Imagine esse cenário. O ano é 2030 ou mais ou menos. Depois de viajar seis meses da Terra, você e vários outros astronautas são os primeiros humanos em Marte. Você está em um mundo alienígena, com poeira vermelha empoeirada, olhando em volta para um monte de equipamentos de mineração depositados por robôs robóticos anteriores.
Ecoando em seus ouvidos estão as palavras finais do controle da missão: “Sua missão, se você aceita aceitá-la, é retornar à Terra - se possível, usando combustível e oxigênio que você extrai das areias de Marte. Boa sorte!"
Parece bastante simples, extrair matérias-primas de um planeta rochoso e arenoso. Fazemos isso aqui na Terra, por que não em Marte também? Mas não é tão simples quanto parece. Nada sobre física granular é.
A física granular é a ciência dos grãos, de grãos de milho a grãos de areia a grãos de café. Essas são substâncias comuns do dia-a-dia, mas podem ser extremamente difíceis de prever. Um momento eles se comportam como sólidos, o próximo como líquidos. Considere um caminhão cheio de cascalho. Quando o caminhão começa a inclinar, o cascalho permanece em uma pilha sólida, até que, em um determinado ângulo, de repente se torna um rio trovejante de rocha.
Compreender a física granular é essencial para projetar máquinas industriais para lidar com grandes quantidades de pequenos sólidos, como areia fina marciana.
O problema é que, mesmo aqui na Terra, "as plantas industriais não funcionam muito bem porque não entendemos equações para materiais granulares, assim como entendemos as equações para líquidos e gases", diz James T. Jenkins, professor de teoria e mecânica aplicada na Universidade Cornell em Ithaca, NY "É por isso que as usinas a carvão operam com baixas eficiências e têm taxas de falha mais altas em comparação com as usinas a combustível líquido ou a gás".
Então, "entendemos o processamento granular bem o suficiente para fazê-lo em Marte?" ele pergunta.
Vamos começar com a escavação: "Se você cavar uma vala em Marte, quão íngremes os lados podem ser e permanecer estáveis sem ceder?" pergunta Stein Sture, professor de engenharia civil, ambiental e arquitetônica e reitor associado da Universidade do Colorado em Boulder. Ainda não há uma resposta definitiva. As camadas de solos empoeirados e rochas em Marte não são bem conhecidas.
Sture destaca que algumas informações sobre a composição mecânica do medidor superior ou mais do solo marciano podem ser obtidas por meio de radares que penetram no solo ou outros dispositivos de sonda, mas muito mais profundos e você "provavelmente precisa colher amostras principais". A sonda Phoenix Mars da NASA (pouso em 2008) poderá cavar trincheiras com cerca de meio metro de profundidade; o Mars Science Laboratory 2009 poderá cortar núcleos de rochas. Ambas as missões fornecerão novos dados valiosos.
Para ir ainda mais fundo, a Sture (em conexão com o Centro de Construção Espacial da Universidade do Colorado) está desenvolvendo escavadeiras inovadoras, cujos negócios terminam vibrando no solo. A agitação ajuda a quebrar os vínculos coesivos que mantêm os solos compactados juntos e também pode ajudar a mitigar o risco de colapso dos solos. Máquinas como essas podem um dia ir para Marte também.
Outro problema são os funis - os funis que os mineradores usam para guiar areia e cascalho nas correias transportadoras para processamento. O conhecimento dos solos marcianos seria vital para projetar as tremonhas mais eficientes e livres de manutenção. "Não entendemos por que os funis atolam", diz Jenkins. Os atolamentos são tão frequentes, de fato, que "na Terra, todo funil tem um martelo por perto". Bater na tremonha libera o congestionamento. Em Marte, onde haveria poucas pessoas para cuidar de equipamentos, você gostaria que os funis funcionassem melhor do que isso. Jenkins e colegas estão pesquisando por que os fluxos granulares atolam.
E ainda há transporte: os rovers Spirit e Opportunity de Mars tiveram poucos problemas para percorrer quilômetros nos locais de pouso desde 2004. Mas esses rovers têm apenas o tamanho de uma mesa de escritório comum e são tão grandes quanto um adulto. São carrinhos de mão em comparação com os enormes veículos possivelmente necessários para transportar toneladas de areia e rocha marciana. Veículos maiores terão mais dificuldade de locomoção.
Sture explica: Desde a década de 1960, quando os cientistas estudavam possíveis rovers movidos a energia solar para negociar areias soltas na Lua e em outros planetas, eles calcularam “que a pressão contínua máxima viável para a pressão de contato rolante sobre solos marcianos é de apenas 0,2 libras por polegada quadrada (psi) ”, especialmente quando se desloca para cima ou para baixo em encostas. Este valor baixo foi confirmado pelo comportamento do Espírito e da Oportunidade.
Uma pressão de contato de rolamento de apenas 0,2 psi “significa que um veículo deve ser leve ou ter uma maneira de distribuir efetivamente a carga para muitas rodas ou trilhos. Reduzir a pressão de contato é crucial para que as rodas não escavem em solo mole ou rompam duricrust [folhas finas de solos cimentados, como a crosta fina na neve soprada pelo vento na Terra] e fiquem presas. "
Esse requisito implica que um veículo para mover cargas mais pesadas - pessoas, habitats, equipamentos - possa ser "uma coisa enorme do tipo Fellini com rodas de 4 a 6 metros de diâmetro", diz Sture, referindo-se ao famoso italiano diretor de filmes surreais. Ou pode ter enormes degraus de metal de malha aberta, como um cruzamento entre retroescavadeiras de construção de rodovias na Terra e o veículo lunar usado durante o programa Apollo na Lua. Assim, veículos rastreados ou com cinto parecem promissores para transportar grandes cargas úteis.
Um desafio final para os físicos granulares é descobrir como manter o equipamento operando nas tempestades de poeira sazonais de Marte. As tempestades marcianas lançam poeira fina pelo ar a velocidades de 50 m / s (100+ mph), percorrendo todas as superfícies expostas, penetrando em todas as fendas, enterrando estruturas expostas, naturais e artificiais, e reduzindo a visibilidade a metros ou menos. Jenkins e outros pesquisadores estão estudando a física do transporte eólico de areia e poeira na Terra, tanto para entender a formação e movimentação de dunas em Marte quanto para determinar quais locais para habitats eventuais podem ser mais bem protegidos dos ventos predominantes ( por exemplo, no mar de pedras grandes).
Voltando à grande questão de Jenkins, "entendemos o processamento granular o suficiente para fazê-lo em Marte?" A resposta inquietante é: ainda não sabemos.
Trabalhar com conhecimento imperfeito é bom na Terra porque, geralmente, ninguém sofre muito com essa ignorância. Mas em Marte, a ignorância pode significar redução da eficiência ou, pior ainda, impedir que os astronautas busquem oxigênio e hidrogênio suficientes para respirar ou usar combustível para retornar à Terra.
Físicos granulares, analisando dados dos veículos espaciais de Marte, construindo novas máquinas de escavação, mexendo em equações, estão fazendo o possível para encontrar as respostas. Tudo faz parte da estratégia da NASA para aprender como chegar a Marte ... e voltar novamente.
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