem uma excelente vantagem econômica.” Na prática, isso significa desenvolver algum nível de inteligência artificial para os CubeSats para que eles possam se guiar.

Pequenos satélites, grandes possibilidades

O público só teve realmente seus olhos abertos para enxames de satélites, ou “megaconstelações”, como são frequentemente chamados, em 2020 por causa dos numerosos lançamentos dos satélites Starlink de Elon Musk. Lançados em lotes de 60, eles capturaram a atenção popular porque pouco depois de chegar à órbita, eles se tornaram visíveis como “trens” brilhantes movendo-se através do céu.

Quase 800 estão circulando a Terra, com planos que pedem um total de quase 12.000 para fornecer internet rápida em todo o planeta. Embora os satélites Starlink não sejam CubeSats, eles aplicam muitos dos mesmos princípios, como miniaturização e produção em massa, que mantêm os custos baixos.

A ESA vê o CubeSats como um caminho tão promissor que criou uma parte dedicada da agência para desenvolvê-los, demonstrar sua capacidade e roteiro do tipo de coisas que eles tornam possível em termos de missões espaciais.

Walker é o chefe da unidade de sistemas CubeSat. “Nosso trabalho é coordenar os desenvolvimentos tecnológicos necessários para permitir novas capacidades desses satélites muito pequenos”, diz ele.

Muitas aplicações giram em torno da observação da Terra. Por exemplo, a unidade de Walker percebeu que uma pequena frota de CubeSats poderia medir precisamente as emissões de dióxido de nitrogênio produzidas pelo tráfego rodoviário e queima de combustíveis fósseis em cidades e assentamentos menores.

Outra aplicação é a “imagem hiperespectral” da Terra. Isso envolve uma frota de CubeSats constantemente tirando imagens da Terra em dezenas de cores e outras bandas espectrais, como infravermelho e ultravioleta. “Isso permitiria que as pessoas rastreassem mudanças na vegetação, por exemplo, ou umidade e inundações na superfície da Terra”, diz Walker.

Outra ideia é uma frota de CubeSats que captam o reflexo desviado de sinais sat-nav da superfície da Terra, a fim de medir o movimento do gelo nos polos e correntes oceânicas ao redor do globo.

Asteroides de perto

Além de telecomunicações e sensoriamento remoto, há também novos tipos de ciência e exploração que podem ser feitos com CubeSats. Patrick Michel, diretor de pesquisa do CNRS no Observatoire de la Côte d’Azur em Nice, França, é o principal pesquisador do NEO-MAPP (Near Earth Object Modelling and Payload for Protection), um projeto da Comissão Europeia para estudar técnicas de deflexão de asteroides e pesquisar outros métodos para evitar que um asteroide atinja a Terra.

Uma das maiores incógnitas nesta pesquisa são as propriedades superficiais e composições de asteroides. Sem conhecer as propriedades físicas e químicas de um asteroide, não podemos prever com precisão como ele responderia ao impacto de um projétil projetado para empurrá-lo para fora de uma rota de colisão com a Terra.

E não podemos obter essa informação da Terra porque os asteroides são tão pequenos que observatórios terrestres não podem vê-los em detalhes suficientes. “Este é um exemplo de onde o CubeSats pode ser muito útil”, diz Michel.

A ideia dele é simples. Envie uma frota de CubeSats para o espaço, cada um projetado para se encontrar com um asteroide diferente perto da Terra. Mesmo que o CubeSat esteja equipado apenas com uma câmera, os pesquisadores podem começar a olhar para as diferentes superfícies e categorizá-las. “Podemos ver algumas semelhanças para alguns tipos de asteroides. Então podemos classificá-los. Então eu acho que essa é uma abordagem muito boa”, diz ele.

Também é possível que a distorção do sinal de rádio de cada CubeSat causada pela gravidade do asteroide possa ser analisada para dar a massa de cada asteroide.

Mas isso não é tudo. Williams tem trabalhado na ideia de analisar outras distorções nos sinais de rádio de um CubeSat para prever com mais precisão o ambiente de radiação mutável no espaço. Conhecida como clima espacial, a radiação vem na forma de partículas subatômicas dadas pelo Sol. Pode causar mau funcionamento da eletrônica e, no seu momento mais grave, pode comprometer a saúde dos astronautas.

Williams e colegas se inspiraram na forma como os telefones celulares estão sendo usados para melhorar a previsão meteorológica terrestre. Meteorologistas na Terra começaram a medir o “ruído” em sinais individuais de micro-ondas sendo transmitidos através de redes de telefonia móvel, porque o ruído é determinado pelas condições atmosféricas pelas que o micro-ondas está viajando.

“Tudo o que eles têm que fazer é coletar os dados sobre o barulho e, de repente, eles têm informações meteorológicas, e eles estão construindo previsões meteorológicas muito mais precisas fazendo isso. Vamos fazer a mesma coisa no espaço”, diz Williams.

Próximos passos

Além de serem baratos de construir, os CubeSats também são baratos de lançar porque são tão pequenos e isso está impulsionando uma nova indústria de empresas de foguetes comerciais.

Quando se trata de enxames de satélites, os limites só são realmente definidos pela imaginação dos engenheiros e cientistas, e pelo poder computacional que pode ser embalado nessas pequenas naves espaciais.

Samson Phan é engenheiro sênior de pesquisa no Laboratório de Sinais e Tecnologia Espacial da SRI International. É seu trabalho desenvolver a próxima geração de CubeSats, incluindo enxames, e ele tem grandes ideias. “Para mim, é tudo sobre robótica e manipulação”, diz ele.

Na visão de Phan, o CubeSats não será coletor passivo de dados; em vez disso, eles serão robôs individuais capazes de trabalhar em conjunto com inteligência artificial para construir novos hardwares espaciais, como telescópios gigantes que são grandes demais para serem lançados inteiros.

“Tenho essas visões de grandes enxames de pequenos robôs baseados em sat montando uma matriz de 5.000 km de comprimento para que possamos visualizar como os planetas de Alpha Centauri se parecem”, diz ele com um sorriso, antes de esclarecer que sua visão é um objetivo eventual e não um projeto em que ele está trabalhando atualmente. Mas essas visões são o que impulsionam a inovação.

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