Por que pousar direto na Lua é tão difícil?

Quando o módulo de pouso robótico Odysseus, no mês passado, se tornou a primeira espaçonave de fabricação americana a pousar na Lua em mais de 50 anos, ele capotou em um ângulo. Isto limitou a quantidade de ciência que poderia fazer na superfície da Lua, porque as suas antenas e painéis solares não estavam apontados nas direções corretas.

Há apenas um mês, outra espaçonave, a Smart Lander for Investigating Moon, ou SLIM, enviada pela agência espacial japonesa, também capotou durante o pouso, caindo de cabeça.

Por que há uma epidemia repentina de espaçonaves girando na Lua como ginastas olímpicas fazendo exercícios de solo? É realmente tão difícil pousar lá em cima?

Na Internet e em outros lugares, as pessoas apontaram a altura do módulo de aterrissagem Odysseus – 14 pés da base do pé de pouso até os painéis solares no topo – como um fator que contribui para sua aterrissagem instável.

Será que a Intuitive Machines, fabricante do Odysseus, cometeu um erro óbvio ao construir a nave estelar desta forma?

Funcionários da empresa oferecem uma justificativa de engenharia para o design longo e fino, mas os comentaristas online têm razão.

Um objeto longo cai mais facilmente do que um objeto curto e grosso. Na Lua, onde a força da gravidade é um sexto da força da gravidade na Terra, a tendência de virar é maior.

Esta não é uma nova constatação. Há meio século, os astronautas da Apollo tiveram a experiência em primeira mão de saltar na superfície da Lua e, por vezes, de cair na Terra.

No site de mídia social X na semana passada, Philip Metzger, ex-engenheiro da NASA que agora é cientista planetário na Universidade da Flórida Central, explicou: Matemática e física Por que é difícil ficar na lua?

“Já fiz as contas e é realmente assustador”, disse Metzger. “O movimento lateral que poderia virar uma sonda deste tamanho é de apenas alguns metros por segundo na gravidade lunar.” (Um metro por segundo, nas unidades americanas comuns, equivale a pouco mais de três quilômetros por hora.)

Há duas partes nesta questão de estabilidade.

O primeiro é a estabilidade estática. Se algo estiver em um grande ângulo, cairá se o centro de gravidade estiver fora das pernas de pouso.

Aqui, verifica-se que o ângulo máximo de inclinação é o mesmo na Terra e na Lua. Seria o mesmo em qualquer mundo, seja ele grande ou pequeno, porque a gravidade anula a equação.

No entanto, a resposta muda se a espaçonave ainda estiver em movimento. Odisseu deveria pousar verticalmente com velocidade horizontal zero, mas devido a problemas com o sistema de navegação, ele ainda estava se movendo lateralmente quando atingiu o solo.

“A intuição baseada no terreno agora é um risco”, disse o Dr. Metzger.

Ele deu o exemplo de tentar empurrar a geladeira para dentro da cozinha. “É tão pesado que mesmo um simples empurrão não consegue empurrá-lo”, disse Metzger.

Mas você o substitui por um pedaço de isopor em forma de geladeira, simulando o peso de uma geladeira real na gravidade lunar, “e então dá um empurrão muito suave”, disse Metzger.

Supondo que a espaçonave permanecesse inteira, ela giraria no ponto de contato onde o pé de pouso toca o solo.

Os cálculos do Dr. Metzger indicaram que, para uma espaçonave como a Odysseus, as pernas de pouso teriam que estar duas vezes e meia mais distantes na Lua do que na Terra para encontrar a mesma quantidade de movimento lateral.

Por exemplo, se um metro e oitenta de largura é suficiente para pousar no chão com velocidade horizontal máxima, a distância entre as pernas deve ser de 4,5 metros para que você não vire para a lua na mesma velocidade lateral.

Para simplificar o design, as pernas de pouso do Odysseus não se dobraram, e o diâmetro do foguete SpaceX Falcon 9 que o elevou ao espaço limitou a distância que as pernas de pouso poderiam ser implantadas.

“Portanto, na Lua, é necessário projetar para manter as velocidades laterais muito baixas no pouso, muito mais baixas do que se o veículo pousasse na gravidade da Terra”, escreveu o Dr. Metzger no X.

Também me perguntei como seria o módulo de pouso quando visitei a sede e a fábrica da Intuitive Machines em Houston, em fevereiro do ano passado.

“Por que tão alto?” Perguntei.

Steve Altemus, CEO da Intuitive Machines, respondeu que eram os tanques que continham o metano líquido e o combustível de oxigênio líquido da espaçonave.

O oxigênio pesa duas vezes mais que o metano, portanto, se o tanque de oxigênio tivesse sido colocado próximo ao tanque de metano, o módulo de pouso ficaria desequilibrado. Em vez disso, os dois tanques foram empilhados um em cima do outro.

“Isso criou essa altura”, disse Altemus.

Scott Manley, que comenta sobre os Rockets X E YouTubeobservou que Altimus liderou o desenvolvimento de um módulo de pouso mais curto e invasor quando estava na NASA, há uma década.

Este módulo de teste, chamado Morpheus, também usava metano e oxigênio como combustível, mas os tanques foram configurados em pares para manter o peso equilibrado. Nunca foi feito para voar para o espaço.

Em uma entrevista, Manley disse que o projeto também teria funcionado para o módulo de pouso Intuitive Machines, mas teria tornado a espaçonave mais pesada e complexa.

Se a espaçonave precisasse de dois tanques de metano e dois tanques de oxigênio, a estrutura da espaçonave teria que ser maior e mais pesada. Os tanques também serão mais pesados.

“Você tem mais área de superfície, então há mais superfície para isolamento”, disse Manley. Ele acrescentou que também seriam necessários “mais encanamentos, mais válvulas, mais coisas que poderiam dar errado”.

Para um local de pouso na região Antártica, a altura de Odisseu oferecia outra vantagem. Na parte inferior da Lua, a luz solar brilha em ângulos baixos, criando longas sombras. Se Odisseu tivesse permanecido em pé, os painéis solares no topo da espaçonave teriam ficado mais tempo fora das sombras, gerando mais energia para a missão.

Durante a visita à Intuitive Machines, Tim Crane, diretor de tecnologia da empresa, disse que a espaçonave foi projetada para permanecer em pé ao pousar mesmo em uma inclinação de 10 graus ou mais. O software de navegação está programado para procurar um local com inclinação de cinco graus ou menos.

Como os instrumentos laser usados ​​no Odysseus para medir a altitude não funcionaram durante a descida, a nave espacial desceu mais rápido do que o planeado numa inclinação de 12 graus. Isso ultrapassou seus limites de design. Odisseu deslizou pelo telhado, quebrando uma das seis pernas e caindo de lado.

Se os lasers estivessem funcionando, “teríamos conseguido pousar”, disse Altimos durante uma entrevista coletiva na semana passada.

As mesmas preocupações se aplicarão à enorme espaçonave da SpaceX, que levará dois astronautas da NASA à superfície da Lua em 2026.

A espaçonave, que tem a altura de um prédio de 16 andares, deve descer totalmente na vertical e evitar grandes declives. Mas esses desafios precisam ser desafios de engenharia solucionáveis, disse o Dr. Metzger.

“Isso elimina parte da margem de erro da sua estabilidade dinâmica, mas não remove toda a margem de erro”, disse o Dr. Metzger sobre o módulo de pouso mais longo. “A quantidade de margem restante é administrável, desde que os outros sistemas da espaçonave estejam funcionando.”