NASA mostra liga exótica que garantirá estabilidade dos futuros telescópios

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/07/2025

Os longos suportes pretos que seguram o espelho secundário do telescópio Nancy Grace Roman contribuirão com aproximadamente 30% do erro da frente de onda, enquanto a estrutura de suporte maior abaixo do espelho primário contribuirá com outros 30%.
[Imagem: NASA]

Estabilidade dos telescópios

Fabricar telescópios espaciais, como o James Webb e o futuro Nancy Grace Roman, vem exigindo o desenvolvimento de inúmeras tecnologias, sendo uma das cruciais as ligas metálicas de baixa expansão termal, capazes de suportar os rigores do espaço e dar uma estabilidade suficiente para eliminar os mínimos tremores do próprio telescópio.

São as chamadas ligas invar, materiais cujas dimensões não variam significativamente em função da temperatura. São ligas de baixíssima expansão termal, fabricadas sobretudo a partir de ferro e níquel.

Mas as ligas invar atuais não são boas o bastante para a nova geração de telescópios espaciais, como o Observatório de Mundos Habitáveis.

Por exemplo, ao tentar medir a luz que atravessa a atmosfera de um exoplaneta, ou é refletida ou emitida pela superfície do planeta, os telescópios precisam medir a intensidade e o espectro (ou seja, a cor) da luz para detectar mudanças na luz causadas por gases na atmosfera. Ao analisar esses padrões, é possível determinar os tipos de gases presentes na atmosfera do exoplaneta.

Acontece que, para detectar exoplanetas habitáveis, o Observatório dos Mundos Habitáveis precisará de uma taxa de contraste de um para um bilhão (1:1.000.000.000). E alcançar esta relação de contraste extrema exigirá um telescópio que seja 1.000 vezes mais estável do que os observatórios espaciais de última geração, como o Webb e o Nancy Roman.

A boa notícia é que a NASA já tem a liga metálica necessária para isso. E é uma liga metálica que pode seguramente ser chamada de exótica, indo muito além das tradicionais ligas invar.

Enquanto outros materiais se expandem quando aquecidos e se contraem quando resfriados, a liga allvar 30 apresenta uma expansão térmica negativa, o que pode compensar a expansão térmica de outros materiais. A deformação térmica em função da temperatura é mostrada para o alumínio 6061, o aço inoxidável A286, o titânio 6Al-4V, a Invar 36 e a liga allvar 30.
[Imagem: Nasa/Allvar]

Expansão térmica negativa

Indo na contramão do que normalmente se espera dos metais, a nova liga, batizada de allvar, encolhe quando é aquecida e se expande quando é resfriada, uma propriedade conhecida como expansão térmica negativa.

Como ela encolhe quando outros materiais se expandem, a allvar poderá ser usada para compensar estrategicamente a expansão e a contração de outros materiais. Os cálculos indicam que a integração da liga nos pontos certos dos telescópios poderá melhorar a estabilidade térmica em até 200 vezes em comparação com o uso de materiais tradicionais como alumínio, titânio, polímeros reforçados com fibra de carbono ou mesmo a liga invar tradicional de níquel-ferro.

Por exemplo, a liga allvar apresenta um coeficiente de expansão térmica de -30 ppm/°C à temperatura ambiente. Isso significa que uma peça de 1 metro de comprimento dessa liga encolherá 0,003 mm para cada aumento de 1 °C na temperatura - para comparação, o alumínio expande a +23 ppm/°C.

Isso deverá ser suficiente para alcançar a estabilidade na faixa dos 10 picômetros ao longo de várias horas, necessária para o Observatório de Mundos Habitáveis - 10 picômetros equivale a aproximadamente 1/10 do diâmetro de um átomo.

O conjunto hexápode com seis suportes allvar apresentou uma estabilidade recorde.
[Imagem: ALLVAR/Simon F. Barke]

Quase lá

Para demonstrar que ligas de expansão térmica negativa podem permitir estruturas ultraestáveis, a equipe do Centro de Voos Espaciais Marshall desenvolveu uma estrutura hexapodal para separar dois espelhos feitos de um material vitrocerâmico comercialmente disponível, com propriedades de expansão térmica ultrabaixa.

Uma liga invar foi ligada aos espelhos e flexões feitas de uma liga de titânio comumente usada em aplicações aeroespaciais (Ti₆Al₄V). Para compensar os coeficientes de expansão térmica positivos dos componentes de invar e da liga de titânio, um tubo allvar foi usado entre as flexões de Ti₆Al₄V para criar as escoras que separam os dois espelhos.

A expansão térmica positiva natural dos componentes de invar e titânio foi compensada pela expansão térmica negativa das escoras da nova liga de expansão térmica negativa, resultando em uma estrutura com expansão térmica efetiva zero. A estrutura hexápode apresentou uma estabilidade bem abaixo da meta esperada para o teste, de 100 pm/√Hz (picômetros por raiz quadrada de Hertz), chegando a 11 pm/√Hz, bem próxima à estabilidade de 10 pm necessária para o futuro Observatório de Mundos Habitáveis. Mas há tempo para melhorias, porque os planos são de que o novo telescópio entre em operação no início dos anos 2040.

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