Embora seja evidente que nunca tentaram lançar um satélite, algumas pessoas gostam de se referir ao espaço sideral como uma fronteira estelar de vasto vazio. Sessenta e cinco anos depois do Sputnik, o planeta agora é povoado por aproximadamente 8.000 satélites de órbita baixa da Terra (LEO), com aproximadamente 1.400 deles sendo lançados apenas em 2021. O aconchegante cinturão orbital 1.200 milhas acima de nossas cabeças ficará muito lotado nesse ritmo para acomodar espaçonaves futuras. O que devemos fazer em seguida?
Os satélites podem ser empurrados para órbitas mais altas, com a próxima parada altitudinal sendo órbitas médias ou médias da Terra (MEOs) de aproximadamente 22.300 milhas. No entanto, nessas distâncias, o aumento da radiação de prótons dos cinturões de Van Allen destrói a eletrônica e o fornecimento de energia dos satélites. Por isso, os satélites MEO não parecem uma boa ideia. No entanto, e se um novo tipo de célula solar resistente à radiação pudesse melhorar o negócio?
Uma nova célula solar ultrafina que pode suportar os vigores radiativos de órbitas mais profundas é descrita em detalhes em um artigo publicado na terça-feira no Journal of Applied Physics. Como essas células solares são muito finas, elas também removem o peso desnecessário dos satélites, o que pode tornar seu lançamento mais barato e mais leve. Essas células solares resistentes à radiação podem até acabar na superfície de outro planeta um dia.
A órbita baixa da Terra foi um acéfalo para os cientistas ao decidir onde colocar os primeiros satélites no mundo. A plataforma de lançamento exigia menos energia devido à sua proximidade relativa à Terra, e os satélites capazes de chamar imagens caseiras poderiam fazê-lo em resoluções muito mais altas .No entanto, o fato de que LEO evitou amplamente os cinturões de radiação que cercam a Terra e são o resultado da magnetosfera terrestre capturando ventos solares foi uma de suas maiores vantagens.Infelizmente, LEO tornou-se bastante lotado devido a 60 anos de lançamentos de satélites.
Armin Barthel, o autor do artigo e aluno de doutorado na Universidade de Cambridge, diz: “Se pudermos encontrar soluções alternativas para a órbita baixa da Terra, isso provavelmente é uma coisa boa” que “na órbita baixa da Terra há muitos satélites e lixo lá em cima e só vai piorar.”
A solução pode estar em uma órbita terrestre média. O nome russo “Molniya”, que se traduz em “relâmpago”, refere-se a um tipo de órbita MEO que é altamente elíptica e foi utilizada pela primeira vez pela União Soviética na década de 1960. Os satélites MEO realmente funcionam melhor do que os satélites geossíncronos, que são frequentemente treinados na região equatorial da Terra, porque a Rússia está localizada em latitudes mais altas. Esses satélites, segundo a Organização Meteorológica Mundial, também podem ser essenciais para a observação das regiões polares da Terra.
Infelizmente, satélites em órbita terrestre média como Molniya devem se proteger desses altos fluxos de radiação passando por cinturões de radiação de prótons. Esses satélites precisam ser mais baratos e durar mais para serem economicamente viáveis, segundo Barthel.
Felizmente, as células solares ultrafinas atendem a ambos os requisitos.
A maioria dos satélites obtém sua energia de células solares fotovoltaicas. Quando essas células absorvem luz, a energia que geram é convertida em elétrons carregados negativamente, que são liberados e geram eletricidade em toda a célula solar. No entanto, quando essas células são expostas à radiação , a radiação desloca os átomos que estão contidos nos semicondutores cristalizados, resultando em defeitos – e mesmo a menor das imperfeições pode ter um impacto significativo.
Segundo Barthel, “este elétron excitado vai encontrar um defeito e perder sua energia” quanto mais defeitos houver. Ao tornar a célula mais fina, você reduz a distância que um elétron deve percorrer, aumentando a probabilidade de que ele saia da célula e entre no circuito da célula antes de encontrar um defeito.
Além disso, Barthel não exagera quando se refere a “ultrafino”. Mesmo as células solares “finas” ainda podem medir um mícron de largura, e as modernas células solares de satélite podem ser tão grandes quanto dezenas de mícrons. No entanto, a célula solar de Barthel tem aproximadamente 80 nanômetros, ou um milésimo de um fio de cabelo humano (1 mícron = 1.000 nanômetros).
Esta célula solar ultrafina foi feita de duas maneiras diferentes por Barthel e sua equipe: uma é projetada como um design de chip comum e a outra usa um espelho traseiro prateado para deixar mais luz entrar na célula solar. O semicondutor Arsenieto de Gálio (GaAs) é utilizado em ambos. A equipe optou por banhar as células solares em prótons irradiados produzidos na Instalação Nuclear de Dalton Cumbrian, na Inglaterra, porque Barthel não conseguiu testar os chips em um ambiente espacial real. Os resultados demonstraram que as células ultrafinas tiveram um desempenho melhor do que suas contrapartes mais grossas por um fator de dois depois de estudar os danos causados às células usando um processo chamado catodoluminescência e examinando a eficiência energética das células usando um Simulador Solar Compacto.
Uma célula solar mais leve também significa uma espaçonave mais leve, embora essas células ultrafinas possam ajudar um satélite a sobreviver além da órbita baixa da Terra. como resultado, menos suscetível a defeitos.Segundo Barthel, nossas células absorvem menos luz porque são muito finas e muita luz passa por elas.Apesar de começarmos com menos energia, acabamos chegando a um ponto em que nossa célula realmente produz mais energia do que a célula mais espessa.
Antes de poderem competir com as células solares dos satélites atuais, essas células solares ultrafinas e tolerantes à radiação precisam de um pouco mais de tempo no forno. espelho que ajuda a célula a capturar mais luz – porque é difícil fazer algo com apenas 80 nanômetros de espessura.
No entanto, essas células podem acabar a bordo da espaçonave muito além da órbita média da Terra, uma vez que esteja pronta para o grande show.
A lua de Júpiter, Europa, está perto do topo da lista para explorar outros mundos. As linhas listradas da lua dão a ela um certo fator “legal” e ela repousa no topo de um oceano que é maior do que todos os oceanos da Terra combinados no topo de uma espessa camada de gelo. As plumas de vapor d’água da lua a tornam um habitat atraente para a vida extraterrestre. Na verdade, a NASA tem um interesse tão forte na lua que está enviando uma espaçonave conhecida como Europa Clipper para investigar o planeta gelado.
No entanto, ao contrário do seu nome, o Europa Clipper não orbitará Europa. Em vez disso, ele girará em torno de Júpiter, um gigante gasoso, para ficar fora do cinturão de radiação destrutivo do planeta. Em 2016, a NASA também colocou sua espaçonave Juno em uma órbita muito elíptica ao redor de Júpiter para evitar a exposição a essa radiação prejudicial. Barthel argumenta que o endurecimento de outros aspectos da futura espaçonave e mais pesquisas sobre células solares tolerantes à radiação podem alterar fundamentalmente como a NASA e outras agências espaciais projetam essas missões. Na lua, células tolerantes a altas radiações que poderiam sobreviver por um mês seriam muito legais, diz Barthel.
Por enquanto, essas células são uma prova de conceito de que designs ultrafinos podem tornar espaçonaves e satélites resistentes à radiação cósmica nociva. É impossível prever quais mundos essas células solares ajudarão a explorar à medida que melhoram.
