A Linha Espacial: um Elevador Da Terra à Lua

O futuro da humanidade pode estar no espaço, mas chegar lá é um grande desafio. Em suma, lançar cargas úteis no espaço a partir do fundo da gravidade da Terra é bem caro, independentemente de envolver ou não foguetes reutilizáveis. E, embora alguns tenham sugerido que a construção de um elevador espacial seria uma solução a longo prazo para esse problema, esse conceito também é muito caro e apresenta todos os tipos de obstáculos de engenharia.

Como alternativa, um par de graduados em astronomiacomiestudantes dos EUA e do Reino Unido recomendam uma alternativa inspirada, conhecida como Spaceline . Este conceito consistiria em ancorar um cabo de força de alta resistência à Lua que se estenderia profundamente dentro da gravidade da Terra. Isso permitiria a livre circulação de pessoas e materiais entre a Terra e a Lua por uma fração do custo.

Os dois responsáveis ​​por esse conceito são Zephyre Penoyre e Emily Standford , que são do Instituto de Astronomia da Universidade de Cambridge e do Departamento de Astronomia da Universidade de Columbia , respectivamente. O estudo que descreve suas descobertas apareceu recentemente online e será submetido para publicação em um futuro próximo.

O conceito do elevador espacial remonta a muitos décadas,e acredita-se ter se originado dos cientistas russos Konstantin Tsiolkovsky e Yuri Artsutanov. Enquanto Tsiolkovsky imaginou uma superestrutura que poderia conectar a Terra ao espaço, Artsutanov foi quem sugeriu originalmente uma estrutura de suspensão com um contrapeso em órbita.

Desde então, muitos cientistas têm defendido a criação do Space Elevator por causa dos benefícios que traria aos voos espaciais. Como observado, enviar foguetes para o espaço é bastante caro, pois qualquer espaçonave que queira se libertar da gravidade da Terra deve atingir uma velocidade de escape de 11.186 km / s (40.270 km / h; 25.020 mph). Isso consome muito combustível, custa muito dinheiro e requer naves espaciais bastante grandes.

Ao eliminar a necessidade de lançar cargas úteis e equipes no espaço, um elevador espacial reduziria significativamente o custo da exploração espacial. Usando o foguete Falcon 9 da SpaceX , atualmente custa US $ 62 milhões para enviar cargas úteis de até 22.800 kg (50.265 lb) à LEO.Isso dá cerca de US $ 2.700 por kg ou US $ 1.230 por libra. Porém, com um elevador espacial, as cargas úteis podem ser enviadas para o espaço a uma taxa de alguns dólares por kg / lbs.

Isso nos permitiria colocar tudo, desde matrizes solares espaciais e habitats comerciais a novas estações espaciais, satélites e telescópios espaciais em órbita, comercializando efetivamente (e até colonizando) o LEO. Ao mesmo tempo, reduziria drasticamente os custos das missões no espaço profundo, removendo a necessidade de lançar naves espaciais em órbita.

Impressão artística de um possível elevador espacial. Crédito: NASA

As naves espaciais que seriam destinadas a Marte, Vênus, Mercúrio e o Sistema Solar externo poderiam ser construídas em órbita e lançadas a partir do próprio elevador. Essas naves espaciais também podem ser reutilizáveis ​​e permitir habitats em torno de outros planetas e corpos, dando-nos a capacidade de ampliar nossa presença em todo o Sistema Solar. Infelizmente, todo esse planejamento se depara com um grande problema, que também surge da gravidade da Terra.

Simplificando, ao longo do século 20, as propostas para um Elevador Espacial se depararam com o mesmo problema: nenhum material conhecido era forte o suficiente para suportar uma estrutura em órbita amarrada à Terra. No século 21, a invenção dos nanotubos de carbono revitalizou o interesse no conceito. Mas, como Penoyre disse ao Universe Today por e-mail, isso não resolveu o problema:

“O elevador espacial clássico é, infelizmente, atualmente uma impossibilidade física. Existem limites fundamentais para a resistência do material e, embora os nanotubos de carbono (e outros materiais ainda mais exóticos) possam ser suficientemente fortes, pesquisas sobre sua produção e uso em massaé em Estáinfância. Existem outras questões ... como a forma de implementá-lo com segurança e baixo custo, sua estabilidade e o medo de colisão com material em órbita (ao passar pela região mais movimentada e poluída do espaço, entre a órbita baixa da Terra e a órbita geoestacionária). "

Para ser justo, Penoyre acredita que esses desafios serão resolvidos com o tempo, principalmente porque as vantagens de um elevador espacial são excelentes. No entanto, enquanto aguardam os avanços necessários nas ciências da engenharia e dos materiais, ainda há muito a fazer para reduzir os custos da exploração espacial e expandir nossa presença além da Terra.

Conceito do artista para um elevador lunar. Crédito: Liftport / Michael Laine

É aqui que o conceito de Spaceline entra em jogo. O conceito é similar em muitos aspectos a um Elevador Lunar, que seria construído na superfície da Lua e se estenderia até a gravidade da Terra. No passado, essa idéia foi proposta como uma maneira de contornar os problemas da criação de um elevador espacial na Terra.

Não apenas a menor velocidade de escape tornaria mais fácil elevar a carga para o espaço, como também seria capaz de usar bem a gravidade da Terra para se estabilizar. O Spaceline aproveita esses benefícios, introduzindo um conceito que pode ser construído usando materiais e técnicas já disponíveis e comprovadas. Em resumo, estender um cabo à órbita geoestacionária (GSO) é teoricamente possível hoje em dia e permitiria que cargas úteis fossem movidas entre o GSO e a Lua.

Comparado a um elevador espacial, o Spaceline oferece muitos dos mesmos benefícios enquanto resolve os maiores desafios de engenharia. Usando uma abordagem analítica simples, Penoyre e Standford foram capazes de mostrar que os limites físicos fundamentais poderiam ser alcançados. Como Penoyre os descreveu:

“[A] força necessária do material é muito menor do que um elevador terrestre - e, portanto, poderia ser construído a partir de fibras que já são produzidas em massa ... e relativamente acessíveis. A linha espacial também evita a região do espaço onde as colisões são mais prováveis ​​(perto da terra), pode ser implantado de forma relativamente barata e fácil (enrolando o cabo simultaneamente em direção à Terra e à Lua a partir do ponto Lagrange) e é mais estável.

Ilustração da Linha Espacial, uma alternativa a um Elevador Espacial. Crédito: Penoyre & Standford (2019)

Naturalmente, esta proposta não resolve todos os problemas de engenharia apresentados por essa megaestrutura. Mas é a esperança de Penoyre e Standford que o estudo deles ajude a inspirar mais pesquisas e abordar essas questões. Eles incluem (mas não estão limitados a) a estabilidade da própria linha, taxas de colisão e os materiais ideais para a construção dessa estrutura.

Inicialmente, Penoyre e Standford desenvolveram o conceito de uma Linha Espacial de forma independente, mas rapidamente tomaram conhecimento das propostas passadas para um Elevador Lunar - que surgiram para abordar os mesmos problemas. No entanto, existem algumas diferenças importantes entre as duas idéias que merecem ser mencionadas. Não menos importante é a função pretendida.

"[A maioria dos conceitos de elevadores espaciais lunares parece imaginar que sua principal função é mover cargas de e para a superfície lunar em grande volume", disse Penoyre. “Muitos visualizam materiais além da capacidade atual e servem como ferramentas posteriores para a exploração espacial. Um ponto crucial [em nosso entendimento]… é o uso de um contrapeso (ou peso da âncora) - uma grande massa na extremidade livre do cabo - aumentando a força estabilizadora ”.

“À medida que a força gravitacional diminui com a distância, um contrapeso deve sempre ser mais maciço, para fornecer a mesma força, do que o peso extra de simplesmente estender o cabo mais profundamente no poço gravitacional da Terra. Portanto, se o seu cabo for construído principalmente para uso em relação à lua, um contrapeso não é uma inclusão irracional. ”

Por outro lado, o objetivo pretendido de uma Linha Espacial não é estritamente sobre facilitar viagens e a partir da superfície lunar. Além disso, Penoyre e Standford não imaginam que possa haver apenas uma Linha Espacial que se estenda da superfície lunar. Uma vez que o primeiro é construído, eles indicam, o custo das linhas espaciais subsequentes diminuirá drasticamente e cargas úteis maiores poderão ser transportadas entre a órbita geoestacionária e a Lua.

Uma equipe de engenheiros da NASA criou os primeiros espelhos telescópicos do mundo feitos de nanotubos de carbono. Crédito: NASA

Mas é claro que muita coisa precisa acontecer antes que mesmo uma única Linha Espacial seja viável. Como em todos os planos que envolvem estender a presença da humanidade além da Terra, o maior obstáculo é a infraestrutura. Basicamente, muitas cargas úteis precisam ser enviadas para a órbita e para o espaço cislunar, se esperamos construir as próprias estruturas que tornarão a chegada e saída desses locais mais fácil, mais barata e até lucrativa.

"Os poços de gravidade são caros - eles exigem recursos tão bons quanto desperdiçados para entrar e sair", Penoyre nos lembra. “O próximo passo mais viável e possível para a exploração do espaço humano é habitar partes do espaço fora da forte gravidade de qualquer outro corpo, e se mover mais livremente entre essas regiões. No mínimo [a Linha Espacial] é um trampolim para poder mover e habitar os corpos terrestres no Sistema Solar. ”

Enquanto um Spacline (como um elevador espacial ou um elevador lunar) ainda é um conceito amplamente teórico, os benefícios que essa estrutura implicaria são realmente impressionantes quando você pensa sobre isso. De acordo com Penoyre, uma das idéias mais empolgantes é como uma Linha Espacial entre a Lua e a Terra permitiria habitats no espaço - particularmente em lugares como o L1 Lagrange Point. Como ele colocou:

“Este ponto não é estável por si só, pequenos movimentos em direção ou longe da Terra farão com que qualquer massa acelere a partir desse ponto. Mas quando conectado a uma linha amarrada, o movimento radial é interrompido (e L1 é estável ao movimento tangencial). A capacidade extra de transportar material até esse ponto, de forma barata e fácil, reduz ainda mais o custo e aumenta a habitabilidade dessa região. 

Ilustração do artista que mostra a localização dos Pontos Lagrange Sol-Terra. Crédito: NASA

Um ou mais postos avançados nessa região seriam capazes de conduzir níveis sem precedentes de pesquisa científica, com possibilidades que variam da detecção de ondas de astronomia e gravidade à física de partículas e pesquisa biológica em microgravidade. Essencialmente, toda a pesquisa que atualmente ocorre a bordo da ISS poderia ser feita em Lagrange Points, e de forma mais barata e eficaz.

Entrar no verdadeiramente especulativo, um ou mais Spacelines também pode permitir a criação de habitats espaciais nos Pontos Lagrange. Considere um monte de cilindros O'Neill orbitando de L1 a L5, fornecendo um lar para milhões de pessoas e girando para simular a gravidade artificial. em condições que simulam a vida na Terra (incluindo a gravidade normal da Terra).

Entre os planos de novas e emocionantes missões para a Lua, Marte e além (e propostas de infraestrutura que nos permitiriam permanecer lá), as próximas décadas prometem ser um momento emocionante!

Fonte - Universe Today

Expandindo referencias:

ArXiv