Câmera revolucionária da Nasa permite ver o vento e fotografar o invisível

Por décadas, engenheiros aeroespaciais enfrentaram o complexo desafio de "fotografar" o vento. Compreender o movimento do ar é vital para criar aeronaves mais seguras e eficientes, mas o elemento é, por natureza, invisível. A ausência de uma visualização clara dificultava a otimização de projetos de aviões e foguetes.

A ideia de “fotografar” o vento pode parecer meio bizarra, mas é fundamental para criar aeronaves mais seguras e eficientes. Como o ar é transparente para a luz visível — ou seja, não reflete a luz como uma parede ou uma pessoa —, nós não conseguimos "vê-lo" diretamente.

Para realizar essa tarefa complexa, os cientistas geralmente recorrem a um fenômeno chamado refração. Na verdade, eles não fotografam o ar em si, mas sim as mudanças na sua densidade. Até agora, a Nasa usava uma técnica, criada no século 19, chamada schlieren (palavra alemã que significa "estrias" ou "listras").

Embora seja um sistema óptico difícil de montar, o princípio continua fascinante: ao passar um feixe de luz por uma região onde há variações de densidade no ar (como ondas de calor ou choques aerodinâmicos), essas perturbações curvam ligeiramente os raios de luz, tornando-os visíveis. É parecido com o efeito de ondas de calor tremulando sobre o asfalto quente no verão.

Em 2020, dois engenheiros do Centro de Pesquisa Langley da Nasa — Brett Bathel e Joshua Weisberger — revolucionaram a técnica centenária e criaram o Self-Aligned Focusing Schlieren (SAFS), uma nova ferramenta de visualização que usa a polarização da luz (sim, aquela usada nos óculos de sol) para dispensar a montagem do aparato centenário.

Por que o sistema schlieren tradicional foi substituído?

A montagem tradicional do sistema schlieren podia levar dias ou semanas. Nela, os cientistas usavam uma luz muito concentrada em um único ponto, enquanto espelhos instalados com precisão a transformavam em um feixe paralelo que atravessava a região a ser estudada — como um túnel de vento, por exemplo.

Finalmente, era inserida a parte mais engenhosa e delicada da operação: o "fio de corte" (knife-edge), uma peça de metal com uma borda extremamente afiada fabricada especificamente para fins ópticos. No século 19, o inventor do sistema, August Toepler, usava lâminas de barbear.

Com o knife-edge posicionado milimetricamente na frente da lente da câmera, quando a luz atravessa uma região de densidade uniforme, segue em linha reta e metade dela é bloqueada, naturalmente, pela lâmina. Mas quando encontra uma variação de densidade (uma onda de choque ou calor), os raios se curvam ligeiramente.

Ou seja, alguns raios que seriam bloqueados pela lâmina passam por cima dela, e outros que passariam são bloqueados. Essa diferença aparece na câmera como zonas mais claras e mais escuras. É isso que torna o fluxo de ar visível. O problema é a sensibilidade do sistema: se o prédio vibrar, se alguém esbarrar na mesa ou se a temperatura mudar, o alinhamento se perde.

Essa limitação representava um gargalo importante para a pesquisa aeroespacial. Além de ineficiente, a obtenção de dados de visualização de fluxo de alta velocidade deixava as caras instalações inativas por longos períodos. A indústria demandava uma solução mais prática, econômica e rápida de implementar em seus túneis de vento.

Tornando o movimento de ar visível

SAFS mostra a seção intermediária de um propulsor de foguete • Nasa/Brett Bathel/Divulgação

A nova tecnologia SAFS, premiada pela Nasa como Government Invention of the Year 2025, veio para revolucionar a maneira como observamos o movimento do ar, tornando o invisível visível de uma forma nunca vista antes. Além disso, é uma ferramenta de visualização compacta, de baixo custo e fácil de usar.

Na prática, o SAFS coloca uma tela com uma grade de linhas (como um código de barras iluminado) atrás do objeto que está sendo testado: a asa de um avião no túnel de vento, por exemplo. A luz reflete nessa grade, passa pelo ar — onde está o vento — e entra na lente da câmera.

A “mágica” acontece dentro do módulo SAFS acoplado à câmera, onde cristais especiais (chamados birrefringentes) dividem a luz em duas: uma imagem da grade original e uma da grade levemente deslocada. Como o sistema é autoalinhado, as duas estão travadas juntas pela física do cristal.

Por último, a câmera usa um filtro polarizador que faz essas duas imagens interagirem. Onde o ar está parado, a luz passa uniformemente, mas, quando muda de densidade (onda de choque ou turbulência), ele desvia a luz apenas o suficiente para que ela seja bloqueada ou transmitida pelo filtro. Com isso, o sensor não vê a grade de fundo, mas só as manchas de luz e sombra.

Em um comunicado da Nasa, Brett Bathel comenta os desdobramentos de sua invenção: “Quando os pesquisadores conseguem ver e entender o movimento do ar de maneiras que antes eram difíceis de alcançar, isso leva a projetos de aeronaves melhores e voos mais seguros para todos”, conclui.