Elevadores Espaciais


Elevador espacial. Fonte: NASA

Autoria: Norma Teresinha Oliveira Reis (normareis@mec.gov.br)
 
 
 

Ei, terráqueo! Você mesmo. Tenho uma pergunta. Você já pensou em viajar ao espaço? E você conhece alguém que já sonhou em se aproximar das bordas do oceano cósmico? Tinha certeza que a resposta seria sim. Afinal, tornar-se astronauta é o sonho dourado de quase toda criança. Mas, entre sonho e realidade há uma distância considerável, principalmente no que diz respeito a viagens espaciais. De fato, apenas algumas mentes iluminadas conseguem superar todas as etapas de formação acadêmica, profissional, além de esforço pessoal e sorte, para chegar a se tornar astronauta e voar em uma missão espacial.

Hoje, não precisamos mais ser astronautas profissionais (toda pessoa que viaja ao espaço é designada “astronauta”. A diferença é que os astronautas que vemos em missões oficiais são profissionais) para viajarmos ao espaço. Bom, a vantagem de ser astronauta é que você é pago para fazer a viagem. Mas, para a maioria dos mortais, a alternativa para contemplar o azul da Terra contrastando com a misteriosa escuridão cósmica consiste em se tornar o que ficou designado “turista espacial”. Como o próprio nome indica, trata-se de um viajante espacial que pagou pela aventura. Já é possível, hoje, fazer turismo espacial na Estação Espacial Internacional ou um voo mais simples, chamado suborbital, em que você experimenta alguns minutos de microgravidade e pode contemplar a Terra pela janela da nave. Mas o passeio custa caro. Para um voo suborbital, o preço varia de 100 a mais de 200 mil dólares. Já para uma viagem de alguns dias a bordo da Estação Espacial, o preço sobe bastante, chegando a vários milhões de dólares. Saiba mais.

O motivo já sabemos, certo? As viagens espaciais são caras porque os sistemas de acesso ao espaço são caros. Em outras palavras, os foguetes responsáveis por levar a nave espacial para além da atmosfera de modo que ela possa ser inserida em uma órbita, são muito caros. Sim, temos planos de viagens a Marte e destinos mais além para as próximas décadas, mas infelizmente, ainda não temos a disposição um sistema mais barato e ao mesmo tempo seguro, confiável, de acesso ao espaço. Mas temos ideias em desenvolvimento. Vamos discutir aqui uma delas, que é o elevador espacial.

Isso mesmo. Se depender do esforço de equipes de engenheiros e cientistas em várias partes do mundo, dentro de algumas décadas será possível realizar viagem ao espaço… Pegando um elevador. A ideia e essa mesma – é como se fosse um cabo gigante capaz de transportar pessoas e cargas ao espaço. Vejamos mais detalhes.

1. Elevador espacial. O que é isso?

Um elevador espacial é exatamente o que o nome indica: uma espécie de “trem para as estrelas”. É um meio de transporte que conecta um ponto na Terra a um ponto no espaço, com seu centro de massa na órbita geoestacionária da Terra, a 35.786 km de altitude. O elevador pode ter 100 mil km de altura atingindo um ponto muito mais distante do que a altura em que o ônibus espacial costumava orbitar (de 185 a 643 km). Na verdade, ele chegaria a um quarto da distância da Terra à Lua, que fica a uma distância de 382.500 km do nosso planeta. Em outras palavras, o elevador espacial é uma espécie de torre, um cabo longo que se conecta a uma nave espacial.  Esse elevador utiliza leis fundamentais da Física para gerar energia elétrica, gravidade artificial, impulso ou arrasto, entre outros, sem precisar de combustível, como os foguetes. Ele pode ser utilizado para diversos propósitos, como suprimento de energia para veículos espaciais, alteração de órbita de um veículo espacial, ou transporte de cargas, pessoas e energia da Terra para órbitas altas, com custos muito menores em comparação a métodos convencionais de envio de objetos ao espaço. Os desenhos atuais preveem a construção da torre em um ponto no Equador terrestre. Isso porque a altura extrema de sua seção mais baixa a torna vulnerável a ventos de elevada altitude. Uma localização equatorial é ideal para uma torre dessa altura porque essa região é praticamente desprovida de tornados e furacões e permite que a torre se alinhe adequadamente com as órbitas geoestacionárias (Fontes: http://www.wpi.edu/Pubs/E-project/Available/E-project-031207-235520/unrestricted/Space_Tethers_IQP.pdf http://www.universetoday.com/36510/space-tether/).

Confira nos vídeos abaixo uma introdução ao conceito de elevador espacial.

 

2. Como funciona um elevador espacial?

Como trens leves sobre trilhos. Fonte: NASA

Um elevador espacial é composto por um cabo longo que se estende da superfície terrestre até um objeto massivo em uma órbita geoestacionária, bem como transportadores/carregadores elétricos fixados nesse cabo, que transportam a carga da Terra a um destino no espaço, que pode ser uma nave espacial ou um satélite, por exemplo. Para manter o cabo esticado por meio de forças gravitacionais e rotacionais, o centro de  massa do elevador espacial precisa ser mantido acima dessa órbita (Fonte: http://euspec.warr.de/). O elevador espacial funciona devido à rotação da Terra e ao princípio da tensão. A rotação da Terra mantém o cabo esticado e capaz de suportar os carregadores que se deslocam ao longo do cabo. A tensão é uma força exercida em uma corda mantendo-a reta quando ela estiver sendo puxada em direção à superfície terrestre. No caso do elevador espacial, a fonte de tensão é a força centrípeta da rotação da Terra. Para visualizar esse conceito, pense em um ioiô que você faz movimentar-se de forma circular, por exemplo. Esses carregadores viajam a velocidades comparáveis a de trens rápidos e não usam combustível. Sua energia deriva de uma combinação de energia solar e laser. E do que poderá ser feito o elevador espacial? É certo que tem que ser um material extremamente resistente e ao mesmo tempo leve. A solução para o desafio são os nanotubos de carbono, descobertos em 1991, que têm apenas alguns centímetros de largura e é quase tão fina quanto um pedaço de papel. Os nanotubos de carbono têm o potencial para serem 100 vezes mais fortes do que o aço e são tão flexíveis quanto o plástico. Por meio daquele cabo, seria transportada a carga. Imaginemos, por exemplo, os trens leves que flutuam sobre os magnetos, utilizando partes móveis. Essas tecnologias seriam utilizadas para transportar naves espaciais sobre os “trilhos” do elevador espacial (Fonte: http://ciencia.hsw.uol.com.br/elevadores-espaciais.htm).

Esquema das partes componentes de um elevador espacial. Adaptado a partir de imagens contidas nos sítios http://news.discovery.com/tech/space-elevator-120225.html e http://www.isec.org/

3. Que vantagens oferecem os elevadores espaciais?

Menor preço. Os sistemas de lançamento que utilizam foguetes são muito limitados pela física da propulsão. Mais de 90% do peso de um foguete é composto por combustível, e o resto se divide entre o peso do tanque de combustível e a carga transportada. Isso torna muito difícil que o transporte em um veículo desses seja barato ou seguro (Fonte: http://www.isec.org/). Prova disso são os poucos, mas catastróficos acidentes, como o Challenger, em que diversas vidas de astronautas foram ceifadas.  A principal vantagem no uso dos elevadores espaciais é o barateamento dos custos de envio de cargas e pessoas ao espaço. A energia necessária para deslocar uma carga ao espaço seria muito pequena. Utilizando valores recentes, a carga de 12 mil kg de um ônibus espacial custaria apenas 17.700 dólares até a órbita geoestacionária. Um passageiro com bagagem, totalizando 150 kg, custaria somente 222 dólares. Para termos uma ideia, o preço atual para deslocar 1 kg ao espaço é de 22 mil dólares. Já imaginou o potencial disso para o turismo espacial? Energia. Além disso, com o elevador espacial podemos ter a nossa disposição acesso a uma fonte infinita de energia solar. A NASA, por exemplo, realizou alguns estudos para utilizar elevadores espaciais ao longo do campo magnético terrestre para gerar eletricidade. Facilidade para envio de mais carga ao espaço – construção de estações e colônias espaciais. As reduções de custo de envio de carga ao espaço facilitaria a construção de grandes projetos como estações espaciais e mesmo colônias na lua e em marte  (Fonte: http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2000/ast07sep_1/). Maior frequência de uso. Além disso, esse tipo de transporte pode ser utilizado com mais frequência. Enquanto uma viagem a bordo de naves espaciais demora vários dias, esse transporte pode ser utilizado uma vez por dia. E pode transportar muito mais peso. A primeira projeção de carregadores terá capacidade de transportar 20 toneladas, mas na medida em que conseguirmos tornar o cabo mais espesso, podemos aumentar essa capacidade para 100, até 1000 toneladas em uma só viagem. Envio de cargas em rota para outros corpos celestes. E pode colocar carga em rota para outros corpos celestes. Além de lançar cargas em órbita, o elevador espacial pode também utilizar seu movimento rotacional para injetar cargas em órbitas de transferência planetárias – de modo a lançar cargas para marte, por exemplo, uma vez por dia (Fonte: http://www.isec.org/). Isso facilitaria muito na instalação de infraestrutura nesses corpos celestes, quanto nossos planos de colonização interplanetária começarem a ser colocados em prática. Espaço – acessível a todos. Enfim, quando finalmente pronto e operacional, o elevador espacial mudará radicalmente o cenário da exploração espacial, tornando o espaço um ambiente mais democrático, seguro e de fácil acesso a qualquer cidadão.

4. Por que ainda não temos elevadores espaciais a disposição?

Nanotubos de carbono. Maior resistência e leveza. Fonte: NASA

O principal obstáculo foi encontrar um material para o seu desenvolvimento. O material de que o cabo é feito, precisa ser forte o suficiente para suportar as forças de tensão sem se romper. Atualmente, as pesquisas com os nanotubos de carbono parecem ser a resposta mais viável e barata. O carbono é um elemento interessante, pois suas propriedades se alteram na medida em que sua estrutura molecular é modificada. No caso dos nanotubos, o carbono sob circunstâncias especiais pode ser arranjado em nível molecular, em tubos. Isso confere aos nanotubos de carbono uma força muitas vezes superior ao aço e os torna até capazes de funcionar como condutores. No momento, o desafio maior consiste na produção em massa e em transformar os nanotubos em um cabo utilizável (Fonte: http://www.universetoday.com/36510/space-tether/).

5. O que vem sendo feito para que eles sejam desenvolvidos?

Há agências espaciais como a NASA desenvolvendo estudos avançados nesse tema, e realizando prêmios para encorajar indivíduos a apresentar ideias inovadoras e práticas para viabilizar o elevador espacial, talvez dentro de algumas décadas. Uma vez, o escritor Arthur Clarke estava fazendo um discurso em um evento e alguém perguntou a ele quando o elevador espacial se tornaria uma realidade. Clarke respondeu: “Provavelmente cerca de 50 anos depois que todo mundo parar de rir”. De fato, quando paramos de pensar nas limitações de uma ideia e na dificuldade de concretizá-la, começamos a buscar soluções práticas. Há uma empresa chamada LiftPort (http://liftport.com/), planejando colocar um elevador na Lua! Veja no vídeo abaixo (em inglês), como seria isso. Apesar de o vídeo estar em inglês, é possível visualizar a concepção dessa missão.

6. Cronologia do desenvolvimento das ideias

Livro de Arthur Clarke, Fountais of Paradise

1895 – O cientista e professor russo, conhecido como o pai da Astronáutica, Konstantin Tsiolkovsky, sugeriu um charmoso “Castelo Espacial” situado na órbita geossíncrona da Terra (saiba mais sobre tipos de órbitas), preso a uma torre no solo, de modo não muito diferente da Torre Eiffel, em Paris.

1960 – O engenheiro russo Yuri Artsutanov, redigiu algumas das primeiras ideias modernas sobre elevadores espaciais. A ideia básica consistia em transportar carga ao espaço de forma mais econômica. Publicadas como histórias não técnicas, elas nunca chamaram a atenção do Ocidente.

1966 – A revista Science lançou um artigo curto pelo oceanógrafo norte-americano John Isaacs, sobre um par de cabos finos estendendo-se a um satélite geoestacionário. O artigo praticamente não chamou a atenção.

1975 – O conceito finalmente foi notado pela comunidade de engenheiros de voo espacial por meio de um artigo técnico de Jerome Pearson, do grupo do laboratório de pesquisa da força aérea dos EUA. Esse artigo inspirou um livro de Arthur Clarke.

1978 – Um artigo do político canadense Smitherman credita o escritor de ficção científica Arthur C. Clarke pela introdução do conceito de elevador espacial a uma audiência maior. Em seu livro de 1978, Fountains of Paradise, engenheiros construíram um elevador especial no topo de uma montanha na ilha mística de Taprobane (próxima ao Sri Lanka). Os construtores teriam usado materiais avançados como nano fibras de carbono, atualmente em estudos de laboratório. Segundo Smitherman, seu livro trouxe ao público em geral a ideia por meio da comunidade de ficção científica.

Alguns poucos depois de Arthur Clarke, como o cientista italiano Giuseppe Colombo, teorizaram que seria possível construir uma enorme estrutura que se estenderia da superfície da Terra até a órbita geoestacionária e que poderia ser utilizada para transportar objetos da Terra ao espaço. Essas ideias formaram a base do conceito moderno de elevador espacial (Fonte: http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2000/ast07sep_1/ e http://www.wpi.edu/Pubs/E-project/Available/E-project-031207-235520/unrestricted/Space_Tethers_IQP.pdf).

7. Só para descontrair…

Essa bela música de Frank Sinatra, Fly me to the Moon, que tem tudo a ver com essa ideia tão espacial!

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