Voo espacial interplanetário
Voo espacial interplanetário ou viagem interplanetária é a viagem tripulada ou não tripulada entre estrelas e planetas, geralmente dentro de um único sistema planetário. Na prática, voos espaciais desse tipo se limitam a viajar entre os planetas do Sistema Solar. Sondas espaciais não tripuladas voaram para todos os planetas observados no Sistema Solar, bem como para os planetas anões Plutão e Ceres, e vários asteróides. Os orbitadores e os aterrissadores retornam mais informações do que as missões de sobrevôo. Voos tripulados pousaram na Lua e foram planejados, de tempos em tempos, para Marte, Vênus e Mercúrio. Embora muitos cientistas apreciem o valor do conhecimento que os voos não tripulados fornecem, o valor das missões tripuladas é mais controverso. Os escritores de ficção científica propõem uma série de benefícios, incluindo a mineração de asteróides, acesso à energia solar e espaço para colonização no caso de uma catástrofe na Terra.
Várias técnicas foram desenvolvidas para tornar os vôos interplanetários mais econômicos. Avanços na computação e na ciência teórica já melhoraram algumas técnicas, enquanto novas propostas podem levar a melhorias na velocidade, economia de combustível e segurança. As técnicas de viagem devem levar em consideração as mudanças de velocidade necessárias para viajar de um corpo para outro no Sistema Solar. Para voos orbitais, um ajuste adicional deve ser feito para corresponder à velocidade orbital do corpo de destino. Outros desenvolvimentos visam melhorar o lançamento e a propulsão de foguetes, bem como o uso de fontes não tradicionais de energia. O uso de recursos extraterrestres para energia, oxigênio e água reduziria os custos e melhoraria os sistemas de suporte à vida.
Qualquer voo interplanetário tripulado deve incluir certos requisitos de projeto. Os sistemas de suporte à vida devem ser capazes de suportar vidas humanas por longos períodos de tempo. Medidas preventivas são necessárias para reduzir a exposição à radiação e garantir a confiabilidade ideal.
Conquistas atuais em viagens interplanetárias
Sondas espaciais guiadas remotamente passaram por todos os planetas observados do Sistema Solar de Mercúrio a Netuno, com a sonda New Horizons tendo voado pelo planeta anão Plutão e a espaçonave Dawn atualmente orbitando o planeta anão Ceres. As espaçonaves mais distantes, Voyager 1 e Voyager 2 deixaram o Sistema Solar em 8 de dezembro de 2018, enquanto Pioneer 10, Pioneer 11 e New Horizons estão a caminho de deixá-lo.
Em geral, os orbitadores e aterrissadores planetários retornam informações muito mais detalhadas e abrangentes do que as missões de sobrevôo. Sondas espaciais foram colocadas em órbita ao redor de todos os cinco planetas conhecidos pelos antigos: o primeiro sendo Vênus (Venera 7, 1970), Marte (Mariner 9, 1971), Júpiter (Galileo, 1995), Saturno (Cassini/Huygens, 2004) e, mais recentemente, Mercúrio (MESSENGER, março de 2011), e retornaram dados sobre esses corpos e seus satélites naturais.
A missão NEAR Shoemaker em 2000 orbitou o grande asteroide próximo à Terra 433 Eros, e até pousou com sucesso lá, embora não tenha sido projetada com essa manobra em mente. A espaçonave japonesa de propulsão iônica Hayabusa em 2005 também orbitou o pequeno asteróide próximo à Terra 25143 Itokawa, pousando nele brevemente e devolvendo grãos de seu material de superfície para a Terra. Outra missão movida a íons, Dawn, orbitou o grande asteroide Vesta (julho de 2011 a setembro de 2012) e depois se mudou para o planeta anão Ceres, chegando em março de 2015.
Aterrissadores controlados remotamente, como Viking, Pathfinder e os dois Mars Exploration Rovers, pousaram na superfície de Marte e várias espaçonaves Venera e Vega pousaram na superfície de Vênus. A sonda Huygens pousou com sucesso na lua de Saturno, Titã.
Nenhuma missão tripulada foi enviada a qualquer planeta do Sistema Solar. O programa Apollo da NASA, no entanto, pousou doze pessoas na Lua e as trouxe de volta à Terra. A Visão Americana para a Exploração Espacial, originalmente apresentada pelo presidente dos Estados Unidos, George W. Bush, e colocada em prática por meio do programa Constellation, tinha como meta de longo prazo enviar astronautas humanos a Marte. No entanto, em 1º de fevereiro de 2010, o presidente Barack Obama propôs o cancelamento do programa no ano fiscal de 2011. Um projeto anterior que recebeu algum planejamento significativo da NASA incluía um sobrevoo tripulado de Vênus na missão Manned Venus Flyby, mas foi cancelado quando o O Programa de Aplicativos Apollo foi encerrado devido a cortes orçamentários da NASA no final dos anos 1960.
Razões para viagens interplanetárias
Os custos e riscos de viagens interplanetárias recebem muita publicidade—exemplos espetaculares incluem o mau funcionamento ou falhas completas de sondas sem tripulação humana, como Mars 96, Deep Space 2 e Beagle 2 (o artigo List of Solar System sondas fornece uma lista completa).
Muitos astrônomos, geólogos e biólogos acreditam que a exploração do Sistema Solar fornece conhecimento que não poderia ser obtido por observações da superfície da Terra ou da órbita ao redor da Terra. Mas eles discordam sobre se as missões tripuladas por humanos dão uma contribuição científica útil - alguns acham que as sondas robóticas são mais baratas e seguras, enquanto outros argumentam que astronautas ou cientistas espaciais, aconselhados por cientistas baseados na Terra, podem responder de forma mais flexível e inteligente a novas ou características inesperadas da região que estão explorando.
Aqueles que pagam por tais missões (principalmente no setor público) são mais propensos a se interessar por benefícios para si mesmos ou para a raça humana como um todo. Até agora, os únicos benefícios desse tipo foram "spin-off" tecnologias que foram desenvolvidas para missões espaciais e depois se mostraram pelo menos tão úteis em outras atividades (a NASA divulga spin-offs de suas atividades).
Outras motivações práticas para viagens interplanetárias são mais especulativas, porque nossas tecnologias atuais ainda não são avançadas o suficiente para suportar projetos de teste. Mas os escritores de ficção científica têm um histórico bastante bom em prever tecnologias futuras - por exemplo, satélites de comunicação geossíncronos (Arthur C. Clarke) e muitos aspectos da tecnologia de computadores (Mack Reynolds).
Muitas histórias de ficção científica apresentam descrições detalhadas de como as pessoas poderiam extrair minerais de asteróides e energia de fontes, incluindo painéis solares orbitais (sem nuvens) e o forte campo magnético de Júpiter. Alguns apontam que tais técnicas podem ser a única maneira de fornecer padrões de vida crescentes sem serem interrompidos pela poluição ou pelo esgotamento dos recursos da Terra (por exemplo, o pico do petróleo).
Finalmente, colonizar outras partes do Sistema Solar impediria que toda a espécie humana fosse exterminada por qualquer um de vários eventos possíveis (ver Extinção humana). Um desses possíveis eventos é o impacto de um asteróide como o que pode ter resultado no evento de extinção Cretáceo-Paleogeno. Embora vários projetos da Spaceguard monitorem o Sistema Solar em busca de objetos que possam chegar perigosamente perto da Terra, as estratégias atuais de deflexão de asteroides são rudimentares e não testadas. Para tornar a tarefa mais difícil, os condritos carbonáceos são bastante fuliginosos e, portanto, muito difíceis de detectar. Embora os condritos carbonáceos sejam considerados raros, alguns são muito grandes e o suspeito "matador de dinossauros" pode ter sido um condrito carbonáceo.
Alguns cientistas, incluindo membros do Instituto de Estudos Espaciais, argumentam que a grande maioria da humanidade acabará vivendo no espaço e se beneficiará com isso.
Técnicas de viagens econômicas
Um dos principais desafios nas viagens interplanetárias é produzir as grandes mudanças de velocidade necessárias para viajar de um corpo para outro no Sistema Solar.
Devido à atração gravitacional do Sol, uma espaçonave se afastando do Sol diminuirá a velocidade, enquanto uma espaçonave se aproximando aumentará a velocidade. Além disso, como quaisquer dois planetas estão a distâncias diferentes do Sol, o planeta de onde a espaçonave parte está se movendo ao redor do Sol a uma velocidade diferente do planeta para o qual a espaçonave está viajando (de acordo com a Terceira Lei de Kepler).). Devido a esses fatos, uma espaçonave que deseja se transferir para um planeta mais próximo do Sol deve diminuir sua velocidade em relação ao Sol em grande quantidade para interceptá-lo, enquanto uma espaçonave que viaja para um planeta mais distante do Sol deve aumentar sua velocidade substancialmente. Então, se adicionalmente a espaçonave deseja entrar em órbita ao redor do planeta de destino (em vez de apenas voar por ele), ela deve corresponder à velocidade orbital do planeta ao redor do Sol, geralmente exigindo outra grande mudança de velocidade.
Simplesmente fazer isso com força bruta – acelerando na rota mais curta até o destino e, em seguida, igualando a velocidade do planeta – exigiria uma quantidade extremamente grande de combustível. E o combustível necessário para produzir essas mudanças de velocidade deve ser lançado junto com a carga útil e, portanto, ainda mais combustível é necessário para colocar a espaçonave e o combustível necessário para sua jornada interplanetária em órbita. Assim, várias técnicas foram desenvolvidas para reduzir os requisitos de combustível das viagens interplanetárias.
Como exemplo das mudanças de velocidade envolvidas, uma espaçonave viajando da órbita baixa da Terra para Marte usando uma trajetória simples deve primeiro sofrer uma mudança na velocidade (também conhecida como delta-v), neste caso um aumento, de cerca de 3,8 km/s. Então, depois de interceptar Marte, ele deve mudar sua velocidade em mais 2,3 km/s para igualar a velocidade de Marte. velocidade orbital em torno do Sol e entrar em uma órbita em torno dele. Para comparação, o lançamento de uma espaçonave na órbita baixa da Terra requer uma mudança na velocidade de cerca de 9,5 km/s.
Transferências de Hohmann
Por muitos anos, viagens interplanetárias econômicas significavam usar a órbita de transferência de Hohmann. Hohmann demonstrou que a rota de energia mais baixa entre quaisquer duas órbitas é uma "órbita" que forma uma tangente às órbitas inicial e de destino. Assim que a espaçonave chegar, uma segunda aplicação de empuxo recirculará a órbita no novo local. No caso de transferências planetárias, isso significa direcionar a espaçonave, originalmente em uma órbita quase idêntica à da Terra, de modo que o afélio da órbita de transferência esteja do outro lado do Sol, próximo à órbita do outro planeta. Uma espaçonave viajando da Terra para Marte por meio desse método chegará perto da órbita de Marte em aproximadamente 8,5 meses, mas como a velocidade orbital é maior quando mais perto do centro de massa (ou seja, o Sol) e mais lenta quando mais longe do centro, a espaçonave estar viajando bem devagar e uma pequena aplicação de empuxo é tudo o que é necessário para colocá-lo em uma órbita circular ao redor de Marte. Se a manobra for cronometrada corretamente, Marte estará "chegando" sob a espaçonave quando isso acontece.
A transferência de Hohmann se aplica a quaisquer duas órbitas, não apenas àquelas com planetas envolvidos. Por exemplo, é a maneira mais comum de transferir satélites para órbita geoestacionária, depois de serem "estacionados" em órbita baixa da Terra. No entanto, a transferência de Hohmann leva um tempo semelhante a ½ do período orbital da órbita externa; portanto, no caso dos planetas externos, isso leva muitos anos – muito tempo para esperar. Também se baseia na suposição de que os pontos em ambas as extremidades não têm massa, como no caso da transferência entre duas órbitas ao redor da Terra, por exemplo. Com um planeta no destino final da transferência, os cálculos tornam-se consideravelmente mais difíceis.
Estilingue gravitacional
A técnica do estilingue gravitacional usa a gravidade dos planetas e luas para mudar a velocidade e a direção de uma espaçonave sem usar combustível. Em um exemplo típico, uma espaçonave é enviada para um planeta distante em um caminho muito mais rápido do que a transferência de Hohmann exigiria. Isso normalmente significaria que chegaria à órbita do planeta e continuaria além dela. No entanto, se houver um planeta entre o ponto de partida e o alvo, ele pode ser usado para desviar o caminho em direção ao alvo e, em muitos casos, o tempo total de viagem é bastante reduzido. Um excelente exemplo disso são as duas naves do programa Voyager, que usaram efeitos de estilingue para mudar as trajetórias várias vezes no Sistema Solar externo. É difícil usar este método para viagens na parte interna do Sistema Solar, embora seja possível usar outros planetas próximos, como Vênus ou mesmo a Lua, como estilingues em viagens para os planetas externos.
Esta manobra só pode alterar a velocidade de um objeto em relação a um terceiro objeto não envolvido - possivelmente o "centro de massa" ou o Sol. Não há mudança nas velocidades dos dois objetos envolvidos na manobra em relação um ao outro. O Sol não pode ser usado em um estilingue gravitacional porque é estacionário em comparação com o resto do Sistema Solar, que orbita o Sol. Pode ser usado para enviar uma nave espacial ou sonda para a galáxia porque o Sol gira em torno do centro da Via Láctea.
Estilingue motorizado
Um estilingue motorizado é o uso de um motor de foguete na aproximação mais próxima de um corpo (periapse). O uso neste ponto multiplica o efeito do delta-v, e dá um efeito maior do que em outros momentos.
Órbitas nebulosas
Os computadores não existiam quando as órbitas de transferência de Hohmann foram propostas pela primeira vez (1925) e eram lentos, caros e pouco confiáveis quando os estilingues gravitacionais foram desenvolvidos (1959). Avanços recentes na computação tornaram possível explorar muito mais características dos campos de gravidade de corpos astronômicos e, assim, calcular trajetórias de custo ainda mais baixo. Foram calculados caminhos que ligam os pontos de Lagrange dos vários planetas na chamada Rede de Transporte Interplanetário. Essas "órbitas difusas" usam significativamente menos energia do que as transferências de Hohmann, mas são muito, muito mais lentas. Eles não são práticos para missões tripuladas por humanos porque geralmente levam anos ou décadas, mas podem ser úteis para o transporte de alto volume de mercadorias de baixo valor se a humanidade desenvolver uma economia baseada no espaço.
Aerofrenagem
A aerofrenagem usa a atmosfera do planeta alvo para desacelerar. Foi usado pela primeira vez no programa Apollo, onde a espaçonave de retorno não entrou na órbita da Terra, mas em vez disso usou um perfil de descida vertical em forma de S (começando com uma descida inicialmente íngreme, seguida por um nivelamento, seguido por uma ligeira subida, seguida por uma retornar a uma taxa positiva de descida continuando a cair no oceano) através da atmosfera da Terra para reduzir sua velocidade até que o sistema de pára-quedas possa ser acionado, permitindo um pouso seguro. A aerofrenagem não requer uma atmosfera espessa - por exemplo, a maioria dos veículos de pouso em Marte usa a técnica, e o sistema de pouso de Marte é usado. a atmosfera tem apenas cerca de 1% da espessura da Terra.
A aerofrenagem converte a energia cinética da espaçonave em calor, por isso requer um escudo térmico para evitar que a nave queime. Como resultado, a aerofrenagem só é útil nos casos em que o combustível necessário para transportar o escudo térmico para o planeta é menor do que o combustível que seria necessário para frear uma nave sem blindagem acionando seus motores. Isso pode ser resolvido criando escudos térmicos a partir de materiais disponíveis próximos ao alvo.
Tecnologias e metodologias aprimoradas
Foram propostas várias tecnologias que economizam combustível e fornecem viagens significativamente mais rápidas do que a metodologia tradicional de usar transferências Hohmann. Algumas ainda são apenas teóricas, mas ao longo do tempo, várias das abordagens teóricas foram testadas em missões espaciais. Por exemplo, a missão Deep Space 1 foi um teste bem-sucedido de uma unidade de íons. Essas tecnologias aprimoradas geralmente se concentram em um ou mais dos seguintes:
- Sistemas de propulsão espacial com economia de combustível muito melhor. Tais sistemas tornariam possível viajar muito mais rápido, mantendo o custo do combustível dentro de limites aceitáveis.
- Usando energia solar e utilização de recursos in-situ para evitar ou minimizar a tarefa cara de componentes de transporte e combustível até a superfície da Terra, contra a gravidade da Terra (ver "Usando recursos não terrestres", abaixo).
- Novas metodologias de utilização de energia em diferentes locais ou de diferentes maneiras que podem reduzir o tempo de transporte ou reduzir o custo por unidade de transporte espacial
Além de tornar as viagens mais rápidas ou menos caras, essas melhorias também podem permitir maiores "margens de segurança" reduzindo o imperativo de tornar as espaçonaves mais leves.
Conceitos de foguetes aprimorados
Todos os conceitos de foguetes são limitados pela equação do foguete Tsiolkovsky, que define a velocidade característica disponível em função da velocidade de exaustão e da relação de massa, inicial (M0, incluindo combustível) até a massa final (M1, combustível esgotado). A principal consequência é que velocidades de missão superiores a algumas vezes a velocidade de escape do motor do foguete (em relação ao veículo) tornam-se rapidamente impraticáveis, pois a massa seca (massa da carga útil e do foguete sem combustível) cai para menos de 10% da toda a massa úmida do foguete (massa do foguete com combustível).
Foguetes nucleares térmicos e solares térmicos
Em um foguete térmico nuclear ou foguete térmico solar, um fluido de trabalho, geralmente hidrogênio, é aquecido a uma temperatura alta e depois se expande através de um bocal de foguete para criar impulso. A energia substitui a energia química dos produtos químicos reativos em um motor de foguete tradicional. Devido à baixa massa molecular e, portanto, à alta velocidade térmica do hidrogênio, esses motores são pelo menos duas vezes mais eficientes em termos de combustível do que os motores químicos, mesmo depois de incluir o peso do reator.
A Comissão de Energia Atômica dos EUA e a NASA testaram alguns projetos de 1959 a 1968. Os projetos da NASA foram concebidos como substitutos dos estágios superiores do veículo de lançamento Saturno V, mas os testes revelaram problemas de confiabilidade, causados principalmente pela vibração e aquecimento envolvido na operação dos motores em níveis de empuxo tão altos. Considerações políticas e ambientais tornam improvável que tal motor seja usado em um futuro previsível, já que foguetes nucleares térmicos seriam mais úteis na superfície da Terra ou perto dela e as consequências de um mau funcionamento poderiam ser desastrosas. Os conceitos de foguetes térmicos baseados em fissão produzem velocidades de exaustão mais baixas do que os conceitos elétricos e de plasma descritos abaixo e, portanto, são soluções menos atraentes. Para aplicações que exigem alta relação empuxo-peso, como escape planetário, a térmica nuclear é potencialmente mais atraente.
Propulsão elétrica
Os sistemas de propulsão elétrica usam uma fonte externa, como um reator nuclear ou células solares, para gerar eletricidade, que é então usada para acelerar um propulsor quimicamente inerte a velocidades muito maiores do que as alcançadas em um foguete químico. Tais propulsores produzem um impulso fraco e, portanto, são inadequados para manobras rápidas ou para lançamentos da superfície de um planeta. Mas eles são tão econômicos em seu uso de massa de reação que eles podem disparar continuamente por dias ou semanas, enquanto os foguetes químicos consomem massa de reação tão rapidamente que só podem disparar por segundos ou minutos. Mesmo uma viagem à Lua é longa o suficiente para que um sistema de propulsão elétrica ultrapasse um foguete químico – as missões Apollo demoravam 3 dias em cada direção.
O Deep Space One da NASA foi um teste muito bem-sucedido de um protótipo de propulsão iônica, que disparou por um total de 678 dias e permitiu que a sonda atingisse o cometa Borrelly, um feito que teria sido impossível para um produto químico foguete. Dawn, a primeira missão operacional da NASA (ou seja, demonstração sem tecnologia) a usar uma unidade de íons para sua propulsão primária, orbitou com sucesso os grandes asteroides do cinturão principal 1 Ceres e 4 Vesta. Uma versão mais ambiciosa, movida a energia nuclear, foi planejada para uma missão a Júpiter sem tripulação humana, o Júpiter Icy Moons Orbiter (JIMO), originalmente planejado para lançamento em algum momento da próxima década. Devido a uma mudança nas prioridades da NASA que favoreceu missões espaciais tripuladas por humanos, o projeto perdeu financiamento em 2005. Uma missão semelhante está atualmente em discussão como componente dos EUA de um programa conjunto NASA/ESA para a exploração de Europa e Ganimedes.
Uma Equipe de Avaliação de Aplicações de Tecnologia multi-centro da NASA, liderada pelo Johnson Spaceflight Center, descreveu em janeiro de 2011 o "Nautilus-X", um estudo de conceito para um veículo de exploração espacial multimissão útil para missões além da órbita baixa da Terra (LEO), de até 24 meses de duração para uma tripulação de até seis pessoas. Embora o Nautilus-X seja adaptável a uma variedade de unidades de propulsão específicas de missão de vários projetos de baixo empuxo e alto impulso específico (Isp), o acionamento elétrico iônico nuclear é mostrado para fins ilustrativos. Destina-se à integração e verificação na Estação Espacial Internacional (ISS) e seria adequado para missões no espaço profundo da ISS para e além da Lua, incluindo Terra/Lua L1, Sol/Terra L2, asteroide próximo à Terra, e destinos orbitais de Marte. Ele incorpora uma centrífuga de g reduzida que fornece gravidade artificial para a saúde da tripulação para melhorar os efeitos da exposição de longo prazo a 0g e a capacidade de mitigar o ambiente de radiação espacial.
Foguetes movidos a fissão
As missões de propulsão elétrica já realizadas, ou atualmente programadas, utilizaram energia elétrica solar, limitando sua capacidade de operar longe do Sol, e também limitando seu pico de aceleração devido à massa da fonte de energia elétrica. Motores nuclear-elétricos ou de plasma, operando por longos períodos em baixo empuxo e alimentados por reatores de fissão, podem atingir velocidades muito maiores do que veículos movidos a produtos químicos.
Foguetes de fusão
Foguetes de fusão, alimentados por reações de fusão nuclear, iriam "queimar" tais combustíveis de elementos leves como deutério, trítio ou 3He. Como a fusão produz cerca de 1% da massa do combustível nuclear como energia liberada, ela é energeticamente mais favorável do que a fissão, que libera apenas cerca de 0,1% da massa-energia do combustível. No entanto, as tecnologias de fissão ou fusão podem, em princípio, atingir velocidades muito mais altas do que o necessário para a exploração do Sistema Solar, e a energia de fusão ainda aguarda demonstração prática na Terra.
Uma proposta usando um foguete de fusão foi o Projeto Daedalus. Outro sistema de veículo bastante detalhado, projetado e otimizado para exploração tripulada do Sistema Solar, "Discovery II", baseado na reação D3He, mas usando hidrogênio como massa de reação, foi descrito por uma equipe do Glenn Research Center da NASA. Atinge velocidades características de >300 km/s com uma aceleração de ~1,7•10−3 g, com uma massa inicial de ~1700 toneladas métricas e carga útil fração acima de 10%.
Foguetes de fusão são considerados uma provável fonte de transporte interplanetário para uma civilização planetária.
Propulsão exótica
Veja o artigo de propulsão de espaçonaves para uma discussão sobre uma série de outras tecnologias que podem, a médio e longo prazo, ser a base de missões interplanetárias. Ao contrário da situação com viagens interestelares, as barreiras para viagens interplanetárias rápidas envolvem engenharia e economia, em vez de qualquer física básica.
Velas solares
As velas solares dependem do fato de que a luz refletida de uma superfície exerce pressão sobre a superfície. A pressão de radiação é pequena e diminui pelo quadrado da distância do Sol, mas ao contrário dos foguetes, as velas solares não requerem combustível. Embora o impulso seja pequeno, ele continua enquanto o sol brilhar e a vela estiver aberta.
O conceito original dependia apenas da radiação do Sol - por exemplo, na história de Arthur C. Clarke, de 1965, "Sunjammer". Projetos de velas leves mais recentes propõem aumentar o impulso mirando lasers terrestres ou masers na vela. Lasers terrestres ou masers também podem ajudar uma espaçonave de vela leve a desacelerar: a vela se divide em uma seção externa e interna, a seção externa é empurrada para frente e sua forma é alterada mecanicamente para focar a radiação refletida na parte interna, e a radiação focada na seção interna atua como um freio.
Embora a maioria dos artigos sobre velas leves se concentre em viagens interestelares, tem havido várias propostas para seu uso dentro do Sistema Solar.
Atualmente, a única espaçonave a usar uma vela solar como principal método de propulsão é a IKAROS, que foi lançada pela JAXA em 21 de maio de 2010. Desde então, ela foi implantada com sucesso e mostrou estar produzindo a aceleração esperada. Muitas espaçonaves e satélites comuns também usam coletores solares, painéis de controle de temperatura e quebra-sóis como velas leves, para fazer pequenas correções em sua atitude e órbita sem usar combustível. Alguns até tiveram pequenas velas solares construídas especificamente para esse uso (por exemplo, satélites de comunicação geoestacionários Eurostar E3000 construídos pela EADS Astrium).
Ciclistas
É possível colocar estações ou espaçonaves em órbitas que circulam entre diferentes planetas, por exemplo, um ciclador de Marte faria um ciclo sincronizado entre Marte e a Terra, com muito pouco uso de propulsor para manter a trajetória. Os cicladores são conceitualmente uma boa ideia, porque enormes escudos de radiação, suporte de vida e outros equipamentos só precisam ser colocados na trajetória do ciclador uma vez. Um ciclista pode combinar várias funções: habitat (por exemplo, pode girar para produzir um efeito de "gravidade artificial"); nave-mãe (fornecendo suporte de vida para as tripulações de espaçonaves menores que pegam carona nela). Cyclers também poderiam fazer excelentes navios de carga para reabastecimento de uma colônia.
Elevador espacial
Um elevador espacial é uma estrutura teórica que transportaria material da superfície de um planeta para a órbita. A ideia é que, uma vez concluído o dispendioso trabalho de construção do elevador, um número indefinido de cargas possa ser transportado para a órbita a um custo mínimo. Mesmo os projetos mais simples evitam o círculo vicioso de lançamentos de foguetes da superfície, em que o combustível necessário para percorrer os últimos 10% da distância em órbita deve ser retirado da superfície, exigindo ainda mais combustível e assim por diante. Projetos de elevadores espaciais mais sofisticados reduzem o custo de energia por viagem usando contrapesos, e os esquemas mais ambiciosos visam equilibrar as cargas que sobem e descem e, assim, tornar o custo de energia próximo de zero. Os elevadores espaciais também são chamados de "pés de feijão", "pontes espaciais", "elevadores espaciais", "escadas espaciais" e "torres orbitais".
Um elevador espacial terrestre está além da nossa tecnologia atual, embora um elevador espacial lunar possa teoricamente ser construído usando materiais existentes.
Skyhook
Um skyhook é uma classe teórica de propulsão de corda orbital destinada a elevar cargas úteis a altas altitudes e velocidades. As propostas para skyhooks incluem projetos que empregam cordas girando em velocidade hipersônica para capturar cargas úteis de alta velocidade ou aeronaves de grande altitude e colocá-las em órbita. Além disso, foi sugerido que o skyhook rotativo "não é viável em termos de engenharia usando materiais atualmente disponíveis".
Reutilização de veículos de lançamento e espaçonaves
A SpaceX Starship foi projetada para ser totalmente e rapidamente reutilizável, fazendo uso da tecnologia reutilizável da SpaceX desenvolvida durante 2011–2018 para os veículos de lançamento Falcon 9 e Falcon Heavy.
O CEO da SpaceX, Elon Musk, estima que apenas a capacidade de reutilização, tanto no veículo de lançamento quanto na espaçonave associada à Starship, reduzirá os custos gerais do sistema por tonelada entregue a Marte em pelo menos duas ordens de magnitude em relação ao que a NASA havia alcançado anteriormente.
Propelentes de preparo
Ao lançar sondas interplanetárias da superfície da Terra, transportando toda a energia necessária para a missão de longa duração, as quantidades de carga útil são necessariamente extremamente limitadas, devido às limitações de massa base descritas teoricamente pela equação do foguete. Uma alternativa para transportar mais massa em trajetórias interplanetárias é usar quase todo o propulsor do estágio superior no lançamento e, em seguida, reabastecer os propelentes na órbita da Terra antes de disparar o foguete para escapar da velocidade para uma trajetória heliocêntrica. Esses propelentes podem ser armazenados em órbita em um depósito de propelente ou transportados para a órbita em um navio-tanque de propelente para serem transferidos diretamente para a espaçonave interplanetária. Para devolver a massa à Terra, uma opção relacionada é extrair matérias-primas de um objeto celeste do sistema solar, refinar, processar e armazenar os produtos da reação (propulsor) no corpo do Sistema Solar até o momento em que um veículo precise ser carregado para o lançamento.
Transferências de navios-tanque em órbita
A partir de 2019, a SpaceX está desenvolvendo um sistema no qual um veículo reutilizável de primeiro estágio transportaria uma espaçonave interplanetária tripulada para a órbita da Terra, separaria, retornaria à sua plataforma de lançamento onde uma espaçonave-tanque seria montada em cima dela, então ambos seriam abastecidos, em seguida, lançou novamente para se encontrar com a espaçonave tripulada que esperava. O navio-tanque então transferiria seu combustível para a espaçonave com tripulação humana para uso em sua viagem interplanetária. A SpaceX Starship é uma espaçonave com estrutura de aço inoxidável impulsionada por seis motores Raptor operando com propelentes densificados de metano/oxigênio. Tem 55 m (180 pés) de comprimento, 9 m (30 pés) de diâmetro em seu ponto mais largo e é capaz de transportar até 100 toneladas (220.000 lb) de carga e passageiros por viagem a Marte, com em órbita recarga de propelente antes da parte interplanetária da jornada.
Planta propelente em um corpo celeste
Como exemplo de um projeto financiado atualmente em desenvolvimento, uma parte fundamental do sistema que a SpaceX projetou para Marte, a fim de diminuir radicalmente o custo do voo espacial para destinos interplanetários, é a colocação e operação de uma planta física em Marte para lidar com produção e armazenamento dos componentes do propelente necessários para lançar e voar as naves de volta à Terra, ou talvez para aumentar a massa que pode ser transportada para destinos no Sistema Solar exterior.
A primeira nave estelar a Marte levará uma pequena fábrica de propelentes como parte de sua carga. A fábrica será expandida ao longo de vários sínodos à medida que mais equipamentos chegam, são instalados e colocados em produção autônoma.
A usina de propelentes da SpaceX aproveitará os grandes suprimentos de dióxido de carbono e recursos hídricos em Marte, extraindo a água (H2O) do gelo subterrâneo e coletando CO2 da atmosfera. Uma planta química processará as matérias-primas por meio de eletrólise e o processo Sabatier para produzir oxigênio (O2) e metano (CH4) e, em seguida, liquefazê-lo para facilitar armazenamento a longo prazo e uso final.
Usando recursos extraterrestres
Os veículos espaciais atuais tentam lançar com todo o combustível (propulsores e suprimentos de energia) a bordo que precisarão para toda a jornada, e as estruturas espaciais atuais são levantadas da superfície da Terra. Fontes não terrestres de energia e materiais estão muito mais distantes, mas a maioria não exigiria ser levantada de um forte campo de gravidade e, portanto, deveria ser muito mais barata de usar no espaço a longo prazo.
O recurso não terrestre mais importante é a energia, porque pode ser usado para transformar materiais não terrestres em formas úteis (algumas das quais também podem produzir energia). Pelo menos duas fontes de energia não terrestres fundamentais foram propostas: geração de energia solar (sem nuvens), diretamente por células solares ou indiretamente concentrando a radiação solar em caldeiras que produzem vapor para acionar geradores; e amarras eletrodinâmicas que geram eletricidade a partir dos poderosos campos magnéticos de alguns planetas (Júpiter tem um campo magnético muito poderoso).
O gelo de água seria muito útil e é comum nas luas de Júpiter e Saturno:
- A baixa gravidade dessas luas faria deles uma fonte mais barata de água para estações espaciais e bases planetárias do que levantar da superfície da Terra.
- Fontes de alimentação não terrestres podem ser usadas para eletrolisar o gelo de água em oxigênio e hidrogênio para uso em motores de foguetes bipropelentes.
- Foguetes térmicos nucleares ou foguetes térmicos solares poderiam usá-lo como massa de reação. O hidrogênio também foi proposto para uso nesses motores e forneceria impulso específico muito maior (a granada por quilograma de massa de reação), mas foi afirmado que a água vencerá o hidrogênio em termos de custo / desempenho, apesar de seu impulso específico muito menor por ordens de magnitude.
- Uma nave espacial com uma fonte de água adequada poderia transportar a água sob o casco, o que poderia fornecer uma margem de segurança adicional considerável para a embarcação e seus ocupantes:
- A água absorveria e conduziria a energia solar, agindo assim como um escudo de calor. Uma embarcação que viaja no interior do Sistema Solar poderia manter uma posição constante em relação ao Sol sem sobreaquecer o lado da nave espacial virada para o Sol, desde que a água sob o casco fosse constantemente circulada para distribuir uniformemente o calor solar ao longo do casco;
- A água forneceria alguma proteção adicional contra a radiação ionizante;
- A água agiria como um isolante contra o frio extremo, assumindo que era mantido aquecido, seja pelo Sol ao viajar no interior do Sistema Solar ou por uma fonte de alimentação a bordo ao viajar mais longe do Sol;
- A água forneceria alguma proteção adicional contra impactos micrometeoróides, desde que o casco fosse compartimentado para garantir que qualquer vazamento pudesse ser isolado para uma pequena seção do casco.
O oxigênio é um constituinte comum da crosta lunar e provavelmente é abundante na maioria dos outros corpos do Sistema Solar. O oxigênio não terrestre seria valioso como fonte de gelo de água apenas se uma fonte adequada de hidrogênio pudesse ser encontrada. Possíveis usos incluem:
- Nos sistemas de apoio à vida de naves espaciais, estações espaciais e bases planetárias.
- Em motores de foguetes. Mesmo que o outro propelente tenha de ser levantado da Terra, usar oxigênio não terrestre poderia reduzir custos de lançamento propelentes em até 2/3 para combustível de hidrocarbonetos, ou 85% para hidrogênio. As economias são tão altas porque o oxigênio representa a maioria da massa na maioria das combinações propelentes do foguete.
Infelizmente, o hidrogênio, junto com outros voláteis como carbono e nitrogênio, são muito menos abundantes que o oxigênio no Sistema Solar interno.
Os cientistas esperam encontrar uma vasta gama de compostos orgânicos em alguns dos planetas, luas e cometas do Sistema Solar externo, e a gama de usos possíveis é ainda maior. Por exemplo, o metano pode ser usado como combustível (queimado com oxigênio não terrestre) ou como matéria-prima para processos petroquímicos, como a fabricação de plásticos. E a amônia pode ser uma matéria-prima valiosa para a produção de fertilizantes a serem usados nas hortas das bases orbitais e planetárias, reduzindo a necessidade de trazer alimentos da Terra até elas.
Mesmo a rocha não processada pode ser útil como propulsor de foguetes se forem empregados drivers de massa.
Requisitos de projeto para viagens interplanetárias tripuladas
Suporte de vida
Os sistemas de suporte de vida devem ser capazes de suportar a vida humana por semanas, meses ou mesmo anos. Uma atmosfera respirável de pelo menos 35 kPa (5,1 psi) deve ser mantida, com quantidades adequadas de oxigênio, nitrogênio e níveis controlados de dióxido de carbono, gases residuais e vapor de água.
Em outubro de 2015, o Escritório do Inspetor Geral da NASA emitiu um relatório de riscos à saúde relacionados a voos espaciais tripulados, incluindo uma missão tripulada a Marte.
Radiação
Uma vez que um veículo deixa a órbita baixa da Terra e a proteção da magnetosfera da Terra, ele entra no cinturão de radiação de Van Allen, uma região de alta radiação. Além dos cinturões de Van Allen, os níveis de radiação geralmente diminuem, mas podem flutuar com o tempo. Esses raios cósmicos de alta energia representam uma ameaça à saúde. Mesmo os níveis mínimos de radiação durante essas flutuações são comparáveis ao atual limite anual para astronautas em órbita baixa da Terra.
Cientistas da Academia Russa de Ciências estão procurando métodos para reduzir o risco de câncer induzido por radiação em preparação para a missão a Marte. Eles consideram como uma das opções um sistema de suporte à vida gerando água potável com baixo teor de deutério (isótopo estável do hidrogênio) para ser consumida pelos tripulantes. Investigações preliminares mostraram que a água sem deutério apresenta certos efeitos anticancerígenos. Portanto, considera-se que a água potável sem deutério tem o potencial de reduzir o risco de câncer causado pela exposição extrema à radiação da tripulação marciana.
Além disso, as ejeções de massa coronal do Sol são altamente perigosas e são fatais em uma escala de tempo muito curta para os humanos, a menos que sejam protegidos por blindagem maciça.
Confiabilidade
Qualquer falha grave em uma espaçonave em rota provavelmente será fatal, e mesmo uma pequena falha pode ter resultados perigosos se não for reparada rapidamente, algo difícil de realizar em espaço aberto. A tripulação da missão Apollo 13 sobreviveu apesar de uma explosão causada por um tanque de oxigênio com defeito (1970).
Abrir janelas
Por razões astrodinâmicas, a viagem econômica de espaçonaves para outros planetas só é prática dentro de certas janelas de tempo. Fora dessas janelas, os planetas são essencialmente inacessíveis da Terra com a tecnologia atual. Isso restringe os voos e limita as opções de resgate em caso de emergência.