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 secund�rio do telesc�pio Nancy Grace Roman contribuir�o com aproximadamente 30% do erro da frente de onda, enquanto a estrutura de suporte maior abaixo do espelho prim�rio contribuir� com outros 30%.
[Imagem: NASA]

Estabilidade dos telesc�pios

Fabricar telesc�pios espaciais, como o James Webb e o futuro Nancy Grace Roman, vem exigindo o desenvolvimento de in�meras tecnologias, sendo uma das cruciais as ligas met�licas de baixa expans�o termal, capazes de suportar os rigores do espa�o e dar uma estabilidade suficiente para eliminar os m�nimos tremores do pr�prio telesc�pio.

S�o as chamadas ligas invar, materiais cujas dimens�es n�o variam significativamente em fun��o da temperatura. S�o ligas de baix�ssima expans�o termal, fabricadas sobretudo a partir de ferro e n�quel.

Mas as ligas invar atuais n�o s�o boas o bastante para a nova gera��o de telesc�pios espaciais, como o Observat�rio de Mundos Habit�veis.

Por exemplo, ao tentar medir a luz que atravessa a atmosfera de um exoplaneta, ou � refletida ou emitida pela superf�cie do planeta, os telesc�pios precisam medir a intensidade e o espectro (ou seja, a cor) da luz para detectar mudan�as na luz causadas por gases na atmosfera. Ao analisar esses padr�es, � poss�vel determinar os tipos de gases presentes na atmosfera do exoplaneta.

Acontece que, para detectar exoplanetas habit�veis, o Observat�rio dos Mundos Habit�veis precisar� de uma taxa de contraste de um para um bilh�o (1:1.000.000.000). E alcan�ar esta rela��o de contraste extrema exigir� um telesc�pio que seja 1.000 vezes mais est�vel do que os observat�rios espaciais de �ltima gera��o, como o Webb e o Nancy Roman.

A boa not�cia � que a NASA j� tem a liga met�lica necess�ria para isso. E � uma liga met�lica que pode seguramente ser chamada de ex�tica, indo muito al�m das tradicionais ligas invar.

Enquanto outros materiais se expandem quando aquecidos e se contraem quando resfriados, a liga allvar 30 apresenta uma expans�o t�rmica negativa, o que pode compensar a expans�o t�rmica de outros materiais. A deforma��o t�rmica em fun��o da temperatura � mostrada para o alum�nio 6061, o a�o inoxid�vel A286, o tit�nio 6Al-4V, a Invar 36 e a liga allvar 30.
[Imagem: Nasa/Allvar]

Expans�o t�rmica negativa

Indo na contram�o do que normalmente se espera dos metais, a nova liga, batizada de allvar, encolhe quando � aquecida e se expande quando � resfriada, uma propriedade conhecida como expans�o t�rmica negativa.

Como ela encolhe quando outros materiais se expandem, a allvar poder� ser usada para compensar estrategicamente a expans�o e a contra��o de outros materiais. Os c�lculos indicam que a integra��o da liga nos pontos certos dos telesc�pios poder� melhorar a estabilidade t�rmica em at� 200 vezes em compara��o com o uso de materiais tradicionais como alum�nio, tit�nio, pol�meros refor�ados com fibra de carbono ou mesmo a liga invar tradicional de n�quel-ferro.

Por exemplo, a liga allvar apresenta um coeficiente de expans�o t�rmica de -30 ppm/�C � temperatura ambiente. Isso significa que uma pe�a de 1 metro de comprimento dessa liga encolher� 0,003 mm para cada aumento de 1 �C na temperatura - para compara��o, o alum�nio expande a +23 ppm/�C.

Isso dever� ser suficiente para alcan�ar a estabilidade na faixa dos 10 pic�metros ao longo de v�rias horas, necess�ria para o Observat�rio de Mundos Habit�veis - 10 pic�metros equivale a aproximadamente 1/10 do di�metro de um �tomo.

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

Quase l�

Para demonstrar que ligas de expans�o t�rmica negativa podem permitir estruturas ultraest�veis, a equipe do Centro de Voos Espaciais Marshall desenvolveu uma estrutura hexapodal para separar dois espelhos feitos de um material vitrocer�mico comercialmente dispon�vel, com propriedades de expans�o t�rmica ultrabaixa.

Uma liga invar foi ligada aos espelhos e flex�es feitas de uma liga de tit�nio comumente usada em aplica��es aeroespaciais (Ti₆Al₄V). Para compensar os coeficientes de expans�o t�rmica positivos dos componentes de invar e da liga de tit�nio, um tubo allvar foi usado entre as flex�es de Ti₆Al₄V para criar as escoras que separam os dois espelhos.

A expans�o t�rmica positiva natural dos componentes de invar e tit�nio foi compensada pela expans�o t�rmica negativa das escoras da nova liga de expans�o t�rmica negativa, resultando em uma estrutura com expans�o t�rmica efetiva zero. A estrutura hex�pode apresentou uma estabilidade bem abaixo da meta esperada para o teste, de 100 pm/√Hz (pic�metros por raiz quadrada de Hertz), chegando a 11 pm/√Hz, bem pr�xima � estabilidade de 10 pm necess�ria para o futuro Observat�rio de Mundos Habit�veis. Mas h� tempo para melhorias, porque os planos s�o de que o novo telesc�pio entre em opera��o no in�cio dos anos 2040.

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