Quem é um Físico de Plasmas?

Sobre o que é esta área?

Plasmas são um estado da matéria (assim como o estado sólido, líquido e gasoso), que ocorre predominantemente no espaço. Não é, assim, surpreendente ver físicos de plasmas a trabalhar em todos os principais domínios das ciências e engenharias espaciais. Como exemplo, o projecto de uma nave espacial para exploração planetária requer um conhecimento profundo da física de plasmas para a entrada da nave espacial na atmosfera. Isto deve-se ao facto de ser criado um plasma à volta da nave espacial quando esta viaja a grandes velocidades (muito maiores que a velocidade do som) e intersecta a camada atmosférica de um planeta ou lua (como a Terra, Marte, Vénus, Titan, etc.). Neste regime de velocidades hipersónicas, forma-se uma forte onda de choque, aquecendo o gás à volta da nave espacial até milhares de graus, levando à sua ionização (separação dos electrões dos átomos) e formando um plasma de entrada na atmosfera. Este fenómeno também ocorre naturalmente na Natureza no caso das chamadas “estrelas cadentes”. Este plasma quente transfere parte da sua energia para a superfície da nave espacial, pelo que é necessário projectar uma protecção térmica apropriada para manter a integridade estrutural da nave.

A missão de um físico de plasmas de entrada é reproduzir esses plasmas – quer no laboratório quer através de simulações de computador – para melhor compreender a sua física subjacente. Este conhecimento é depois colocado em prática por engenheiros que projectam as naves espaciais, que são, assim, capazes de projectar naves espaciais mais seguras, fiáveis e optimizadas.

O que é que eu faria no dia-a-dia?

Os físicos de plasmas podem ser experimentalistas ou físicos computacionais (às vezes ambos!).

Os experimentalistas vão, entre outras coisas, estudar os efeitos do plasma na protecção térmica da nave espacial. Para isto, eles usam grandes túneis de vento de plasma, onde há plasma aquecido até muitos milhares de graus de forma a testar as condições reais pelas quais a nave espacial passa durante a entrada na atmosfera. Eles podem também controlar grandes tubos de choque, que são instalações com 20m de largura que produzem ondas de choque que viajam a velocidades extremas de mais de 10km/s. Os experimentalistas vão depois implementar diversos diagnósticos avançados para sondar e compreender as propriedades do plasma.

Os físicos computacionais vão desenvolver modelos computacionais complexos para simular as condições do fluxo de plasma hipersónico. Estas simulações são tão complexas que requerem clusters de supercomputadores para as correr. Desde o início, os físicos computacionais interagem com os engenheiros de projecto para dar opiniões sobre o design de naves de exploração planetária e as suas protecções térmicas.

O quanto e o quê eu precisaria de estudar?

É de esperar que vás estudar até ao resto da tua vida! Se gostas de estudar, descobrir e entender física, esta é a carreira certa para ti. Deves começar por obter um mestrado em física ou engenharia aeroespacial, seguido de um doutoramento (Ph.D.).

Onde posso trabalhar?

Os físicos de plasmas são investigadores e trabalham sobretudo em institutos de investigação ou universidades e vão seguir o típico trajecto de carreira académica. Uma vez que a física de plasmas é um tópico científico extenso, um investigador de sucesso nesta área deverá também seguir outros interesses não relacionados com o espaço (como por exemplo, química de plasmas, processamento de materiais, etc.). Também é possível trabalhar no sector privado, sobretudo em grandes empresas do espaço, ou até em empresas de consultadoria que prestam apoio aos funcionários da Agência Espacial Europeia. Deves esperar trabalhar no estrangeiro por longos períodos de tempo ou até permanentemente, visto que a comunidade de investigação em plasmas de entrada na atmosfera é relativamente pequena e está espalhada por várias grandes Universidades e instututos de investigação na Europa.

Esta carreira é para mim, se…

… sempre sonhaste com exploração espacial e em ajudar a humanidade a explorar e colonizar novos planetas.

Um físico de plasmas deve ser:

Curioso e multidisciplinar: A física dos choques induzidos, baixa pressão, plasmas atmosféricos quentes ainda é mal compreendida visto que muitos dos processos físico-químicos ocorrem durante períodos de tempo muito curtos (alguns milissegundos) em que o plasma relaxa para o equilíbrio. Dominar disciplinas tão diversas como a aerodinâmica, termodinâmica, física quântica e química, espectroscopia e diagnósticos de aquisição rápidos, é de extrema importância para atingir um entendimento global das propriedades destes plasmas do espaço.

Um cidadão do mundo: A exploração espacial ainda está na sua infância. Como tal, a quantidade de missões de exploração planeadas pelas diferentes agências espalhadas pelo mundo apenas permite manter equipas científicas relativamente pequenas, embora altamente motivadas, para apoiar os engenheiros aeroespaciais a projectar naves espaciais para exploração planetária. Na Europa, em particular, diferentes laboratórios e instituições de investigação especializam-se em assuntos específicos de física de plasma de entrada na atmosfera, e, ao mesmo tempo, envolvem-se em diálogo com grupos de outras instituições complementares de investigação. Por último, mas não menos importante, colaborações mundiais entre equipas das principais nações exploradoras do espaço (como Europa, EUA, Rússia, Japão, Índia e China) também são comuns. Um físico de plasmas vai encontrar-se com frequência a viajar por toda a Europa e o mundo para encontrar outros investigadores, apresentar os seus resultados em conferências internacionais, ou participar em campanhas de testes de laboratórios parceiros.

Texto informado por Dr. Mario Lino da Silva, Investigador auxiliar em Física de Plasmas do Instituto Superior Técnico.

Imagem: Visão artística da reentrada do veiculo espacial ATV-5 da ESA na atmosfera terrestre; Crédito: ESA–D. Ducros, 2014