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Medição de Dureza em Astrogeologia - Um Estudo Prévio

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Medição de Dureza em Astrogeologia - Um Estudo Prévio

Ana Catarina Moura Loureiro Costa Dissertação de Mestrado

Orientador: Professor Fernando Gomes de Almeida Coorientadora INESC TEC CRAS: Doutora Ana Pires

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

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(…) we were true scientific explorers. We were looking at things that human beings had never seen before, or if they’d seen them, they weren’t thinking about them in terms of understanding our Earth, and our Solar System, and indeed the Universe (…) Harrison Schmidt (Field Geologist and NASA Astronaut, Apollo 17)

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Resumo

A exploração do espaço é um fator chave na evolução tecnológica, uma excelente ferramenta para construir e manter pontes de cooperação internacional e, em geral, fascina e inspira a sociedade. Nesse sentido, a ESA e a NASA, juntamente com importantes empresas internacionais, mostraram o seu interesse em desenvolver estruturas em ambientes extremos, engenharia espacial, construção e arquitetura para a Lua, Marte e mais além. Adicionalmente, a mineração espacial e a exploração de recursos minerais estão mais perto do que nunca de se tornarem uma realidade. Esta dissertação enfatiza a importância da geologia planetária, bem como da avaliação geotécnica e geomecânica da Lua, Marte, Vénus, cometas e asteroides. O trabalho aqui apresentado baseou-se nos desenvolvimentos científicos no âmbito do Projeto PoSSUM (Ciência Suborbital Polar na Alta Mesosfera), apoiado pelo Programa de Oportunidades de Voo da NASA. As investigações foram fundamentadas com dados do curso sobre “Geologia de campo planetário e desenvolvimento de ferramentas extraveiculares”, que decorreu no Arizona (EUA), num dos locais mais interessantes análogos na Terra, onde os astronautas da NASA também realizam os seus treinos espaciais e trabalhos de campo. Para além disso, foi possível participar no curso sobre “Avaliação do fato espacial em microgravidade” em Ottawa (Canadá), e realizar uma experiência dentro de um FALCON20 para medir a dureza de rochas sedimentares e vulcânicas (amostras recolhidas no Arizona) utilizando o equipamento Equotip (PROCEQ®). O desenvolvimento deste projeto contou com

o apoio do Centro de Robótica e Sistemas Autónomos do INESC TEC do ISEP. Esta dissertação consiste no estudo e comparação de diferentes métodos existentes, de forma a selecionar o equipamento de medição de dureza não destrutivo mais adequado, capaz de avaliar a resistência de rochas em ambiente espacial. O equipamento Equotip mostrou-se a alternativa mais adequada, apresentando uma ampla gama de valores de Resistência à Compressão Axial (RCA), permitindo testar rochas, solos ou componentes metálicos em sondas. Estudando o princípio de ressalto e reconhecendo que o resultado é afetado pela variação da gravidade, tornou-se fundamental propor uma solução para o compensar, com base em trabalhos anteriores da PROCEQ® relacionados com a alteração da direção de impacto. O trabalho incluiu o

desenvolvimento de dois modelos 3D projetados no software SolidWorks® (versão 2019 e

licença FEUP) que integraram o Equotip: (1) num sistema multirobótico Rover; e (2) num fato espacial para atividades extraveiculares. Os resultados preliminares da experiência de medição de dureza em rocha realizada no Canadá, permitiram avaliar o comportamento do equipamento em microgravidade e gravidade lunar em cinco parábolas, fornecendo indicações consistentes para a futura integração num sistema georobótico. Em termos de conclusões gerais, foi possível reconhecer que o Equotip é um equipamento totalmente pronto e capaz de cooperar em missões espaciais. No entanto, é necessário modelar pormenorizadamente o seu princípio de operação, a fim de inferir uma abordagem aos valores medidos e, futuramente, validar os dados empiricamente nas próximas campanhas de microgravidade.

Palavras-chave: Astrogeologia, Medição de Dureza, Equotip, Resistência à Compressão Uniaxial das Rochas, Compensação da Gravidade, Rover, Fato Espacial, Atividades Extraveiculares, Exploração Espacial.

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Hardness Measurement in Astrogeology - a Preliminary Study

Abstract

Space exploration is a key factor in technological evolution, an excellent tool for building and holding bridges of international cooperation and, in general, fascinates and inspires the society. In this sense, both ESA and NASA, along with important international companies, have shown their interest in building structures in challenging environments, space engineering, construction, and architecture for Moon, Mars, and beyond. Moreover, space mining and the exploitation of mineral resources is closer than ever to becoming a reality. This dissertation draws the attention for the importance of planetary geology, as well as geotechnical and geo-mechanical evaluation of the Moon, Mars, Venus, comets, and asteroids. The work presented herein was based on the scientific work developed within the scope of the PoSSUM (Polar Suborbital Science in the Upper Mesosphere) Project, supported by NASA’s Flight Opportunities Program. The investigations were established during the course about “Planetary Field Geology and EVA Tool Development”, which took place in Arizona (USA), one of the most interesting analogous places on Earth where NASA astronauts also prepare their space trainings and fieldwork. Additionally, it was possible to participate in the “Microgravity Spacesuit Evaluation” course in Ottawa (Canada), and carried out an experiment inside a FALCON20 to measure the hardness of sedimentary and volcanic rocks (samples collected in Arizona) using Equotip equipment (PROCEQ®). The development of this research was possible

with the support of Centre for Robotics and Autonomous Systems of INESC TEC at ISEP. This dissertation comprises the study and comparison of different existing methods to select the most suitable non-destructive hardness measuring equipment, capable of assessing the strength of rocks in space environment. Equotip equipment proved to be the most fitting alternative, presenting a wide range of uniaxial compressive strength, allowing to test rocks, soils, or metallic components in probes. Studying the rebound principle and recognizing that the result is affected by the variation in gravity, it was essential to propose a solution to compensate it, based on previous works by PROCEQ® regarding the change of impact direction. The work

included the development of two 3D models designed in SolidWorks® software (version 2019

and FEUP license) which integrated the Equotip in: (1) a Rover multirobotic system; and (2) in a space suit for extravehicular activities. The preliminary results of the rock hardness experiment that was carried out in Canada, allowed to evaluate the equipment behavior in microgravity and lunar gravity over five parabolas, providing good indications for future integration in a geo-robotic system or space suits. In terms of general conclusions, it was possible to acknowledge that Equotip is a fully ready equipment and capable to integrate space missions. However, it is necessary to model its operating principle in detail to infer an approach for the measured values and, in the future, to validate the data empirically in the next microgravity campaigns.

Keywords: Astrogeology, Hardness Measurement, Equotip, Rock Uniaxial Compressive Strength, Gravity Compensation, Rover, Space Suit, Extravehicular Activities, Space exploration.

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Agradecimentos

O presente trabalho resulta da conjugação de diversos apoios e incentivos dados à autora, que desta forma, pretende expressar o seu genuíno agradecimento e reconhecimento a todos os que contribuíram para a elaboração desta dissertação.

Em primeiro lugar, quero prestar os meus sinceros agradecimentos ao meu orientador, Professor Fernando Gomes de Almeida, por ter aceitado a minha proposta de realizar um projeto na área da exploração espacial e pelo acompanhamento ao longo da presente dissertação.

À minha coorientadora, Doutora Ana Pires, estou imensamente agradecida por me ter incluído de perto em todos os seus projetos, introduzindo-me no mundo da investigação interplanetária e pela amizade cultivada.

Estou agradecida ao Professor Eduardo Silva (Coordenador da TEC4SEA do Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores, Tecnologia e Ciência (INESC TEC)) e ao Engenheiro José Almeida (Coordenador do Centro de Robótica e Sistemas Autónomos (CRAS) do INESC TEC), por me terem permitido realizar o meu trabalho num laboratório “vivo” de robótica nas instalações do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP).

Ao Dr. Jason Reimuller, diretor executivo do Projeto PoSSUM (Ciência Polar Suborbital da Mesosfera Superior) e membro do Conselho de Administração do Instituto Internacional das Ciências Aeronáuticas, que através do programa de treino espacial, ciência e educação, permite a possibilidade de desenvolver as investigações ligadas à área da geologia planetária.

A toda a equipa do NRC (Conselho Nacional de Pesquisa) do Canadá e pilotos do FALCON20, pela possibilidade de poder usufruir dos dados recolhidos na experiência em microgravidade. Aos instrutores do curso EVA103 (Geologia de campo planetário e desenvolvimento de ferramentas extraveiculares), Jose Hurtado e Ulyana Horodyskvi, e ao instrutor do curso BIO103 (Avaliação do fato espacial em microgravidade) Aaron Persad, pela importante base de conhecimento onde foi assente a presente dissertação.

Ao Professor Fernando Freitas pela “ignição espacial”, o seu aconselhamento e motivação que me incentivaram a perseguir este tema de investigação que tanto me apaixona.

Deixo um agradecimento aos dois representantes da Proceq®, Sonia Giron, líder de marketing,

e Dariusz Burnat, gestor de produto de caracterização de materiais, pela parceria e envio do Equotip 550 Leeb para desenvolvimentos futuros da investigação que será levada a cabo pelo CRAS do INESC TEC.

Ao Professor Miguel Figueiredo, à Dona Emília e ao Senhor Ramiro das oficinas de Engenharia de Minas, obrigada pelo auxílio na preparação das amostras e realização do ensaio Vickers no Laboratório de Ensaios Tecnológicos.

Aos colegas que desenvolveram o seu trabalho no Laboratório de Sistemas de Controlo, obrigada pela companhia.

Aos meus pais e à Mix, que nunca me faltaram com nada, fosse um ombro amigo ou um jantar quentinho num dia de maior stress.

Estou igualmente agradecida à Carolina e ao Francisco, pelo apoio e paciência incondicional em todas as alturas do meu percurso. São os meus pilares.

Às minhas amigas de sempre, por nunca deixarem a minha vida cair em rotina e por nunca pararem de acreditar em mim!

E ainda aos meus fiéis companheiros desta jornada, que se mantiveram sempre perto quer nos maus momentos, bons e muito muito bons, especialmente à Mónica, Rita, Cris, Bifes, Bettencourt, Rego, Chaira, Moleiro e restantes amigos “raveianos”.

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Índice

1 Introdução ... 1 1.1 Astrogeologia ... 1 Exploração da Lua ... 1 Exploração de Marte ... 4 Exploração de Vénus ... 5 1.2 Motivação... 5

Outras missões relevantes ... 6

Centro de Robótica e Sistemas Autónomos ... 7

EVA 103 Projeto PoSSUM ... 7

BIO 103 PoSSUM Programa Bioastronáutico ... 8

1.3 Objetivos ... 8

1.4 Metodologia ... 9

1.5 Estrutura da Dissertação ... 9

2 Estado de Arte ... 11

2.1 Dureza ... 11

Família de Métodos de Penetração ... 11

Método de Impedância Ultrassónica de Contacto ... 20

Método de Ressalto ... 22

Conversões entre escalas de dureza ... 25

3 Medições de Dureza em Material Rochoso ... 29

3.1 Medição de Dureza em Geologia ... 29

Família de Métodos de Penetração em Geologia ... 31

Método de Impedância Ultrassónica de Contacto em Geologia ... 36

Método de Ressalto em Geologia ... 37

3.2 Medição de Dureza em Astrogeologia ... 44

Luna 13……. ... 45

Luna 17 (Lunokhod 1) ... 45

Apollo 14….. ... 46

Apollo 15 e 16 ... 47

Venera 13 e 14 ... 47

3.3 Seleção do Método Mais Adequado a Astrogeologia ... 48

Proposta de Inclusão da Aceleração Gravítica na Medição da Dureza ... 50

4 Desenvolvimento conceptual ... 57

4.1 Requisitos gerais ... 57

4.2 Sistema manual SPACeSURT ... 60

4.3 Sistema automático GEO-MiNO ... 63

5 Conclusões e Perspetivas Futuras ... 69

5.1 Conclusões ... 69

5.2 Perspetivas Futuras ... 71

Referências ... 73

ANEXO A: Escalas Rockwell ... 79

ANEXO B: Escalas Shore ... 83

ANEXO C: Escalas Leeb ... 89

ANEXO D: Tabelas de Compensação da Direção de Impacto ... 93

ANEXO E: SPACeSURT ... 97

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Lista de Figuras

Figura 1 - Sonda Luna 13 [9] ... 2

Figura 2 - Rover Lunokhod 1 [13] ... 3

Figura 3 - Ilustração da ALSEP da Apollo 15 (adaptado de [14]) ... 4

Figura 4 - Componentes do fato espacial para atividades extraveiculares da geração Artemis, em que 𝐶𝑂2 se refere à fórmula química do dióxido de carbono (adaptado de [14]) ... 6

Figura 5 - Duas das amostras recolhidas durante o EVA 103 Projeto PoSSUM (a rocha da esquerda é calcária e a da direita é basáltica) ... 8

Figura 6 - Experiência dentro do FALCON20 no Curso BIO 103 com recurso manual do Equotip (Fotografia captada por Ana Pires) ... 8

Figura 7 - Penetração no ensaio Brinell... 12

Figura 8 - Penetração no ensaio Vickers ... 14

Figura 9 - Forma do penetrador do ensaio Knoop ... 15

Figura 10 - Penetração no ensaio Knoop ... 16

Figura 11 - Diagrama do ensaio Rockwell ... 17

Figura 12 -Dimensões em milímetros do penetrador do penetrómetro de cone (adaptado de [43]) ... 18

Figura 13 - Componentes do penetrómetro de agulha: (1) calcador, (2) mandril, (3) escala de profundidade de penetração, (4) escala de carga, (5) anel indicador de carga, (6) cápsula, (7) penetrador em forma de agulha e (8) mola (adaptado de [45]) ... 19

Figura 14 - Forma do penetrador padrão do penetrómetro dinâmico ... 20

Figura 15 - Método de Impedância Ultrassónica de Contacto (adaptado de [48]) ... 21

Figura 16 - Valores de dureza em Vickers em função do deslocamento da frequência de ressonância do método IUC (adaptado de [46]) ... 21

Figura 17 - Esquema de um corpo em ressalto durante os 4 estágios da medição vertical: (1) Posição inicial, (2) Posição de impacto, (3) Posição ressalto e (4) Posição final ... 22

Figura 18 - Martelo de Schmidt Original da Proceq® [51] ... 22

Figura 19 - Componentes do Martelo de Schmidt (adaptado de [53]) ... 23

Figura 20 - Componentes do dispositivo de impacto D do Equotip (adaptado de [13]) ... 24

Figura 21 - Curva de indução típica gerada pela passagem do íman pela bobina, característica de cada dispositivo de impacto (adaptado de [18]) ... 25

Figura 22 - Martelo de geólogo [59] ... 30

Figura 23 - Dados da força sentida no penetrador em função da profundidade de penetração (medido na ponta do cone e não na base) obtidos na missão Luna 17. A linha horizontal tracejada indica a indentação em que o penetrador está totalmente submerso. A linha (1) retrata as medições realizadas no interior da cratera a oeste do Mar Imbrium, a (2) na inclinação da cratera, a (3) na parede e a (4) num sector coberto de pequenas pedras na inclinação da Montanha de Pedra (adaptado de [121]) ... 45

Figura 24 - Apollo Simple Penetrometer. As profundidades conseguidas com uma mão estão apresentadas na figura. Quando a carga foi aplicada com as duas mãos, a profundidade de penetração perfez 62 cm no primeiro teste e a totalidade do comprimento da haste nos restantes (adaptado de [123] e [124]) ... 46

Figura 25 - Self-Recording Penetrometer [126] ... 47

Figura 26 - Parte superior: Penetrómetro na Venera 13. Parte inferior: Penetrómetro na Venera 14 [127] ... 48

Figura 27 - Esquema resumo das desvantagens dos métodos destrutivos e não destrutivos in-situ ... 48

Figura 28 - Alcance de RCA de cada instrumento, considerando o limite maior e o menor de todas as referências citadas ... 49

Figura 29 - Esquema de medição de dureza para ϴ não nulo ... 52

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Figura 31 - Visão geral do Equotip 550 Leeb com dispositivo de impacto D (gentilmente cedido

pela Proceq®)... 57

Figura 32 - Ilustração dos passos 2, 3, 4 e 5 da medição de dureza utilizando um Equotip .... 59

Figura 33 - Modelo conceptual da integração do Equotip num fato espacial ... 61

Figura 34 - Imagens gerais do Sistema SPACeSURT (SPACe System Unit for Rock Testing) ... 62

Figura 35 - Imagem pormenorizada do braço robótico integrado que complementa o SPACeSURT ... 62

Figura 36 - Modelo 3D do Perseverance (modelo 3D adaptado de [130]) ... 64

Figura 37 - Modelo conceptual da integração do Equotip num Rover ... 65

Figura 38 - Imagens gerais do Sistema GEO-MiNO (GeoRobotics for Material exploration and iNtegrated Operations) ... 66

Figura 39 - Imagem pormenorizada da posição do Equotip no GEO-MiNO ... 67

Figura 40 - Imagem pormenorizada do Modo 1 de operação do GEO-MiNO ... 67

Figura 41 - Imagem pormenorizada do Modo 2 de operação do GEO-MiNO ... 67

Figura 42 - Atividades extraveiculares e trabalho de campo num boulder e rególito do astronauta Harrison Schmidt na missão Apollo 17, em 1972 (última missão tripulada a pousar na Lua) [131] ... 71

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Lista de Tabelas

Tabela 1 - Especificações dos diferentes tipos de penetrómetros dinâmicos ... 20

Tabela 2 - Tipos de martelos de Schmidt (adaptado de [51]) ... 23

Tabela 3 - Classificação de rochas de acordo com a RCA proposta pela SIMR [60] ... 30

Tabela 4 - Intervalo de resistência de compressão axial das rochas magmáticas e sedimentares [62] ... 31

Tabela 5 - Resistência à compressão axial e Módulo de Young do basalto e calcário para diferentes referências ... 31

Tabela 6 - Intervalos de cargas dos ensaios standard de penetração ... 32

Tabela 7 - Equações que relacionam a RCA com Sh ... 33

Tabela 8 - Vantagens e desvantagens do uso de um durómetro em geologia ... 34

Tabela 9 - Equações que relacionam a RCA com 𝑁𝐴 ... 34

Tabela 10 - Vantagens e desvantagens do uso de um penetrador estático de agulha em geologia ... 35

Tabela 11 - Equações que relacionam a RCA com 𝑁𝐷 ... 36

Tabela 12 - Vantagens e desvantagens do uso de um penetrador dinâmico em geologia ... 36

Tabela 13 - Limite de rugosidade para medição da Impedância Ultrassónica de Contacto para diferentes cargas ... 37

Tabela 14 - Vantagens e desvantagens do uso de um instrumento de Impedância Ultrassónica de Contacto em geologia ... 37

Tabela 15 - Equações que relacionam a RCA com R ... 39

Tabela 16 - Vantagens e desvantagens do uso de um martelo de Schmidt em geologia ... 40

Tabela 17 - Equações que relacionam a RCA com HL ... 43

Tabela 18 - Vantagens e desvantagens do uso de um Equotip em geologia ... 44

Tabela 19 - Valores de dureza para ϴ=180º ... 55

Tabela 20 - Características do ambiente lunar, marciano e venusiano ... 58

Tabela 21 - Requisitos de rugosidade do Equotip (adaptado de [48])... 59

Tabela 22 - Requisitos de distância mínima entre pontos de impacto dos instrumentos de impacto do Equotip (adaptado de [48]) ... 59

Tabela 23 - Vantagens e desvantagens do sistema manual em missão espacial ... 63

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Glossário

Símbolo Descrição

ALSEP Pacote Experimental de Superfície Lunar Apollo (acrónimo derivado da designação inglesa Apollo Lunar Surface Experiment Package)

APXS Espectrómetro de partículas alfa e raio X (sigla derivada da designação inglesa Alpha Particle X-Ray Spectrometer)

CRAS Centro de Robótica e Sistemas Autónomos

EASEP Pacote Pré-experimental de Superfície Apollo (acrónimo derivado da designação inglesa Early Apollo Surface Experiment Package)

ESA Agência Espacial Europeia (acrónimo derivado da designação inglesa European Space Agency) EUA Estados Unidos da América

INESC

TEC Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores, Tecnologia e Ciência ISEP Instituto Superior de Engenharia do Porto

IUC Impedância Ultrassónica de Contacto

NASA Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço (acrónimo derivado da designação inglesa National Aeronautics and Space Administration) NRC Conselho Nacional de Pesquisa (sigla derivada da designação inglesa National Research Council) PD Penetrómetro Dinâmico

PoSSUM Ciência Polar Suborbital da Mesosfera Superior (acrónimo derivado da designação inglesa Polar Suborbital Science in the Upper Mesosphere) RCA Resistência à Compressão Axial

SIMR

Sociedade Internacional da Mecânica das Rochas (mais conhecida como ISRM, pela designação inglesa International Society for Rock Mechanics and Rock Engineering)

URSS União das Repúblicas Socialistas Soviéticas

Notação do Alfabeto Latino

Símbolo Descrição

A Amplitude máxima positiva da tensão gerada na bobina pelo íman do Equotip 𝑎 Dimensão da base da indentação do ensaio Vickers

𝑎 â Apótema da pirâmide da indentação do ensaio Vickers 𝐴 Área superficial da indentação do ensaio Brinell 𝐴 Área superficial da indentação do ensaio Knoop 𝐴 Área superficial da indentação do ensaio Vickers

B Amplitude máxima negativa da tensão gerada na bobina pelo íman do Equotip 𝑐 Constante do penetrador do ensaio Knoop

𝐶 Coeficiente de restituição do ressalto

𝑑 , 𝑑 Diâmetros da indentação medidos no ensaio Brinell 𝑑 , 𝑑 Diagonais da indentação medidas no ensaio Vickers

𝑑 Distância entre o ponto de medição das velocidades e a amostra 𝑑 Média dos dois diâmetros medidos no ensaio Brinell

𝑑 Média das duas diagonais medidas no ensaio Vickers 𝑑 Diagonal menor da indentação do ensaio Knoop 𝐷 Diâmetro do penetrador do penetrómetro dinâmico

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𝐷 Diâmetro do penetrador do ensaio Brinell 𝐷 Diagonal maior da indentação do ensaio Knoop E Módulo de Young

𝐸 Energia cinética do corpo de impacto do Equotip na posição da bobina antes do impacto

𝐸 Energia cinética do corpo de impacto do Equotip na posição da bobina após o impacto

𝐸 Energia total de impacto

𝐸 Energia potencial elástica do corpo de impacto do Equotip na posição inicial

𝐸 Energia potencial gravítica do corpo de impacto do Equotip na posição inicial

𝐸 Energia potencial gravítica do corpo de impacto do Equotip na posição final

𝐸 Energia total do corpo de impacto do Equotip na posição inicial

𝐸 Energia total do corpo de impacto do Equotip na posição da bobina antes do impacto

𝐸 Energia total do corpo de impacto do Equotip na posição da bobina após o impacto

𝐸 Energia total do corpo de impacto do Equotip na posição final 𝐹 Carga aplicada num penetrómetro de agulha

𝐹 Carga aplicada no ensaio Brinell 𝐹 Carga aplicada no ensaio Knoop

𝐹 Carga total aplicada no ensaio Rockwell 𝐹 Carga preliminar aplicada no ensaio Rockwell 𝐹 Carga aplicada no ensaio Vickers

𝐹 Carga aplicada no ensaio Shore 𝑔 Aceleração gravítica terrestre

𝐺 Aceleração gravítica no ambiente da medição

ℎ Distância medida perpendicularmente à superfície da amostra entre a posição inicial do corpo de impacto e o ponto de colisão ℎ Profundidade de penetração do penetrómetro de agulha

ℎ Altura inicial do corpo de impacto

ℎ Profundidade de penetração do ensaio Brinell ℎ Profundidade de penetração do ensaio Rockwell ℎ Altura de ressalto

HBW Resultado do ensaio Brinell HK Resultado do ensaio Knoop

HL Resultado do Equotip para qualquer dispositivo de impacto

𝐻𝐿 Resultado do Equotip com dispositivo de impacto D em medições de amostras em suporte em forma de arco 𝐻𝐿 Resultado do Equotip com dispositivo de impacto D em medições de

amostras em suporte em forma de V

HLC Resultado do Equotip com dispositivo de impacto C HLD Resultado do Equotip com dispositivo de impacto D HLD’

Resultado do Equotip com dispositivo de impacto D caso fosse calculada em função da velocidade imediatamente antes do impacto e imediatamente após o ressalto

HLDL Resultado do Equotip com dispositivo de impacto DL HLD+15 Resultado do Equotip com dispositivo de impacto D+15 HLE Resultado do Equotip com dispositivo de impacto E

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HLG Resultado do Equotip com dispositivo de impacto G HLS Resultado do Equotip com dispositivo de impacto S HR15N Resultado da escala 15N do ensaio Rockwell

HR15T Resultado da escala 15T do ensaio Rockwell HR30N Resultado da escala 30N do ensaio Rockwell HR30T Resultado da escala 30T do ensaio Rockwell HR45N Resultado da escala 45N do ensaio Rockwell HR45T Resultado da escala 45T do ensaio Rockwell HRA Resultado da escala A do ensaio Rockwell HRBW Resultado da escala B do ensaio Rockwell HRC Resultado da escala C do ensaio Rockwell HRD Resultado da escala D do ensaio Rockwell HREW Resultado da escala E do ensaio Rockwell HRFW Resultado da escala F do ensaio Rockwell HRGW Resultado da escala G do ensaio Rockwell HRHW Resultado da escala H do ensaio Rockwell HRKW Resultado da escala K do ensaio Rockwell HV Resultado do ensaio Vickers

HRX Resultado geral do ensaio Rockwell

𝐿 Comprimento do penetrador do penetrómetro dinâmico 𝑚 Massa do corpo de impacto do Equotip

𝑁 Resultado do penetrómetro de agulha 𝑁 Constante de escala do ensaio Rockwell R Resultado do martelo de Schmidt 𝑅 Coeficiente de determinação RCA Resistência à compressão axial

𝑆 Constante de escala do ensaio Rockwell Sh Resultado geral do ensaio Shore

ShA Resultado da escala A do ensaio Shore ShAM Resultado da escala AM do ensaio Shore ShAO Resultado da escala AO do ensaio Shore ShD Resultado da escala D do ensaio Shore

𝑣 Velocidade de impacto medida na posição da bobina

𝑣 ′ º Velocidade imediatamente antes do impacto para medições verticais de baixo para cima 𝑣 Velocidade de ressalto medida na posição da bobina

𝑣 ′ º Velocidade imediatamente após o ressalto para medições verticais de baixo para cima

Notação do Alfabeto Grego

Símbolo Descrição

𝛼 Ângulo característico do penetrador do ensaio Knoop 𝛽 Ângulo característico do penetrador do ensaio Knoop ϴ Ângulo entre a vertical e a direção de impacto do Equotip

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1 Introdução

Este capítulo tem como intuito clarificar os principais objetivos desta dissertação, bem como apresentar o contexto em que a mesma está inserida. Além disso, contempla a metodologia adotada e uma breve explicação sobre o conteúdo tratado em cada capítulo.

1.1 Astrogeologia

As atividades humanas relacionadas com o espaço já não são meramente entendidas como ‘olhar para bandeiras içadas’. A partir do momento em que se reconheceu o potencial inexplorado do espaço em todos os sectores, um contínuo número de nações e empresas privadas têm vindo a encorajar a sua exploração como uma mais-valia tecnológica potencialmente lucrativa, que tende a motivar a cooperação mundial.

A astrogeologia é a ciência que se encarrega da conexão entre a astronomia e a geologia, explicando a evolução dos astros baseada no estudo dos processos geológicos passados. A investigação da crosta, matéria que a compõe, mecanismos de formação e alterações ao longo do tempo permite determinar a sequência de eventos da História planetária [1].

O interesse pela Lua e pelos planetas mais próximos da Terra, significa não só a curiosidade sobre os mesmos, mas também o caminho para entender de forma mais clara a origem e evolução do nosso planeta, e em geral, do Sistema Solar [2].

O uso cada vez mais recorrente de sistemas automáticos em todos os setores é uma realidade, seja para permitir ao Homem concentrar-se em atividades de maior complexidade, seja para assegurar a sua segurança ou até para tornar exequível e mais eficaz algum processo que de uma forma manual não seria possível. A indústria espacial é, desde sempre, uma forte razão para a robotização de diversos processos englobados, desde a comunicação, transmissão de informação, localização ou experimentos científicos [3].

Nos Subcapítulos 1.1.1, 1.1.2 e 1.1.3 é apresentado um breve resumo das missões mais importantes com destino à Lua, Marte e Vénus, respetivamente, que vêm a enfatizar a importância da automatização e sobretudo da astrogeologia.

Exploração da Lua

Ainda que desde o século XVI exista o conceito de astronomia, assente nas obras de Isaac Newton e nas ideias revolucionárias de Galileu Galilei, a exploração espacial propriamente dita só teve início nos anos 50. Sendo a Lua o corpo celeste mais próximo da Terra e existindo interesse sobre os processos geológicos que atuam na sua superfície e que originaram a variedade de formações fisiográficas da mesma, os primeiros esforços para inicializar a exploração extraterrestre concentraram-se no nosso satélite natural [4].

A missão Luna 2 foi a segunda tentativa, desta vez bem-sucedida, da União das Repúblicas Socialistas Soviéticas (URSS) de colocar um objeto artificial na Lua, em 1959. A nave estava equipada com contadores de Geiger-Müller que servem para detetar diferentes tipos de radiações ionizantes, magnetómetros que medem a intensidade, direção e sentido de um campo

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magnético, um identificador de radiação raio x, um detetor Cherenkov para reconhecer materiais e um detetor de micrometeoritos que assinala o impacto de micrometeoritos com impulsos elétricos [5].

Ainda que vários autores entendam esta missão como precipitada, pois estava aberta a “corrida à exploração espacial” entre os Estados Unidos da América (EUA) e a URSS, os instrumentos incluídos na sonda sugerem que havia um propósito científico na exploração [5,6].

Desvalorizando o feito russo, os americanos salientavam que estes teriam de levar lá o primeiro astronauta para terem direito de reclamar soberania sobre a Lua, porém sabiam de antemão que era necessário conhecer e validar muitas incertezas sobre o ambiente lunar. De forma a aumentar a quantidade e qualidade dos dados recolhidos na superfície lunar e aproximar a chegada em segurança do Homem, era imprescindível a automatização das experiências químicas, geológicas, meteorológicas, biológicas e óticas, entre as mais importantes. Só assim seria possível recolher toda informação necessária para despontar missões tripuladas.

Só em 1964 é que os EUA conseguiram aterrar a Ranger 7 e posteriormente várias sondas ao abrigo do mesmo programa. As aeronaves Ranger estavam equipadas não só com os instrumentos presentes nas Luna, mas também com um analisador eletrostático para aprofundar o estudo de certos elementos, telescópios de raios cósmicos e de varredura e uma câmara de raios cósmicos que tencionava medir radiação cósmica e outras radiações iónicas [5].

Em 1966, a URSS renova a sua posição aterrando suavemente a primeira aeronave no satélite natural da Terra ao abrigo da missão Luna 9, porém, integrava poucos experimentos científicos [7].

Ainda no mesmo ano, as Luna 10, 11 e 12 conseguiram orbitar a Lua. Dados recolhidos destas missões pelas câmaras de alta resolução abriram a discussão sobre as rochas lunares poderem ser equiparadas às rochas terrestres basálticas. A Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço (NASA) lançou o Surveyor 1 que aterrou suavemente e conseguiu realizar análises químicas ao solo. A nave tinha sensores de velocidade que permitiam um controlo fechado no movimento descendente, extensómetros e absorvedores de impacto em cada uma das pernas para recolher informação que viria a ser importantíssima para as aterragens das missões Apollo [8].

No final de 1966, a URSS enviou a Luna 13 para o solo lunar. Pela primeira vez, a aeronave integrava dois braços robóticos extensíveis, como ilustrado na Figura 1, com inúmeros sensores e experiências para avaliar a composição e resistência do solo lunar.

Figura 1 - Sonda Luna 13 [9]

No ano seguinte, o Surveyor III transportou uma pá para escavar, recolher e colocar amostras próximas das câmaras para aprofundar o seu estudo. Esta missão permitiu aos cientistas concluírem que a consistência do solo lunar era similar a areia molhada. Ainda no mesmo ano os braços robóticos foram complementados com um espectrómetro de partículas alfa e raio x denominado APXS (Alpha Particle X-Ray Spectrometer) e com ímanes para detetar a presença de compostos metálicos no solo. O APXS continha uma fonte de núcleos de hélio que quando

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lançados em direção à amostra reagiam com certos elementos, emitindo raios x que originavam uma alteração na distribuição da energia. Ao avaliar esta distribuição foi possível determinar a composição química da amostra [5, 7, 10].

Três dias antes do lançamento da missão Apollo 11, que viria a colocar o primeiro Homem na Lua em 1969, a missão soviética Luna 15 seguiu com o objetivo de trazer amostras da Lua para a Terra, porém, falhou. No ano seguinte, a Luna 16 realizou este feito com a ajuda de uma broca automatizada que recolhia amostras no seu interior [6].

Tornou-se claro que as observações remotas das rochas lunares tinham sido complementadas por medições in-situ e pela recolha de amostras para serem estudadas na superfície terrestre. Nas primeiras missões Apollo, os astronautas instalaram na superfície lunar um conjunto de instrumentos científicos conhecido como o Early Apollo Surface Experiment Package (EASEP) que entre painéis solares e sistemas de comunicação e transmissão, continha também um sismógrafo e um detetor de poeira. Durante as missões Apollo 11 e 12, mais de 50 kg de amostras lunares retornaram à Terra para posterior análise [11].

Em 1970, a Luna 17 levou ao satélite natural da Terra o primeiro veículo robótico lunar denominado Lunokhod 1 (apresentado na Figura 2) que realizou 25 análises completas ao solo [5]. O Lunokhod 1 possuía quatro câmaras panorâmicas, um penetrómetro estático de cone, um espectrómetro de raio x, um detetor de raios cósmicos, um laser retrorrefletor e um microscópio raio x [12].

Figura 2 - Rover Lunokhod 1 [13]

A missão Apollo 14 veio relembrar a importância das atividades extraveiculares quando dois elementos da tripulação realizaram duas caminhadas, uma delas para estabelecer o Apollo Lunar Surface Experiment Package (ALSEP) que veio substituir o EASEP, e outra para recolher amostras e tirar fotografias. O ALSEP, que foi sendo complementado nas missões seguintes, para além das funcionalidades anteriores, incluía ainda sensores de fluxo de calor para reconhecer atividade tectónica ou vulcânica, espectrómetros para averiguar as propriedades dos ventos solares, gravímetros para avaliar a aceleração gravítica e analisadores das propriedades elétricas da superfície, entre outros, como se pode verificar na Figura 3 [14].

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Figura 3 - Ilustração da ALSEP da Apollo 15 (adaptado de [14])

Após as missões Apollo 15 e 16, mais cinco missões tiveram êxito em levar à Lua astronautas, contando já com veículos (tipo “jipe”) que os permitiam mover-se mais rapidamente na superfície acidentada e inconstante. Em 1972, já existia uma descrição consistente e credível dos principais temas da história geológica e um mapa topográfico lunar válido. Finalmente, na Apollo 17, Harrison Schmitt é o primeiro doutorado em geologia a pisar a Lua, integrando a equipa de astronautas da NASA. De acordo com a própria NASA, a tripulação já estava muito bem treinada para todos os procedimentos de operação da aeronave e da ALSEP e, por esse motivo, o geólogo teve a oportunidade de concentrar a maior parte do seu tempo em realizar travessias geológicas, descrever rápida e concisamente o solo e recolher as amostras mais preponderantes. Uma das maiores confirmações desta missão foram os indícios de atividade vulcânica [15].

Exploração de Marte

Depois das descobertas sobre o ambiente lunar, era evidente que a exploração espacial não ia parar por aí. Para algumas pessoas talvez fizesse mais sentido que a exploração de Vénus acontecesse primeiro que a de Marte, uma vez que está mais próximo da Terra. Todavia, por muito que Vénus se assemelhe muito à Terra quer em tamanho, quer em massa, a sua atmosfera densa e as altas temperaturas à superfície atrasaram um pouco a sua investigação.

Em 1971, a URSS aterrou as suas duas primeiras naves na superfície marciana, uma delas suavemente. A missão Mars 6 conseguiu recolher dados sobre o planeta usando acelerómetros, espectrómetros de massa, magnetómetros, detetores de iões e inúmeras câmaras, entre outros sensores [16].

Cinco anos depois, os EUA aterraram a Vicking 1 no mesmo astro, muito mais equipada do que as missões russas. Foi possível a realização de experiências a nível biológico, o levantamento do estado meteorológico e a análise mais aprofundada de amostras, pois possuía um braço robótico para as aproximar das câmaras. Em 1977, a missão americana Mars Pathfinder já avaliou com rigor a composição do solo e a formação da crosta usando um APXS [17, 18]. Só em 1999 é que o mundo voltou a debruçar-se sobre a exploração de Marte. Usando já sensores laser, a Mars Polar Lander significou uma parceria entre os EUA e a nova Federação

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Russa. Em 2003, o Reino Unido enviou a Beagle 2 para caracterizar a geologia, a mineralogia, a geoquímica e o estado de oxidação do local de aterragem, as propriedades físicas da atmosfera e a climatologia [6, 19].

No ano seguinte, as missões geológicas americanas Spirit e Opportunity e mais tarde em 2008, a Phoenix, avaliaram in-situ a abrasão das rochas, evidenciaram a composição mineralógica do solo, calibraram e validaram observações de sondas em órbitra e reforçaram a ideia de alguma vez ter existido água em Marte [20].

Finalmente, foi possível apontar as semelhanças e as diferenças entre a Terra e Marte. O quarto planeta do Sistema Solar possui atmosfera, crosta, manto e núcleo. Além disso, dispõe de clima, quatro estações diferentes e os minerais marcianos até hoje estudados também se podem encontrar na Terra. Por outro lado, não há indícios de atividade tectónica, a sua superfície está coberta de crateras e a sua atmosfera é muito fina, sendo essa a principal razão pela qual atualmente não é propícia à existência de água no estado líquido.

Exploração de Vénus

A URSS foi a nação a enviar a primeira nave que aterrou em Vénus em 1966 ao abrigo da missão Venera 3, contudo falhou no envio de informação. Nas seguintes tentativas já conseguiram estabelecer a comunicação e utilizaram magnetómetros, sensores de radiação, detetores de iões, sensores de temperatura, pressão e densidade, sismógrafos, acelerómetros e espectrómetros, entre outros instrumentos [5].

Em 1978, a NASA contribuiu para a exploração deste planeta com a missão Pioneer Venus Multi-Probe que veio a caracterizar melhor a sua atmosfera e superfície. Foi possível produzir um mapa topográfico da maior parte da superfície venusiana [21].

Nas missões Venera 11 e 12 em 1978, os landers incluíram um coletor de amostras e um penetrómetro, para além da instrumentação anterior, contudo não foi possível obter conclusões sobre as amostras de nenhuma das experiências, pois não foram colocadas corretamente no recipiente para análise. Só em 1982, com o auxílio das sondas 13 e 14, se concluiu que o solo de Vénus é muito semelhante ao basalto terreste com alto teor de potássio [22].

1.2 Motivação

As explorações espaciais constituem por si só um fator chave na evolução tecnológica, uma excelente ferramenta para construir e manter pontes de cooperação internacional e, no geral, fascinam e inspiram a sociedade.

A presente dissertação teve como base os trabalhos científicos liderados pela investigadora Ana Pires e desenvolvidos no âmbito de diversos treinos espaciais realizados no Projeto PoSSUM (Ciência Suborbital Polar na Alta Mesosfera) apoiado pela NASA. Numa primeira fase foram estabelecidas investigações e experiências em maio de 2019 no Curso EVA 103 (Geologia planetária e desenvolvimento de instrumentos para atividades extraveiculares), que decorreu em Flagstaff, Arizona (EUA), um dos locais análogos mais interessantes e onde os astronautas da NASA realizam os seus treinos e trabalhos de campo (mais pormenores no Subcapítulo 1.4). Posteriormente, teve-se também a oportunidade de realizar uma campanha de microgravidade e transportar uma experiência no Curso BIO 103 (Avaliação de fatos espaciais em microgravidade), que aconteceu em Ottawa (Canadá) em outubro de 2019 (mais informação no Subcapítulo 1.5). Finalmente, foi possível desenvolver o projeto de dissertação no CRAS do INESC TEC (apresentado no Subcapítulo 1.3).

A maior motivação ao desenvolvimento deste tema é a evolução natural da exploração espacial. Cada vez mais as missões espaciais promovem a inclusão de aparelhos automáticos capazes de recolher dados in-situ. Ainda que os fatos espaciais estejam em constante desenvolvimento e que ultimamente a mobilidade do astronauta seja um fator importante, a última geração de fatos da NASA criados em 2019, mostrados na Figura 4, tendem a facilitar os movimentos existentes

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nas versões anteriores mas não a permissão de novos movimentos. A máxima mobilidade com as luvas representa aproximadamente 20% da mobilidade livre, pelo que o uso de instrumentos portáteis para recolher propriedades mecânicas do solo manualmente não é opção [23].

Figura 4 - Componentes do fato espacial para atividades extraveiculares da geração Artemis, em que 𝐶𝑂 se refere à fórmula química do dióxido de carbono (adaptado de [14])

A visão da NASA e das restantes organizações espaciais internacionais não é a de apenas visitar, mas também a de construir infraestruturas noutros planetas. Esta afirmação é comprovada por diversos futuros eventos como a 17ª Conferência da Terra e do Espaço cujo assunto principal é ‘Engenharia em Ambientes Extremos’ e integra um curso com o nome de ‘Engenharia e Construção na Lua’ acolhida em Seattle, Washington ou o 71º Congresso Internacional de Astronáutica no Dubai que inclui o tema “Infraestruturas”, ambos a acontecer em 2021 [24, 25].

Na construção de um edifício, ou de uma obra rodoviária é fundamental um estudo aprofundado geológico-geotécnico e geomecânico do solo ou superfície rochosa inerente para ser possível um bom planeamento da obra. O princípio é o mesmo na geo-exploração espacial, onde o importante é conhecer a área de forma a dimensionar futuras infraestruturas.

Este estudo pretende mostrar a relevância dos estudos geológicos e geotécnicos, bem como a avaliação da resistência das rochas de forma a inferir condições de perfuração para afins de construção de bases ou estações espaciais futuras e para exploração de recursos minerais.

Outras missões relevantes

Atualmente, a Agência Espacial Europeia (ESA) já fala sobre perfurar a superfície lunar. Segundo a própria, esta exploração do solo da Lua poderia ser uma realidade com o intuito minerar rególitos e afloramentos de rochas duras. Aliás, empresas internacionais como a ArianeGroup já estão envolvidas nesta missão. Da mesma forma, a OFFWORLD está pronta

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para reinventar a exploração mineira de modo a preparar a chegada do humano a Marte e afirma que “imagina milhões de robôs inteligentes a trabalhar sob supervisão humana”.

Comprovado pelas missões mencionadas nos Subcapítulos 1.1.1, 1.1.2 e 1.1.3, as explorações lunar, marciana e venusiana são cada vez mais imperativas quando se trata de missões interplanetárias. Todavia, não estão limitadas a planetas e satélites naturais. É essencial incluir asteroides, cometas e meteoros. A recolha de amostras e análise de materiais representam os grandes desafios referentes à exploração de ambientes de muito baixa gravidade [26].

O fracasso do Philae em pousar no cometa 67P Churyumov-Gerasimenko é um exemplo de como a gravidade reduzida associada à heterogeneidade da geologia de tais astros pode prejudicar uma missão. As missões mais recentes Ryugu (realizada pela Hayabusa 2) e Bennu (conduzida pela OSIRIS-Rex) demonstraram como a pesquisa sobre microgravidade na Terra é decisiva no planeamento e sucesso das mesmas [27].

Centro de Robótica e Sistemas Autónomos

O CRAS do INESC TEC, tem um dos seus polos localizado no ISEP. A sua principal função é o desenvolvimento de soluções robóticas inovadoras para todo o tipo de aplicações, num ambiente académico, dedicando os seus esforços à investigação, educação e promoção de diversos projetos na área da engenharia [28].

Há já cerca de 10 anos que o INESC TEC identificou a necessidade de investir em tecnologias robóticas subaquáticas para a exploração do fundo do mar, mas também para o mapeamento de recursos geológicos, e, o contributo do CRAS nesta matéria é já reconhecido internacionalmente. Este centro de investigação tem estado diretamente envolvido em diversos projetos relacionados com a exploração de matérias-primas e georecursos, financiados por entidades ligadas à Comissão Europeia como o EIT Raw Materials que é apoiado pelo Instituto Europeu de Inovação e Tecnologia.

Tal como referido anteriormente, a dissertação tem como base os esforços e investigações desenvolvidas pela Ana Pires, no âmbito de diversos treinos espaciais realizados no Projeto PoSSUM apoiado pela NASA (informação detalhada em [29]).

Esta dissertação pretende ser um contributo apresentando uma proposta preliminar para a medição de dureza de rochas em microgravidade ou ambiente análogo. Tenciona também propor soluções para a geo-exploração no espaço recorrendo a sistemas automatizados.

EVA 103 Projeto PoSSUM

Em maio de 2019, decorreu o Curso EVA 103.O objetivo consistiu em fornecer conhecimentos básicos sobre os requisitos, métodos e limitações associados à realização de trabalho de campo numa área geológica análoga, durante uma atividade extraveicular na superfície da Lua ou de Marte [30].

Já desde 1971, quando Harrison Schmitt fez parte da tripulação suplente da missão Apollo 15 e posteriormente pisou a Lua na Apollo 17, o primeiro e único geólogo astronauta, realizava trabalhos de campo no Arizona, na zona vulcânica de São Francisco, para melhorar as suas capacidades.

O trabalho de campo decorreu então na mesma área, e durante o curso foi possível recolher diversas amostras análogas às rochas lunares. Para a realização dos diversos testes de dureza da campanha BIO 103 foram usadas quatro amostras recolhidas nesta zona, a saber: basalto (rocha vulcânica) e calcário (rocha sedimentar), características da zona vulcânica. A Figura 5 mostra uma amostra de cada tipo.

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Figura 5 - Duas das amostras recolhidas durante o EVA 103 Projeto PoSSUM (a rocha da esquerda é calcária e a da direita é basáltica)

BIO 103 PoSSUM Programa Bioastronáutico

Em outubro de 2019, decorreu o Curso BIO 103 em Ottawa (Canadá) ao abrigo do Projeto PoSSUM com a parceria do NRC que cedeu um FALCON20 para simular o interior de uma cabine de uma nave espacial comercial em microgravidade e gravidade lunar. O objetivo da experiência foi reproduzir um ambiente de gravidade diminuída de forma a planear operações de comunicação e para avaliar e monitorizar fatores humanos como a reação ao novo fato espacial [31].

Foram realizadas 18 parábolas e foi possível testar a dureza das duas das amostras recolhidas no Curso EVA 103, usando um dispositivo portátil para medição de dureza Equotip 3 da Proceq®, de uma forma manual. Para permitir que as medições de dureza acontecessem em

gravidade reduzida e seguindo todas as normas de segurança impostas pelo NRC, as amostras foram devidamente acomodadas numa caixa, como se pode ver na Figura 6.

Figura 6 - Experiência dentro do FALCON20 no Curso BIO 103 com recurso manual do Equotip (Fotografia captada por Ana Pires)

1.3 Objetivos

A intenção fundamental desta dissertação é realizar um estudo prévio sobre as especificações dos aparelhos de medição de dureza que permitem a sua aplicação em rochas em ambiente extraterrestre. De modo a atingir este propósito, o foco são os processos de medição dureza. Posteriormente, estuda-se a possibilidade de testar materiais rochosos e as consequências que a

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alteração de ambiente pode originar no funcionamento do medidor, no sentido de selecionar o mais adequado e propor soluções de correção. Apurado o método, é avaliada a veracidade do mesmo ser incluído em missões tripuladas e não tripuladas.

1.4 Metodologia

A organização deste documento começa pelo enquadramento do tema e a importância do mesmo nas partes intervenientes, um estudo aprofundado da Astrogeologia e sua evolução. A principal finalidade desta fase é familiarizar o leitor com o assunto.

Posteriormente, as técnicas usadas na medição de dureza são explicadas, bem como os instrumentos que aplicam as mesmas e escalas próprias.

A tarefa seguinte consiste no culminar dos dois assuntos principais anteriores, ou seja, relacionar o uso de métodos portáteis de medição de dureza em ambientes espaciais, com o propósito de detalhar as especificações que permitem ou não a sua aplicação. A prática mais apropriada é distinguida justificadamente e apresentada uma proposta de inclusão da mesma em missões espaciais.

1.5 Estrutura da Dissertação

Este documento está dividido em cinco capítulos principais. Todas as referências que serviram como apoio teórico para os conceitos apresentados ao longo do documento podem ser consultados no capítulo das Referências.

A organização dos capítulos é a seguinte:

 Capítulo 1: é apresentado o tema geral, a sua evolução e conceitos mais preponderantes. Além disso, introduzem-se os objetivos principais com uma breve referência à metodologia e estrutura adotada para expor os procedimentos;

 Capítulo 2: é realizada uma exposição teórica sobre os métodos existentes para a medição de durezas. Começa-se por abordar os três princípios adjacentes a uma medição, a Penetração, a Impedância de Contacto e o Ressalto. Os ensaios e instrumentos são caracterizados, bem como os penetradores, cargas e escalas envolvidas;

 Capítulo 3: faz-se uma descrição pormenorizada sobre a evolução dos métodos de medição quando aplicados diretamente a materiais rochosos, bem como detalhadas as experiências em explorações espaciais. As vantagens e desvantagens de cada técnica são exibidas a fim de selecionar justificadamente a mais apropriada;

 Capítulo 4: é descrito um modelo conceptual, na vertente manual e automática, da operação do método escolhido. São ainda incluídos dois modelos 3D, de um fato espacial extraveicular e de um Rover que incluem o medidor de dureza, como prova de conceito;

 Capítulo 5: retrata-se uma síntese geral dos assuntos abordados, tecendo algumas considerações sobre desenvolvimentos futuros dentro do tema da dissertação.

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2 Estado de Arte

O segundo capítulo apresenta uma visão generalizada sobre os métodos usados para a medição de dureza, explicitando os diferentes princípios físicos associados, com especial ênfase nas soluções portáteis.

2.1 Dureza

O termo “dureza” pode ser definido como a capacidade de um material resistir à indentação ou deformação permanente, quando em contacto com um penetrador. De um modo mais geral, pode ser vista como a resposta de um certo material quando sujeito à penetração ou impacto de um outro material [32].

O valor da dureza depende diretamente do método usado e dos parâmetros definidos para a medição, por conseguinte não pode ser considerado uma propriedade mecânica dos materiais. Deste modo, é essencial usar instrumentos e escalas adequados ao elemento em questão [32, 33].

A medição da dureza é determinante na investigação de materiais, na produção industrial e na construção civil, fornecendo uma informação rápida, fácil e fiável sobre a qualidade de um material. A resistência à compressão, que é a característica avaliada nos testes de dureza, é um dado fundamental no dimensionamento de estruturas e na estimativa das cargas que as mesmas conseguem suportar. Para avaliar este fator, em algumas situações, existe a possibilidade de testar amostras do material. Noutros casos, seja pelo facto da amostra não ser representativa do estado da estrutura, seja pela inacessibilidade de recolher amostras, muitas vezes o recurso a métodos portáteis não destrutivos é preferível. A medição pode ser feita diretamente na peça final sem comprometer a sua estabilidade ou integridade [32].

Os princípios físicos que estimam a resistência à compressão e que quantificam as escalas de dureza são: a Família de Métodos de Penetração, o Método de Impedância Ultrassónica de Contacto (IUC) e o Método de Ressalto, explicados nos Subcapítulos 2.1.1, 2.1.2 e 2.1.3, respetivamente. Para um mesmo método e condições experimentais específicas, definem-se escalas de comparação de dureza. As versões portáteis destas técnicas aproximam-se tanto das escalas de referências estacionárias, quanto melhor a qualidade da calibração do instrumento e a adequabilidade das tabelas de conversão entre escalas [33].

Família de Métodos de Penetração

A família de métodos de penetração agrupa os diferentes ensaios e instrumentos que caracterizam a dureza recorrendo à indentação de um penetrador mais duro na amostra, podendo tirar conclusões sobre a carga aplicada e/ou a marca impressa.

O primeiro método de avaliação da dureza de um material começou a ser usado ainda no século XVIII e consistia em riscar um material de dureza desconhecida com pontas de outros elementos específicos. Caso ficasse marcado um risco, o material sob teste seria menos duro que o usado como exemplo. A ordenação de vários materiais segundo esta técnica chama-se o

(34)

Método de Mohs. No século seguinte, e depois de se considerar o diamante como o material com maior dureza, desenvolveu-se o conceito da dureza por penetração.

Posteriormente, surgiu em 1900 o ensaio Brinell com o intuito de testar metais, seguido do Vickers e o Knoop. Nos anos 20, apareceram a última versão do teste Rockwell e o Shore. Mais recentemente e sendo mais apropriados para materiais rochosos, os penetrómetros emergiram com uma variedade de opções estáticas ou dinâmicas. Os penetrómetros estáticos podem apresentar-se com penetradores de cone ou de agulha para materiais menos resistentes.

Ensaio Brinell

O ensaio Brinell foi o primeiro a ser globalmente utilizado e é, ainda hoje, aplicado maioritariamente em materiais metálicos não tratados, pois é significativamente tolerante a altas rugosidades ou a maus acabamentos.

As explicações seguintes foram consultadas nas normas ISO 6506 [34] e ASTM E10 [35]. O penetrador é uma esfera de carboneto de tungsténio de diâmetro 𝐷 , que varia entre 1 e 10 mm, que é forçada contra a superfície da peça com uma carga 𝐹 durante um determinado intervalo de tempo. A dureza Brinell denominada HBW é proporcional ao quociente entre 𝐹 e a área parcial superficial da penetração 𝐴 .

A carga é gradualmente aplicada (durante 5 a 8 segundos) até atingir o valor desejado. Posteriormente é mantida durante 10 a 15 segundos.

A área de indentação é avaliada quando a carga é retirada, recorrendo ao diâmetro médio 𝑑 , calculado com base em dois diâmetros perpendiculares 𝑑 e 𝑑 captados oticamente, segundo a Equação (2.1).

𝑑 = 𝑑 + 𝑑

2 (2.1)

Onde:

𝑑 , é a média dos dois diâmetros medidos após o ensaio Brinell

𝑑 , 𝑑 , são os diâmetros perpendiculares medidos após o ensaio Brinell

A profundidade de penetração ℎ , ilustrada na Figura 7, pode ser determinada através da fórmula de uma circunferência apresentada na Equação (2.2), com x equivalente a 𝑑 2 e y igual a ℎ − .

Figura 7 - Penetração no ensaio Brinell

𝑥 + 𝑦 =𝐷 4

(35)

Onde:

𝐷 , é o diâmetro do penetrador do ensaio Brinell

Manipulando convenientemente a Equação (2.2), ℎ é definida em concordância com a Equação (2.3). ℎ =𝐷 2 1 − 1 − 𝑑 𝐷 (2.3) Onde:

ℎ , é a profundidade de penetração do ensaio Brinell

Finalmente, a 𝐴 pode ser calculada usando a área superficial de uma calota esférica 2πrh com o raio da calota igual a e a altura ℎ segundo a Equação (2.4).

𝐴 = 𝐷

2 𝜋 1 − 1 − 𝑑

𝐷 (2.4)

Onde:

𝐴 , é a área superficial da penetração do ensaio Brinell

A dureza Brinell é então estabelecida de acordo com a Equação (2.5), sendo que os diâmetros se apresentam em milímetros e a carga em Newtons.

𝐻𝐵𝑊 = 0,102 × 2𝐹

𝜋 × 𝐷 1 − 1 − 𝑑 𝐷

(2.5) Onde:

𝐻𝐵𝑊, é o resultado da medição de dureza na escala Brinell 𝐹 , é a carga aplicada durante o ensaio Brinell

600 𝐻𝐵𝑊 1/30/20 é um exemplo da designação correta do resultado de uma medição de dureza deste ensaio. O primeiro número representa o valor da dureza na escala Brinell calculado segundo a Equação (2.5), o algarismo 1 evidencia o diâmetro 𝐷 em milímetros, o seguinte a carga 𝐹 em quilogramas-força e o último a duração temporal do ensaio em carga, em segundos.

O intervalo de cargas disponível para este ensaio é de 9,807 N até 29,42 kN.

Ensaio Vickers

Em 1924, surgiu o ensaio Vickers, uma alternativa com cargas menos severas e com um penetrador de diamante em forma de pirâmide quadrangular com um ângulo de 136º entre as faces laterais.

Os esclarecimentos foram examinados nas normas ISO 6507 [36] e ASTM E10 [37].

A carga aplicada perpendicularmente à base do penetrador 𝐹 indenta o mesmo na amostra, imprimindo duas diagonais 𝑑 e 𝑑 , como se pode verificar na Figura 8. A variável 𝑑 é a média das diagonais e permite calcular a distância 𝑎 da base da pirâmide, segundo a Equação (2.6).

(36)

Figura 8 - Penetração no ensaio Vickers 𝑎 =𝑑 2 × sen(45º) = 𝑑 √2 4 (2.6) Onde:

𝑎 , é a dimensão da base da impressão do ensaio Vickers mostrada na Figura 8 𝑑 , é a média das diagonais da impressão do ensaio Vickers

A apótema da pirâmide 𝑎 â é calculada conforme a Equação (2.7).

𝑎 â =

𝑑 × √2

4 × sin 136º 2 (2.7)

Onde:

𝑎 â , é a apótema da pirâmide impressa pelo ensaio Vickers

E finalmente a área lateral da penetração 𝐴 é determinada pela Equação (2.8). 𝐴 = 4 × 𝑎 × 𝑎 â = 1

2𝑑

1

𝑠𝑒𝑛 136º 2 (2.8) Onde:

𝐴 , é a área superficial da impressão do ensaio Vickers

A dureza Vickers HV é caracterizada pela divisão entre a força aplicada no penetrador 𝐹 , em Newtons e a área 𝐴 , originando a Equação final (2.9) em função de 𝑑 em milímetros.

𝐻𝑉 = 0,102 ×2𝐹 × 𝑠𝑒𝑛(136º 2)

(37)

Onde:

HV, é o resultado da medição de dureza na escala Vickers 𝐹 , é a carga aplicada durante o ensaio Vickers

O resultado do ensaio deve ser apresentado segundo o seguinte exemplo: 640 𝐻𝑉 30/20. Primeiro a solução da Equação (2.9), seguido do símbolo da escala HV, do valor da carga em quilogramas-força e o tempo que a carga esteve aplicada na amostra, em segundos.

Este ensaio cobre cargas contidas entre 0,09807 e 49,03 N.

Ensaio Knoop

Quinze anos após a invenção do ensaio Vickers, surgiu a solução que viria a permitir a medição de durezas em materiais frágeis ou de espessuras limitadas: o ensaio Knoop.

A norma aplicável a este ensaio ISO 4545 [38] descreve o formato do penetrador como uma pirâmide de diamante mais rasa e alongada, como mostrado na Figura 9. Tal como nos ensaios Brinell e Vickers, a carga 𝐹 é aplicada e mantida durante um período de tempo entre 10 e 15 segundos.

Figura 9 - Forma do penetrador do ensaio Knoop

A dureza Knoop HK é proporcional ao quociente obtido pela divisão da carga pretendida para o ensaio e a área de indentação projetada 𝐴 , calculada com base na constante do penetrador 𝑐 segundo a Equação (2.10). 𝑐 = tan 𝛽 2 2tan 𝛼 2 = 0,07028 (2.10) Onde:

𝑐 , é a constante do penetrador do ensaio Knoop

𝛼 , 𝛽 , são os ângulos característicos do penetrador do ensaio Knoop

A diagonal maior da penetração 𝐷 (apontada na Figura 10) é medida após se retirar a carga do penetrador.

(38)

Figura 10 - Penetração no ensaio Knoop

O resultado HK pode ser estabelecido conforme a Equação (2.11), considerando 𝐹 em Newtons e 𝐷 em milímetros.

𝐻𝐾 = 1,451 × 𝐹

𝐷 (2.11)

Onde:

HK, é o resultado da medição de dureza na escala Knoop 𝐹 , é a carga aplicada durante o ensaio Knoop

𝐷 , é a diagonal maior da impressão do ensaio Knoop

Um exemplo do formato correto para exprimir o valor da medição é 640 𝐻𝐾 0,1/20, sendo primeiro exibido o resultado da Equação (2.11), o símbolo da escala HK, a carga em quilogramas-força e, por fim, o período de aplicação da carga.

Este ensaio permite forças entre 0,009807 e 19,613 N.

Ensaio Rockwell

O ensaio Rockwell surgiu como o método mais rápido pois não usava a medição da área da penetração, mas sim o deslocamento do penetrador.

As informações sobre este ensaio foram estudadas nas normas ISO 6508 [39] e ASTM E18 [40].

A forma do penetrador pode ser cónica ou esférica conforme a escala em utilização (consultar a Tabela 1 do Anexo A). O penetrador é forçado contra a peça primeiramente com uma carga preliminar pré-definida (𝐹 ) durante não mais de 2 segundos e seguidamente com uma força maior (𝐹 ) durante 1 a 8 segundos, conforme demonstrado na Figura 11.

(39)

Figura 11 - Diagrama do ensaio Rockwell

O resultado de dureza é função da diferença entre a profundidade medida após a aplicação do carregamento preliminar e a profundidade impressa após retirar a carga maior, ℎ e das constantes 𝑁 e 𝑆 , segundo a Equação (2.12).

𝐻𝑅𝑋 = 𝑁 −ℎ

𝑆 (2.12)

Onde:

HRX, é o resultado da medição da dureza em qualquer escala Rockwell 𝑁 , 𝑆 , são constantes do penetrador do ensaio Rockwell

ℎ , é a profundidade de penetração do ensaio Rockwell

O símbolo HRX da Equação (2.12), deve ser substituído pelo símbolo da escala Rockwell correta e as constantes adequadas, em concordância com a Tabela 1 do Anexo A.

A exposição correta de um resultado de uma medição de ensaio Rockwell deve cumprir a seguinte organização: 70 𝐻𝑅30𝑇 𝑊, significando o primeiro número a diferença da Equação (2.12), depois o símbolo da escala que caracteriza a carga, o penetrador e as constantes usadas e, finalmente, a letra W que indica que o penetrador tinha forma esférica e era constituído por carboneto de tungsténio.

Ensaio Shore

O ensaio Shore, também conhecido como teste do durómetro, é um dos mais usados para comparar o comportamento de diferentes polímeros e compósitos. As normas responsáveis pela normalização deste ensaio são a ISO 7619 [41] e a ASTM D2240 [42].

Este método consiste na medição da profundidade do penetrador de aço tratado com forma e dimensões específicas, sob uma carga estipulada (𝐹 ) aplicada por uma mola, englobando quatro versões diferentes como explicitado na Tabela 1 do Anexo B. O durómetro do tipo A serve para testar borrachas na faixa de dureza normal (valores inferiores a 20 na escala D), o do tipo D para borrachas de altas durezas (medições superiores a 90 na escala A), o do tipo AO para borrachas de baixa dureza (resultados inferiores a 20 na escala A) e borrachas espumosas e, finalmente, o do tipo AM para amostras de espessura reduzida (inferiores a 6 mm).

As escalas Shore são quantificadas de 0 a 100, pelo que as cargas do ensaio estão contidas entre 324 e 44500 mN.

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Penetrómetro

Ao contrário dos ensaios acima mencionados, o penetrómetro é um instrumento que é muito utilizado na medição de durezas de rochas e solos, e não tanto de materiais metálicos.

Os penetrómetros são instrumentos que avaliam a resistência a que o penetrador está sujeito para atingir uma penetração pré-definida pelo operador. A penetração pode ser conseguida de modo estático ou dinâmico, sob uma velocidade de penetração constante.

Nos penetrómetros estáticos de cone ou de agulha, o penetrador é forçado contra a amostra até atingir uma certa profundidade, num movimento contínuo. O ensaio termina quando a penetração desejada ou a força máxima são atingidas.

O penetrómetro de cone insere um penetrador, como o nome indica, cónico com um ângulo nominal de 60º e as dimensões presentes na Figura 12.

Figura 12 -Dimensões em milímetros do penetrador do penetrómetro de cone (adaptado de [43])

As versões mais recentes deste aparelho usam energia hidráulica que chega a aplicar cargas até 180 kN no penetrador. A carga pode ser estimada recorrendo a manómetros ou a sensores de pressão que controlam as alterações da pressão hidráulica ou a células de carga instaladas no penetrador. O valor máximo adquirido num mesmo ensaio deve ser tomado em consideração e dividido pela área da secção do penetrador (1000 mm2), para obter o resultado da resistência à

penetração [43, 44].

Considerando os valores limite acima, é possível deduzir que este método é aplicado em rochas com resistência à compressão axial inferiores a 180 MPa.

Por outro lado, o método do penetrómetro de agulha tem a vantagem de não requerer qualquer tipo de preparação da superfície da amostra. A agulha em aço dispõe de um diâmetro de 0,84 mm e aspeto cónico mais alongado do que o acima figurado, tal como uma agulha de costura. Este instrumento permite cargas 𝐹 de 0 a 100 N e penetrações ℎ até 10 mm. As resoluções são, respetivamente, 10 N e 1 mm [45].

O penetrómetro retratado na Figura 13, deve ser atuado segurando firmemente com uma mão a zona cónica entre as escalas e empurrando a cápsula perpendicularmente contra a amostra.

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Figura 13 - Componentes do penetrómetro de agulha: (1) calcador, (2) mandril, (3) escala de profundidade de penetração, (4) escala de carga, (5) anel indicador de carga, (6) cápsula, (7) penetrador em forma de agulha e (8)

mola (adaptado de [45])

Para ensaios cuja carga máxima é atingida, ou seja, 𝐹 =100 N e ℎ ≤ 10 mm, a Equação (2.13) caracteriza o resultado da medição 𝑁 .

𝑁 =100 ℎ

(2.13) Onde:

𝑁 , número de impactos executados durante uma medição usando um penetrador dinâmico de agulha

ℎ , é a profundidade de penetração num penetrador dinâmico de agulha

Para materiais menos resistentes, é possível que não se alcance a carga máxima sem antes completar a profundidade extrema e nesses casos (ℎ =10 mm 𝐹 ≤100 N e) a Equação (2.14) deve ser empregue.

𝑁 = 𝐹 10

(2.14) Onde:

𝐹 , carga aplicada num penetrador dinâmico de agulha

Este tipo de penetrómetro deve ser aplicado em rochas cuja resistência de compressão axial não exceda 9,8 MPa.

Os penetrómetros dinâmicos são um pouco distintos. O penetrador cónico com 90º de ângulo nominal (Figura 14) de aço é forçado contra a superfície, inicialmente por um sistema de injeção até uma pequena profundidade e depois pelo impacto repetido de um martelo de determinada massa em queda livre de uma dada altura. A resistência à penetração é distinguida pelo número de golpes necessários para que o penetrador alcance uma profundidade estabelecida. A evolução da profundidade é registada continuamente e a queda do martelo pode ser operada automática ou manualmente, dependendo dos dispositivos. A norma ISO 22476 [44] regula medição de dureza usando penetrómetros dinâmicos.

Referências

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