A sonda messenger

A sonda MESSENGER é uma missão não tripulada da NASA, gerenciada pelo Jet Propulsion Laboratory – JPL, destinada a estudar as características e o ambiente do planeta Mercúrio. Especificamente, os objetivos científicos da missão são os de caracterizar a composição química da superfície de Mercúrio, a sua história geológica, a natureza do seu campo magnético, o tamanho e o estado do núcleo planetário, pesquisar seus pólos e a natureza da sua exosfera e da sua magnetosfera, numa missão orbital de um ano terrestre de duração.

MESSENGER é um acrônimo em inglês de MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging (“Superfície, Ambiente Espacial, Geoquímica e [Amplitude de] Órbita de Mercúrio”).

A sonda MESSENGER foi lançada ao espaço em 3 de Agosto de 2004, a bordo de um foguete Boeing Delta II, do Cabo Canaveral, na Flórida, Estados Unidos.

A missão MESSENGER é a segunda dirigida a Mercúrio pela NASA, e a primeira em 30 anos. O planeta foi visitado anteriormente apenas pela sonda Mariner 10, que orbitou o planeta três vezes num período de dois anos, em 1974 e 1975, e obteve dados detalhados sobre menos da metade de sua superfície.

Em julho de 2008, os cientistas da missão foram surpreendidos com a descoberta de água na exosfera do planeta, através da análise de dados enviados pela sonda, quando ela fez sua primeira passagem próxima a Mercúrio em janeiro. Além disso, os dados da MESSENGER enviaram provas de vulcanismo na superfície, com a descoberta de ejecta proveniente de lava vulcânica, através das imagens de alta definição da sonda e a evidência da existência de um núcleo líquido em Mercúrio.

Questões sobre Mercúrio

A equipe de ciência da sonda MESSENGER espera obter respostas a algumas intrigantes questões:

1. Tal como os demais planetas internos do Sistema Solar, Mercúrio tem um denso núcleo rico em ferro, envolvido por um manto constituído de magnésio e silicatos ferrosos (rocha). Durante a história inicial do planeta, os silicatos deslocaram-se para a superfície formando a crosta do planeta, enquanto o ferro desceu para o núcleo. A densidade de cada planeta reflete exatamente este balanço entre um núcleo rico em ferro e a crosta rica em silicatos. Mercúrio tem um núcleo incrivelmente denso, além de enorme. O núcleo da Terra tem um diâmetro estimado em 6.972 km (somando-se os núcleos externo e interno), perfazendo 54,8% do diâmetro planetário total de 12.714 km; já o núcleo de Mercúrio é estimado em cerca de 3.600 km de diâmetro, correspondentes a 73,8% do diâmetro do planeta, que é de 4.879 km. O núcleo compõe cerca de 65% de toda a massa de Mercúrio. Sua alta densidade faz com que o campo gravitacional de Mercúrio seja comparável ao de Marte, que é um planeta bem maior. Como pôde surgir um núcleo tão incrivelmente denso para um planeta do seu tamanho?
2. Certas formações geológicas de Mercúrio são bastante enigmáticas. Planos suaves relativamente “jovens” estão cercados por antigas crateras. Fotos obtidas pela sonda Mariner 10 sugerem que a superfície apresenta uma composição variada. A formação rochosa denominada Caloris tem cerca de 1.300 quilômetros de extensão e contém montanhas elevadas de uns 3.000 metros de altura que parecem ter sido formadas pelo impacto de um meteoro, cujas ondas de choque seriam responsáveis por uma região de solo caótico, situado no lado oposto do planeta. Um dos objetivos da sonda MESSENGER é conhecer mais sobre o passado geológico deste planeta.
3. Mercúrio é o único planeta além da Terra que comprovadamente tem um campo magnético. Ele é cerca de 100 vezes mais fraco que o campo da Terra medido na superfície. O campo magnético da Terra é criado pela movimentação do seu fluido interno, mas o núcleo de Mercúrio é menor do que da Terra e ele já teria se esfriado e se solidificado. A topografia de Mercúrio sugere que ao se esfriar o núcleo tenha se contraído e sua superfície tenha sido enrugada. Sem ter movimento de fluido no núcleo, como o campo magnético é gerado?
4. No início da década de 90, utilizando radares, os cientistas observaram que crateras localizadas no pólos do planeta refletiam vigorosamente pulsos de ondas de rádio. Alguns cientistas sugeriram que a reflexão fosse devida ao gelo. E em certas regiões de Mercúrio a temperatura na sua superfície pode atingir 450 graus Celsius. Como o planeta apresenta uma rotação quase que perpendicular ao seu equador, o piso de certas crateras situadas nos pólos nunca é atingido por raios de sol, fazendo com que o seu interior seja sempre mantido frio. Um dos objetivos da sonda é procurar saber qual substância está no interior destas crateras.
5. Mercúrio é rodeado por uma tênue atmosfera. Porém, suas moléculas não colidem entre si, mas pulam de um lugar para outro na atmosfera, como bolas de borracha. Os elementos que compõem sua atmosfera são o hidrogênio, o hélio, o oxigênio, o sódio, o potássio e o cálcio. O hidrogênio e o hélio vêm principalmente do Sol; uma parte do hidrogênio e do hélio também deve vir de cometas que caíram em Mercúrio, e as outras substâncias das rochas situadas na superfície do planeta. A sonda deverá estudar como esses elementos foram postos na exosfera do planeta. Como essa volatilidade é importante para Mercúrio ?

[editar] A sonda

O corpo principal da sonda mede 1,42 metro de altura, 1,85 metro de largura e 1,27 metro de profundidade. Seu guarda-sol frontal (sunshade) é constituído de pastilhas de cerâmica semelhantes às utilizadas no Ônibus Espacial; ele tem 2,5 metros de altura por 2 metros de comprimento. Lateralmente, foram montadas duas “asas” que constituem seus painéis solares, fazendo a sonda ter seis metros de comprimento de uma ponta a outra.

A massa da sonda quando do lançamento era de aproximadamente 1.100 quilogramas, incluindo 600 quilogramas de propelente e 500 quilogramas de massa da sonda propriamente dita e de seus instrumentos.

A sonda obtém energia através de painéis solares de 1,5 por 1,65 metro, constituídos de células solares de arseneto de gálio, que geram uma energia de 385 a 485 watts durante sua fase de cruzeiro e 650 watts quando em órbita de Mercúrio. Esses painéis alimentam uma bateria de níquel-metal-hidreto (NiMH) com 23 ampères-hora de carga.

Sua propulsão é feita através de um bipropelente constituído de hidrazina e tetróxido de nitrogênio, para ações de grande empuxo; 16 empuxadores alimentados a hidrazina servem para pequenos ajustes de trajetória e para o controle de altitude.

Seus instrumentos científicos são: uma câmera grande angular e outra teleobjetiva, um espectrômetro de raios gama e de nêutrons, um espectrômetro de raios-X, um espectrômetro de partículas de alta energia e de plasma. Um espectrômetro de análise da composição da atmosfera e da superfície, um magnetômetro, um altímetro a laser e um experimento de rádio.

O “cérebro” da sonda é composto por um módulo eletrônico integrado que hospeda dois sistemas compostos por um microprocessador de 25 MHz cada um, mais um processador de 10 MHz para proteção contra falhas. O modelo dos processadores é o IBM RAD 6000, projetado para ser resistente à radiação. Esse processador é semelhante ao IBM POWER1, que equipava os primeiros modelos do microcomputador Macintosh.

Para o controle da altitude, a sonda deve saber para onde está apontando. Ela fará então o uso de balizadores de estrelas, uma unidade de medida inercial, composta por quatro giroscópios e quatro acelerômetros, mais seis sensores solares que funcionarão como unidades redundantes.

O controle de altitude é feito por meio de quatro rodas de reação situadas dentro da sonda, auxiliadas quando necessário por pequenos empuxadores. A MESSENGER deverá receber comandos e enviar dados primariamente por meio de uma antena de polarização circular operando na banda X da faixa de microondas.

A sonda MESSENGER foi construída para suportar o intenso calor em Mercúrio. Lá o Sol é cerca de 11 vezes mais brilhante que na Terra e a temperatura na superfície pode chegar a 450 graus Celsius, mas a MESSENGER deverá operar numa temperatura ambiente terrestre, possibilitada por um escudo térmico constituído de revestimento cerâmico.

Sua estrutura básica é composta de grafite-epóxi. Este material composto fornece a rigidez necessária à sonda para sobreviver ao lançamento, oferecendo a menor massa possível.

O custo da missão é de 427 milhões de dólares, incluindo a sonda, o desenvolvimento de seus instrumentos e do veículo lançador, os operadores da missão e a análise dos dados coletados.

[editar] Lançamento e viagem até Mercúrio
Lançamento da sonda.
Lançamento da sonda.

O lançamento da sonda estava previsto para ocorrer em uma janela de lançamento de 12 dias, que se iniciaria em 11 de maio de 2004. Mas a NASA anunciou em 26 de março de 2004, que a janela começaria em 30 de julho de 2004, com uma duração de 15 dias. Esta mudança na data de lançamento obrigou a uma mudança na trajetória que a sonda deveria seguir e atrasou sua chegada a Mercúrio em cerca de dois anos.

No seu novo plano de vôo, a sonda percorreu 7,9 bilhões de quilômetros, que incluíram 15 voltas em torno do Sol. A sonda MESSENGER fez seis assistências gravitacionais antes de chegar a Mercúrio. A primeira manobra foi feita com o auxílio da gravidade da Terra, logo após o lançamento. Houve ainda mais duas manobras com a ajuda de Vênus, em outubro de 2006 e junho de 2007.

A primeira aproximação de Mercúrio ocorreu em janeiro de 2008; outras ocorrerão em outubro de 2008 e setembro de 2009. Essas orbitações servirão como ajustes finos para que a sonda possa obter dados, entrando finalmente em órbita do planeta em março de 2011. Originalmente, a sonda deveria orbitar Mercúrio em 2009.

[editar] Foguete lançador

O sonda MESSENGER decolou na plataforma de lançamento 17B do Cabo Canaveral, através de um foguete descartável de três estágios da Boeing, em 2 de agosto de 2004, quando ocorreu uma janela de lançamento de 13 dias de duração. Este foguete foi um Delta II 7925-H (heavy lift), um modelo largamente utilizado nas missões do Programa Discovery.

O primeiro estágio utilizou um motor principal da Rocketdyne, modelo RS-27A, utilizando o propelente líquido RP-1, uma mistura de querosene com oxigênio líquido. O motor principal foi auxiliado por nove propulsores usando propelente sólido (hidroxil-polibutadieno).

O segundo estágio foi ativado por um motor da Aerojet, modelo AJ10-118K. Este motor utilizou um propelente líquido, o Aerozine 50, uma mistura de hidrazina com dimetil-hidrazina, reagindo com o tetróxido de nitrogênio como oxidante.

Um motor Star-48B, da Thiokol, forneceu o empuxo para o terceiro estágio. O motor utilizou um propelente sólido baseado no perclorato de amônio. O terceiro estágio conduziu a sonda para uma órbita heliocêntrica.

[editar] Inserção e orbitação

Por um ano a sonda MESSENGER deverá operar em uma órbita bastante elíptica em torno de Mercúrio. No seu ponto mais próximo do planeta, a sonda estará a uma altitude de 200 km, e no ponto mais afastado, a 15.193 km de distância. O plano da órbita será de 80 graus de inclinação em relação ao plano equatorial de Mercúrio.

A sonda deverá orbitar Mercúrio duas vezes a cada 24 horas e levará oito horas para se comunicar com a Terra. A sonda deverá gastar apenas 25 minutos a cada 12 horas de orbitação, sobrevoando a superfície escaldante do planeta em baixa altitude.

Em um período de 12 meses da Terra, a sonda deverá cobrir dois dias solares de Mercúrio. Um dia de Mercúrio é igual a 176 dias na Terra. A sonda foi programada para, no primeiro dia de Mercúrio, mapear o planeta, e no segundo dia, utilizar seus instrumentos científicos de pesquisa.

Enquanto a sonda MESSENGER estiver circundando Mercúrio, a radiação e a gravidade do Sol deverão afetar a trajetória da sonda. Uma vez por ano de Mercúrio (igual a 88 dias da Terra), seus foguetes serão acionados para reposicionar a sonda em sua órbita original.

[editar] Comunicações

A sonda MESSENGER utiliza a banda X da faixa de microondas para se comunicar, através de duas antenas de alto ganho. Duas pequenas antenas de médio ganho e mais quatro antenas de baixo ganho. Todas as antenas são fixas e podem eletronicamente dirigir seus sinais sem necessitar mover partes da antena. Durante suas operações normais, pelo menos uma ou duas antenas estarão apontadas para a Terra.

[editar] Instrumentos da Sonda
A primeira imagem de Mercúrio feita pela sonda MESSENGER, a 27,000 km.
A primeira imagem de Mercúrio feita pela sonda MESSENGER, a 27,000 km.

* Mercury Dual Imaging System (MDIS): Este instrumento consiste em um sistema de imagem composto por uma câmera grande angular e por outra câmera teleobjetiva, para fotografar a superfície de Mercúrio.
* Gamma-Ray and Neutron Spectrometer (GRNS): Este instrumento deverá detectar os raios gama e os nêutrons emitidos pelas substâncias radioativas da superfície de Mercúrio ou por elementos que sejam estimulados pelos raios cósmicos. Ele será usado para mapear a abundância ou os diferentes elementos da superfície e deverá ajudar a determinar se existe gelo nos pólos de Mercúrio, uma vez que eles nunca recebem diretamente a luz do Sol.
* X-Ray Spectrometer (XRS): Os raios gama e os raios X de alta energia provenientes do Sol que atingem a superfície de Mercúrio podem forçar certos elementos de sua superfície a emitirem raios X de baixa energia. O XRS deverá medir esses raios e a partir deles, medir a abundância dos vários elementos que compõem a crosta de Mercúrio.
* Magnetometer (MAG): Este instrumento, situado na extremidade de uma antena de 3,6 metros de comprimento, deverá mapear o campo magnético de Mercúrio e procurar por regiões que contenham rochas magnetizadas na sua crosta.
* Mercury Laser Altimeter (MLA): Este instrumento emitirá um raio laser que será enviado à superfície de Mercúrio; um sensor o captará após a sua reflexão na superfície do planeta. Ele deverá medir o tempo que a luz levará para ir e voltar. Assim, poderá ser feita uma detalhada descrição da superfície de Mercúrio.
* Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer (MASCS): Este espectrômetro é sensível à luz infravermelha e ultravioleta, e deverá medir a abundância dos gases na atmosfera, bem como detectar as variações dos minerais na superfície de Mercúrio.
* Energetic Particle and Plasma Spectrometer (EPPS): O EPPS medirá a composição, a distribuição e as mudanças de energia das partículas (elétrons e vários íons) da magnetosfera de Mercúrio.
* Radio Science (RS): O RS deverá usar o efeito Doppler para medir com precisão as alterações de velocidade da sonda nas órbitas de Mercúrio. Isso permitirá estudar a distribuição da massa de Mercúrio, incluindo as variações da espessura de sua crosta.

[editar] Missões futuras

A sonda MESSENGER poderá futuramente ter a companhia de uma sonda denominada BepiColombo, construída em cooperação entre a Agência Espacial Européia – (ESA) e a Agência Japonesa de Exploração Aeroespacial (JAXA). As duas agências têm programado um lançamento para 2012, em que duas sondas seriam colocadas em órbita de Mercúrio. Uma sonda mapearia o planeta e a outra mapearia a magnetosfera.

A missão recebeu o nome em homenagem ao matemático e engenheiro italiano Giuseppe (Bepi) Colombo (1920-1984), que determinou para a NASA a trajetória que a sonda Mariner 10 deveria seguir para orbitar Mercúrio por três vezes.

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