Proteção preventiva perante trovoadas elétricas durante o lançamento de veículos espaciais

Os satélites são indispensáveis na vida moderna para uma variedade de funções (previsão do tempo, exploração científica, comunicações de longo alcance, etc.). Os veículos que colocam os satélites em órbita são sensíveis às ameaças de raios naturais e de raios induzidos pelo próprio foguete. Por esta razão, a NASA desenvolveu o conjunto de regras LLCC para avaliar se as condições meteorológicas permitem lançamentos. Desde a sua aplicação, incidentes como os da Apollo 12 e Atlas-Centaur 67 não voltaram a acontecer. Dentro destes critérios, o campo elétrico ambiente desempenha um papel importante, no Kennedy Space Center é medido através de uma rede de moinhos de campo (sensores de campo eletrostático).

A atividade de lançamento de satélites e as missões de exploração espacial estão em contínuo crescimento. Os satélites de comunicação são indispensáveis para a vida moderna e representam um investimento multimilionário. Os satélites são lançados em órbita por veículos de lançamento especificamente concebidos para o efeito. São geralmente foguetes com sistemas de controlo e orientação¹ .

Por outro lado, a exploração espacial é uma área de crescente relevância por razões tecnológicas, científicas, e muitas vezes também políticas. Como resultado, a procura de instalações e programas de lançamento continua a aumentar, tornando-a uma proposta comercial lucrativa¹.

O mau tempo é a principal causa de atrasos e cancelamentos de lançamento. Os veículos de lançamento, bem como os vaivéns espaciais, são sensíveis à ameaça de raios durante o lançamento e o trânsito através da capa inferior da atmosfera. Os foguetes contêm comburentes, combustível, e também electroexplosivos para autodestruição se necessário. Uma trovoada pode, portanto, ter consequências catastróficas em termos de perda de vidas, tempo e custo económico¹ .

A ameaça de trovoadas levou ao desenvolvimento de critérios meteorológicos para mitigar o risco causado por raios durante o lançamento. Estes são conhecidos como Lightning Launch Commiteria Criteria (LLCC). Desde a sua implementação, cerca de 5% dos lançamentos no Cabo Cañaveral/John F. Kennedy Space Center (KSC) foram cancelados e 35% foram adiados².

De facto, a missão orbital Artemis I, programada com lançamento a 29 de agosto de 2022, teve de atrasar o reabastecimento de combustível por causa de tempestades no mar. Após a conclusão da operação de reabastecimento, foram encontrados problemas de temperatura num dos motores dos foguetes. A missão foi novamente adiada várias vezes devido a questões técnicas, mas também devido à presença das tempestades tropicais Ian e Nicole. A missão foi lançada com sucesso a 16 de novembro de 2022.

Em seguida comentamos as regras de lançamento das naves espaciais LLCC da NASA, e a importância dos detetores de campo electroestático para avaliar o risco de raios na área.

Critérios de lançamento da NASA (Lightning Launch Commit Criteria, LLCC)

As LLCC são um conjunto de regras, desenvolvidas pela NASA e outras organizações federais dos EUA, para mitigar o risco de impactos durante o lançamento de naves espaciais. Englobam tanto as descargas naturais como as induzidas por foguetes. A última versão dos LLCC é publicada na norma NASA-STD-4010 de 2017³.

Contudo, os LLCC e as suas definições associadas são continuamente revistas de acordo com os novos conhecimentos e experiência acumulados ao longo dos anos do programa espacial dos EUA⁴.

Embora a ameaça de trovoadas tenha sido considerada na era espacial precoce, até ao lançamento da Apollo 12 em 1969 não se tiveram em conta os raios induzidos pelo próprio veículo a voar através de nuvens altamente eletrificadas que não produzem descargas de forma natural⁴.

No caso da Apollo 12, foram observados raios induzidos durante o primeiro minuto do voo. Estes impactos causaram danos permanentes a sensores não essenciais, bem como falhas temporárias de sistemas críticos. A missão foi concluída com êxito, graças à resolução dos problemas por parte da tripulação. Por causa deste incidente, foram introduzidas novas regras proibindo o voo nas proximidades de trovoadas ou através de certos tipos de nuvens não tormentosas, mas com um risco potencial de electrificação¹.

Em contraste, o foguete Atlas-Centaur 67 (AC 67) de 1987, contendo o satélite Fleetsatcom, sofreu um impacto induzido pela passagem do foguete através de uma nuvem eletrificada. Esta queda de raio provocou a falha do sistema de orientação do veículo. Como resultado de uma rotação não planeada, foram geradas tensões, o foguetão começou a desfazer-se e foi ordenada a sua autodestruição. Os destroços recuperados do Oceano Atlântico confirmaram a ocorrência de um impacto de raio¹.

Contudo, foi determinado que, embora os LLCC em vigor em 1987 fossem deficientes, a principal responsabilidade pela catástrofe residia na avaliação que, se tivesse sido rigorosamente executada, teria impedido a decolagem da AC 67⁵.

A norma NASA-STD-4010 fornece os requisitos técnicos e de engenharia uniformes para procedimentos, práticas e métodos para programas e projetos da NASA. Além disso, a publicação técnica NASA/TP-2016-219439 de 2016 5 fornece a base científica para a norma, embora este documento se baseie nos LLCC em vigor em agosto de 2014, e, portanto, não inclui quaisquer emendas subsequentes que possam ser feitas à norma de 2017.

A exigência de que todos os critérios sejam cumpridos durante o lançamento é fundamental para que os LLCC proporcionem uma segurança real. Isto porque a maioria das regras individuais são concebidas para cobrir apenas um certo tipo de ameaça contando que todos os outros LLCC são cumpridos. Por conseguinte, a avaliação deve ser simultânea para evitar quaisquer riscos conhecidos.⁵.

A maioria dos LLCC refere-se ao raio induzido pelo foguete quando este penetra rapidamente numa região de elevado campo elétrico ambiental ou pelo possível efeito de eletrificação da nuvem de fumo que pode causar um aumento e redistribuição da carga elétrica das nuvens existentes.

O efeito da passagem do foguete através de uma nuvem carregada eletricamente tem certas semelhanças com o funcionamento de um para-raios, onde o campo elétrico da cabeça é intensificado, já que a compressão do campo elétrico em redor do veículo pode causar esta intensificação do campo elétrico até duas ordens de magnitude. Assim, os campos elétricos necessários para causar descargas atmosféricas nestas circunstâncias podem ser cem vezes menores do que os necessários para os raios naturais 2. Uma vez que as descargas induzidas podem ocorrer em nuvens em que não está a ser gerado nenhum raio natural, a previsão torna-se mais complicada⁵.

Contudo, o primeiro dos LLCC refere-se a descargas atmosféricas naturais, uma vez que são o melhor indicador indireto da presença de campos elétricos elevados que podem fazer com que o veículo provoque descargas⁵.

O critério subsequente baseia-se na medição de campos elétricos na superfície terrestre porque, de facto, este parâmetro físico está diretamente relacionado com a carga elétrica da nuvem. Por conseguinte, influência o processo de criação tanto de raios induzidos como de raios naturais. Este critério foi incorporado após o acidente do AC 67, com o objetivo de acrescentar uma camada adicional de proteção aos LLCC para tipos de nuvens⁵. Por esta razão, o equipamento à disposição da KSC inclui uma rede de moinhos de campo que, devidamente calibrados, medem o campo elétrico à superfície da Terra. A própria norma NASA-STD-4010 também fornece diretrizes para a utilização das leituras dos sensores3. Esta rede de moinhos de campo na superfície da Terra é considerada extremamente importante para a segurança do lançamento⁵.

De facto, embora o LLCC relativo ao campo elétrico ambiente não tenha sido incluído no momento do acidente AC 67, se as leituras dos moinhos de campo em funcionamento tivessem sido consideradas, a descolagem não teria sido autorizada⁴,⁵.

Seguindo a regra do campo elétrico, os LLCC incluem vários critérios específicos sobre tipos de nuvens, o último dos quais se refere à triboeletricidade (carga elétrica causada pelo atrito) gerada sobre ou no veículo5 .

ATSTORM®, sistema inteligente de alerta prévio de tempestades elétricas

Os moinhos de campo são dispositivos que medem o campo eletrostático utilizando um obturador rotativo numa placa recetora. Estes dispositivos apresentam normalmente problemas de obstrução, desgaste e avaria, porque o motor elétrico rotativo deve funcionar em modo contínuo^6-8. Em contraste, Aplicaciones Tecnológicas S.A. desenvolveu o sistema de deteção de tempestades ATSTORM® cujo Sensor Eletrométrico de Campo Controlado (SECC®)⁹ é totalmente eletrónico e não tem partes móveis. Isto evita as limitações dos moinhos de campo.

ATSTORM® incorpora outro sensor baseado no campo eletromagnético. Assim, estende a área de monitorização a um raio de 40 quilómetros e permite definir um estado de pré-aviso para as tempestades ativas distantes que se aproximam.

O sistema ATSTORM® é também uma solução inteligente com tecnologia IoT, que se baseia na avaliação das condições na área a proteger e em múltiplos dados que suportam os algoritmos especializados. ATSTORM® determina objetivamente o risco local real, prevenindo assim os riscos profissionais e otimizando os tempos de paragem causados por possíveis trovoadas. Isto é especialmente importante porque, de acordo com dados de 2006, um cancelamento de lançamento poderia custar entre 150.000 a 1 milhão de dólares².

O sistema ATSTORM® recolhe informação em tempo real das unidades de deteção e transfere-a para o servidor seguro AT-CLOUD. Através de algoritmos especializados, estima-se o risco de uma trovoada no local. Isto torna possível reconhecer as condições que requerem um alerta. Os seus algoritmos de aprendizagem contínua são apoiados por mais de 15 anos de experiência acumulada.

Para mais informações sobre ATSTORM® e como a sua tecnologia única o torna o sistema mais avançado do mercado, à frente de qualquer sensor eletrostático ou baseado em campo eletromagnético, por favor contacte os nossos especialistas pelo seguinte link.

Referências

1. Cooray, V. Lightning Protection. (The Institution of Engineering and Technology, 2010).
2. Roeder, W. & McNamara, T. A survey of the Lightning Launch Commit Criteria. in 2nd Conference on Meteorological Applications of Lightning Data 18 (2006).
3. National Aeronautics and Space Administration (NASA). NASA Standard for Lightning Launch Commit Criteria for Space Flight. https://standards.nasa.gov/standard/NASA/NASA-STD-4010 (2017).
4. Merceret, F. J. et al. A History of the Lightning Launch Commit Criteria and the Lightning Advisory Panel for America’s Space Program. 250 https://ntrs.nasa.gov/citations/20110000675 (2010).
5. Willett, J. C. et al. Rationales for the Lightning Launch Commit Criteria. 283 (2016).
6. Aranguren, D. Desempeño de Sensores de Campo Eléctrostático en Sistemas de Alerta de Tormentas. (2011).
7. Torralba, C. et al. Storm detection by static electric field measurements without mobile elements. in 1st International Lightning Protection Symposium (2011).
8. Zhengyu, L. Application of preventive protection in an Oil Basement in China. in International Lightning Protection Symposium (2014).
9. Ruiz, D. et al. A new concept in lightning parameters measurement. J. Electrost. 67, 496–500 (2009).