ESA

Os planetas gasosos exteriores Júpiter e Saturno e especialmente os gigantes gelados exteriores de Urano e Neptuno são há muito reconhecidos como alvo de uma missão de exploração de alta prioridade. Estes corpos frios e densos são diferentes de quaisquer outros planetas encontrados no nosso Sistema Solar, os últimos a serem explorados e os menos compreendidos. Sua atmosfera consiste principalmente de hidrogênio (H2), hélio (He) e, no caso de Netuno, vestígios de metano (CH4). Uma missão a um ou mais destes corpos gigantes gelados proporcionará uma contribuição significativa para aprofundar a nossa compreensão sobre a formação e evolução do sistema solar e de outros sistemas exoplanetários. A ESA está a preparar as tecnologias de testes aerotermodinâmicos para entradas de alta velocidade nos planetas exteriores, gigantes, gelados e gasosos para essas futuras missões.

O mérito científico dos gigantes gelados foi recomendado internacionalmente no âmbito do NASA 2023-2032 Planetary Sciences Decadal Survey e do ESA Voyage 2050 Programme. Uma sonda atmosférica com instrumentação in-situ para qualquer um dos gigantes de gelo foi marcada como uma missão de alta prioridade e poderia ser prevista dentro de uma missão científica de classe (M)edium da ESA.

Dois estudos CDF da ESA realizados em 2019 examinaram as potenciais contribuições da ESA para uma missão liderada pela NASA a Urano ou Neptuno e ao gigante gasoso Saturno. Semelhante à parceria para a missão Cassini-Huygens, onde a ESA forneceu a sonda Huygens, a missão teria um impacto significativo para a comunidade científica planetária europeia como um todo. Existe uma potencial oportunidade de lançamento no início da década de 2030, onde uma passagem por Júpiter permitiria o acesso a vários planetas. Recentemente, cientistas planetários da NASA também expressaram que uma missão a Urano é uma oportunidade futura prioritária.

Antes que qualquer missão possa ser considerada, são necessárias mais investigações para compreender o ambiente aerotérmico de uma entrada de gigante gelado. Qualquer espaçonave descendente estaria sujeita a aquecimento intenso ao mergulhar na atmosfera fria e densa a velocidades de entrada de cerca de 23 km/s para uma missão de Urano ou Netuno, e de cerca de 27 km/s para Saturno. O sistema de proteção térmica da espaçonave precisaria proteger a preciosa carga útil dos efeitos extremos do aquecimento. A taxa de aquecimento seria de ordens de grandeza maiores do que qualquer missão actualmente empreendida pela ESA. “O objetivo da atividade era adaptar as atuais instalações terrestres para simular condições atmosféricas relevantes de H2/He/CH4 na sonda em instalações de teste em solo, que ainda não estavam disponíveis na Europa e não existe nenhuma instalação de plasma para simular um H2/He /ambiente CH4”, explica Louis Walpot, Diretor Técnico desta atividade.

Através de uma atividade combinada de De-Risk financiada pela Alemanha, Grã-Bretanha e ESA GSTP, o Grupo de Diagnóstico de Fluxo de Alta Entalpia (HEFDiG) do Instituto de Sistemas Espaciais (IRS) da Universidade de Stuttgart e o grupo hipersônico da Universidade de Oxford adaptaram suas respectivas instalações de teste de solo .

O Oxford T6 Stalker Tunnel, localizado na Universidade de Oxford, simulou a dinâmica radiativa do gás aerotermodinâmico de alta velocidade e investigou os fluxos de calor convectivos em um ambiente representativo de H2/He/CH4. É o túnel de vento mais rápido da Europa, fornecendo instalações de testes hipersônicos, multimodo e aerotermodinâmicos, com base no projeto do falecido Professor Ray Stalker.

“O túnel é capaz de medir o fluxo de calor por convecção e radiativo e fornecer de forma crítica as velocidades de fluxo necessárias para a replicação da entrada do gigante de gelo, com vestígios de CH4. O próprio túnel opera com um acionador de pistão livre, que pode ser acoplado a vários componentes diferentes a jusante para se tornar um tubo de choque, um túnel de choque refletido ou um tubo de expansão. Essa adaptabilidade permite uma ampla gama de testes, desde testes de modelagem em subescala até a exploração de processos fundamentais de fluxo de alta velocidade”, acrescenta Louis Walpot.

Da mesma forma, as interações da superfície do gás nos abladores são estudadas nas instalações do túnel de vento de plasma PWK1 no IRS. PWK1 é atualmente a única instalação de plasma com as capacidades de hidrogênio necessárias no mundo para estudar a interação entre pirólise e ablação no sistema de proteção térmica de uma espaçonave.