Ambiente espacial


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

Como é o espaço? Essa é uma pergunta muito comum, afinal, ele está além das possibilidades de alcance de nossa visão. Devido à dificuldade de acesso ao espaço além da atmosfera, muitas pessoas têm o conceito equivocado de que o espaço está muito distante de nós. Errado. A fronteira entre a atmosfera terrestre e o espaço se encontra de 80 a 100 km de altitude. Assim, estamos realmente muito próximos do espaço. O problema consiste em atravessar todas as camadas da atmosfera. Essa “travessia” requer tecnologia de foguetes, a qual ainda não é segura o suficiente para permitir que cidadãos comuns se aventurem sem maiores preocupações, como em uma viagem aérea.

Sim, apesar de diversas empresas de turismo espacial estarem vendendo viagens de alguns minutos de microgravidade para além da estratosfera, não é nada segura essa aventura. Considere que, com todo a experiência acumulada dos norte-americanos com as naves Mercury, Gemini e Apollo, ainda houve dois acidentes fatais com os ônibus espaciais da NASA. Agora, considere que empresas privadas estão começando o empreendimento de turismo espacial. Faça as contas. Percebeu que o risco dessa aventura é alto, né? Quem sabe em algumas décadas, com a experiência, aperfeiçoamento tecnológico, esses voos se tornem seguros, como as viagens aéreas.

Enfim, esse comentário é só para ilustrar que viajar para o espaço é negócio de alto risco. O viajante espacial pode morrer durante o lançamento, pode ter elevado o risco de desenvolver câncer devido à exposição a índices elevados de radiação no espaço, ou pode morrer durante a reentrada da nave na atmosfera. E há outros riscos ainda desconhecidos. Atravessar a atmofera terrestre para chegar ao espaço é muito arriscado. E o ambiente espacial propriamente dito também é um ambiente bastante hostil, como veremos a seguir.

Algumas características do ambiente espacial

Na Terra, estamos protegidos pela atmosfera, que nos oferece o oxigênio e a pressão atmosférica, bem como por um campo magnético que nos protege contra diversas formas nocivas de radiação solar e cósmica. Uma pessoa desprovida de traje espacial exposta ao ambiente extra-atmosférico morreria rapidamente. Vejamos algumas características desse ambiente.

1. Vácuo. Ao contrário do que muitos pensam, o vácuo não é um espaço vazio, um “nada”. Para entendermos melhor, vamos começar falando sobre o que não é vácuo. Nosso ambiente, na atmosfera terrestre, não é vácuo porque é preenchido por muitas moléculas (1024 átomos em um metro cúbico de ar que respiramos). É de se imaginar que essa quantidade enorme de moléculas exerce pressão considerável sobre todos os corpos na superfície terrestre. É a chamada pressão atmosférica que, nada mais é que o peso que a atmosfera exerce sobre a superfície terrestre. Ela é maior ao nível do mar e menor em regiões mais elevadas, como montanhas. Mas o que é mesmo pressão? É uma força resultante do impacto de moléculas presentes em gases ou líquidos, sobre superfícies em seus arredores. A relação entre pressão (p), força (F) e área (A) é dada por: p=F/A. Sua magnitude depende da força desse impacto sobre uma área definida. Sua unidade de medida é o Newton por metro quadrado, que recebe o nome de pascal.

O conceito de pressão nos permite entender muitos dos fenômenos físicos que nos rodeiam. Fonte: USP.

O conceito de pressão nos permite entender muitos dos fenômenos físicos que nos rodeiam. Fonte: USP.

Podemos definir vácuo em termos de pressão. Se a atmosfera terrestre é um ambiente de alta pressão devido à grande concentração de moléculas, o vácuo é um ambiente de pressão desprezível, devido à baixíssima concentração molecular. O vácuo é também descrito como um estado consideravelmente abaixo da pressão atmosférica. Uma pressão tão baixa que não afeta nenhum processo nele realizado. Já em mecânica quântica, vácuo é definido como um estado de energia mínima. Podemos dizer que vácuos são ambientes frios, aparentemente vazios, que preenchem praticamente todos os espaços no universo. Mas, como vimos, é errôneo dizer que o vácuo é um vazio. Ele está longe de ser vazio. No vácuo transitam raios gama, ondas de rádio, outras formas de radiação, além das chamadas matéria escura e energia escura. O que ocorre é que a quantidade de moléculas é tão pequena que se torna difícil detectar. Há poucos átomos de hidrogênio por metro cúbico no espaço. De fato, o grande volume de espaço entre os planetas, sistemas solares, ou entre galáxias é praticamente livre de matéria. Desse modo, a condição de vácuo é bem diferente da atmosfera terrestre, que, como vimos, possui alta densidade molecular e, como resultado, grande pressão.

Você pode criar um vácuo parcial em sua casa, removendo ar do interior de um recipiente. Por exemplo, pegue um copo de vidro, posicione-o na boca e succione o ar do copo de forma que ele se “prenda” no seu rosto. No interior desse copo, há um vácuo parcial. Ou, use uma seringa. Comprima o êmbolo até o final. Tape a saída com um dos dedos e torne a “puxar” o êmbolo. Há um efeito elástico que vai dificultar “puxar” o êmbolo. Na área que fica no interior entre a saída fechada pelo dedo e o êmbolo de borracha, há um vácuo parcial. Por certo, nenhum desses “vácuos” está próximo de ser um vazio completo de moléculas (vimos que nem no espaço isso ocorre), mas eles possuem pressões muito menores que a atmosférica. Veja, no vídeo abaixo, como o uso de conceitos de vácuo pode ser útil em certas situações do dia-a-dia.

2. Baixa pressão. Como vimos, no espaço a quantidade de moléculas é desprezível, em comparação a um ambiente como a atmosfera terrestre, por exemplo. A densidade no espaço é muito baixa. Na Terra, a atmosfera exerce pressão em todas as direções. Ao nível do mar, essa pressão está próxima de 101320 Pa (o Pascal é a unidade de pressão no Sistema Internacional de Unidades e corresponde à pressão resultante da aplicação de uma força de l Newton sobre uma área de 1 metro quadrado). No espaço, a pressão é praticamente nula. Se uma pessoa fosse abandonada no espaço sem traje espacial, ela morreria em menos de dois minutos, devido a essa baixa pressão. Como? Vejamos. O ser humano se desenvolveu em um ambiente com pressão atmosférica, portanto seu organismo precisa dessa pressão para sobreviver. Essa infeliz pessoa abandonada no espaço, teria seus pulmões desprotegidos. O ar em seu interior se dissiparia rapidamente no vácuo e os gases dissolvidos nos fluidos do corpo se expandiriam, separando sólidos e líquidos. A pele se inflaria como um balão. Bolhas se formariam na corrente sanguínea, de modo que o sangue não seria capaz de transportar oxigênio e nutrientes para as células do corpo. Ao mesmo tempo, uma ausência súbita de pressão externa equilibrando a pressão interna de gases e fluidos do corpo romperia tecidos frágeis, como os tímpanos e os capilares. O efeito final no corpo seria a expansão, a danificação de tecidos, além de privar o cérebro de oxigênio, o que ocasionaria perda de consciência em um intervalo de tempo menor que 15 segundos.

3. Variação de temperatura. O espaço é um lugar muito gelado. Sim, considere as temperaturas mais frias e mais quentes na Terra. Elas são insignificantes quando comparadas ao ambiente espacial! De fato, é no espaço que encontramos as temperaturas mais baixas da natureza.

Mas, o que é mesmo temperatura? Basicamente, trata-se do índice de liberdade com que as moléculas podem se movimentar. Assim, a temperaturas muito altas as moléculas se movem muito rapidamente e, a temperaturas baixas, elas se movem muito lentamente.

A maior parte do espaço é gelado. Sim, os espaços entre planetas, satélites, asteroides estrelas… apresenta uma temperatura que se aproxima do zero absoluto (na escala Kelvin; a essa temperatura, as moléculas param de se movimentar). Essa temperatura corresponde a – 273ºC! Mas, no espaço, a temperatura não chega a zero absoluto, mas a 3 graus acima do zero absoluto. Esse “calor” provém da radiação de fundo, que é a principal evidência de que o Big Bang realmente aconteceu. Não importa para onde você viaje pelo universo, essa radiação estará sempre presente.

Todavia, há variações de temperatura no universo. Será mais quente se você estiver próximo de uma estrela; será mais frio se você estiver nas fronteiras do sistema solar, por exemplo. Vejamos como funciona próximo da Terra. A uma distância equivalente à distância Terra-Sol, o lado dos objetos iluminado pelo Sol pode atingir uma temperatura de até 120°C, enquanto o lado de sombra pode atingir até -100°C. Essas variações de temperatura precisam ser levadas em consideração quando os engenheiros projetam naves espaciais e trajes de astronautas para atividades fora da nave espacial. Sem traje espacial, o astronauta viraria um churrasquinho do lado de seu corpo voltado para o Sol, e um picolé no lado oposto!

4. Ausência de peso aparente (microgravidade). No espaço, parece que as pessoas não têm peso. Para quem vive de dieta, seria o máximo! Mas, essa sensação é apenas imaginária. Sabemos que o peso é uma força. Na Terra, como existe uma força de atração que vêm do centro da Terra, que é  maior que a força com que a pessoa é “puxada” na direção contrária, ela não “escapa” em direção ao espaço. E o que acontece com os astronautas na Estação Espacial Internacional ou no interior de uma nave espacial? Temos que considerar o seguinte. Essas naves estão a apenas 100 km da superfície da Terra! No caso da Estação Espacial, ela está a apenas 400 km da superfície da Terra! Se essas naves estivessem estacionadas no espaço, o que você acha que aconteceria? Quem pensou que elas seriam atraídas pela Terra, acertou. Não só isso, os astronautas seriam, consequentemente, atraídos em direção à Terra, e continuariam presos ao chão da nave, como na Terra. Claro, pois a nave está muito próxima da Terra. Essas naves estão se deslocando a uma velocidade tão grande que faz com que não caia na Terra, apesar de estarem em queda livre. Por isso, gera nos astronautas uma sensação de aparente ausência de peso. Em outras palavras, gera a sensação de microgravidade. É isso que faz com que os astronautas flutuem. Para saber mais, confira essas vídeo aulas da Khan Academy, Gravidade para Astronautas em Órbita e Aceleração gravitacional em uma estação espacial.

Confira esse vídeo que mostra como um ambiente de microgravidade pode ser gerado no ambiente terrestre (atmosfera).

Em sala de aula: Você pode acessar essa Sugestão de Aula do Portal do Professor, sobre Aceleração da Gravidade.

5. Efeitos de clima espacial. A interação de emissões de plasma do Sol com o campo magnético da Terra produz alguns efeitos que capazes de afetar satélites artificiais e outros aparatos em órbita, astronautas em atividade extraveicular, e mesmo gerar efeitos no cotidiano da Terra. Saiba mais clicando aqui.

6. Meteoróides. Pedaços muito pequenos de rocha e metal oriundos da formação do Sistema Solar a partir da colisão de cometas e asteróides. Apesar de serem usualmente pequenos em massa, eles viajam a uma velocidade muito elevada e podem facilmente penetrar na pele humana e no metal espesso.

7. Lixo espacial. A era espacial teve início com o lançamento dos primeiros satélites artificiais pela ex-União Soviética e pelos Estados Unidos. Desde então, mais de 32 mil objetos foram lançados ao espaço, com as mais diversas finalidades. Peças se soltam, pinturas, colisões, combustível de foguete… Você já imaginou quanto lixo existe nas órbitas da Terra? É uma quantidade tão grande quanto o problema que isso vem se tornando para os satélites ativos e astronautas em atividade fora da nave. Considerando as velocidades orbitais, mesmo uma pequena lasca de pintura pode comprometer o funcionamento de um satélite ou a vida de um astronauta em atividade extraveicular. A peça mais antiga de lixo espacial ainda em órbita é o satélite norte-americano Vanguard, no espaço desde 1958. Veja na imagem abaixo, o estrago que uma esfera de 12 mm pode causar em um bloco de alumínio, a uma velocidade orbital de 6.8 km/s.

choque

Extraído do sítio da Agência Espacial Européia. http://www.esa.int/

Como se trata de um problema que afeta todas as agências espaciais, há um esforço de cooperação internacional envolvendo diversas agências espaciais, para pensar soluções para a questão. Algums técnicas usadas atualmente para combater o problema são a reentrada controlada na atmosfera de parte desses objetos, e a queima total de combustível dos foguetes, quando descartados.

8. Outras formas de radiação. Exemplos são os raios cósmicos.

É por isso que a tecnologia espacial é tão cara e as viagens espaciais são tão complexas e perigosas. Veja quantas ameaças viajando pelo universo. O espaço representa ainda o desconhecido, e os perigos para a vida humana são grandes e reais. No entanto, nossas primeiras incursões no oceano cósmico têm nos ensinado lições que nos permitirão desenvolver tecnologias que, embora talvez nunca eliminem todos os riscos das viagens espacias, poderão pelo menos minimizá-los, especialmente nas viagens até a órbita baixa da Terra, onde se encontra a Estação Espacial Internacional. Esperamos que esses avanços permitam que qualquer cidadão tenha condições físicas e financeiras de visitar o espaço, mesmo que na condição de turista espacial, ou mesmo de colonizador de outros corpos celestes. Essa é a visão de muitos pioneiros da pesquisa espacial, como o russo Tsiolkovsky (considerado o pai da Astronáutica), que considerou o espaço como um ambiente para ocupação definitiva pelo ser humano, que deve sair de seu berço e se espalhar, como espécie, pelo sistema solar e além.

Concepção de um hotel espacial

Concepção de um hotel espacial

Fontes consultadas

http://br.answers.yahoo.com/question/index?qid=20101217093812AAUPT0d

http://global.britannica.com/EBchecked/topic/621344/vacuum

http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0810/0810.0224.pdf

http://www.npl.co.uk/reference/faqs/what-is-vacuum-(faq-pressure)

http://wiki.answers.com/Q/Why_is_space_a_vacuum

http://www.cosmos4kids.com/files/universe_vacuum.html

http://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php?id=896

http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Extreme_space/Surviving_extreme_conditions_in_space

http://www.spacetoday.org/Questions/Spacesuits.html

http://www.space.com/14719-spacekids-temperature-outer-space.html

http://www.outerspaceuniverse.org/what-is-the-temperature-of-outer-space.html

http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/ask_astro/answers/980301b.html

https://educacaoespacial.files.wordpress.com/2010/10/colecaoexplorandooensino_vol12.pdf

http://quest.nasa.gov/space/teachers/suited/3outer.html

http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/temperature.html

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