Plano de fuga da Terra: um breve guia para fora de órbita

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

Recentemente, em Habré, houve notícias sobre o planejamento da construção de um elevador espacial. Para muitos, parecia algo fantástico e incrível, como um enorme anel de Halo ou uma esfera de Dyson. Mas o futuro está mais perto do que parece, uma escada para o céu é bem possível, e talvez até possamos ver isso em nossa vida.

Agora tentarei mostrar por que não podemos comprar uma passagem Terra-Lua ao preço de uma passagem Moscou-Peter, como o elevador nos ajudará e em que ele se apoiará para não cair no chão.

Desde o início do desenvolvimento dos foguetes, o combustível foi uma dor de cabeça para os engenheiros. Mesmo nos foguetes mais avançados, o combustível ocupa cerca de 98% da massa do navio.

Se quisermos dar aos astronautas da ISS um saco de pão de mel pesando 1 quilo, isso vai exigir, grosso modo, 100 quilos de combustível de foguete. O veículo lançador é descartável e só retornará à Terra na forma de destroços queimados. Pães de gengibre caros são obtidos. A massa do navio é limitada, o que significa que a carga útil para um lançamento é estritamente limitada. E todo lançamento tem um custo.

E se quisermos voar para algum lugar além da órbita próxima à Terra?

Engenheiros de todo o mundo sentaram-se e começaram a pensar: como deve ser uma nave espacial para levar mais longe e voar mais longe?

Para onde o foguete voará?

Enquanto os engenheiros pensavam, seus filhos encontraram salitre e papelão em algum lugar e começaram a fazer foguetes de brinquedo. Esses mísseis não atingiram os telhados de edifícios altos, mas as crianças ficaram felizes. Então, o pensamento mais inteligente veio à mente: "vamos colocar mais salitre no foguete e ele voará mais alto."

Mas o foguete não voou mais alto, pois se tornou muito pesado. Ela não conseguia nem mesmo se levantar no ar. Depois de alguma experimentação, as crianças descobriram a quantidade ideal de salitre em que o foguete voa mais alto. Se você adicionar mais combustível, a massa do foguete o puxará para baixo. Se menos - o combustível termina mais cedo.

Os engenheiros também perceberam rapidamente que, se quisermos adicionar mais combustível, a força de tração também deve ser maior. Existem algumas opções para aumentar a autonomia de vôo:

• aumentar a eficiência do motor para que as perdas de combustível sejam mínimas (bico Laval)
• aumentar o impulso específico do combustível de modo que a força de empuxo seja maior para a mesma massa de combustível

Embora os engenheiros estejam constantemente avançando, quase toda a massa do navio é consumida pelo combustível. Visto que, além do combustível, você deseja enviar algo útil para o espaço, todo o caminho do foguete é cuidadosamente calculado e o mínimo é colocado no foguete. Ao mesmo tempo, eles usam ativamente a ajuda gravitacional de corpos celestes e forças centrífugas. Depois de completar a missão, os astronautas não dizem: "Gente, ainda tem um pouco de combustível no tanque, vamos voar para Vênus."

Mas como determinar quanto combustível é necessário para que o foguete não caia no oceano com o tanque vazio, mas voe para Marte?

Velocidade do segundo espaço

As crianças também tentaram fazer o foguete voar mais alto. Eles até conseguiram um livro de aerodinâmica, leram sobre as equações de Navier-Stokes, mas não entenderam nada e simplesmente colocaram um nariz afilado no foguete.

O velho familiar deles, Hottabych, passou e perguntou por que os caras estavam tristes.

- Eh, avô, se tivéssemos um foguete com combustível infinito e massa baixa, provavelmente teria voado para um arranha-céu, ou até mesmo para o topo de uma montanha.

- Não importa, Kostya-ibn-Eduard, - Hottabych respondeu, puxando o último cabelo, - que este foguete nunca fique sem combustível.

As crianças alegres lançaram um foguete e esperaram que ele voltasse para a Terra. O foguete voou tanto para o arranha-céu quanto para o topo da montanha, mas não parou e voou mais longe até que desapareceu de vista. Se você olhar para o futuro, então este foguete deixou a Terra, voou para fora do sistema solar, nossa galáxia e voou em velocidade sublight para conquistar a vastidão do universo.

As crianças se perguntaram como seu pequeno foguete poderia voar tão longe. Afinal, na escola diziam que para não cair de volta para a Terra, a velocidade não deveria ser menor que a segunda velocidade cósmica (11,2 km / s). O pequeno foguete deles poderia atingir essa velocidade?

Mas seus pais engenheiros explicaram que, se um foguete tem um suprimento infinito de combustível, ele pode voar para qualquer lugar se o empuxo for maior do que as forças gravitacionais e as forças de fricção. Como o foguete é capaz de decolar, a força de empuxo é suficiente e em espaço aberto é ainda mais fácil.

A segunda velocidade cósmica não é a velocidade que um foguete deveria ter. Esta é a velocidade com que a bola deve ser lançada da superfície do solo para que não volte a ele. Um foguete, ao contrário de uma bola, tem motores. Para ela, não é a velocidade que importa, mas o impulso total.

A coisa mais difícil para um foguete é superar a seção inicial do caminho. Primeiro, a gravidade da superfície é mais forte. Em segundo lugar, a Terra tem uma atmosfera densa na qual é muito quente para voar nessas velocidades. E motores de foguete a jato funcionam pior nele do que no vácuo. Portanto, eles voam agora em foguetes de vários estágios: o primeiro estágio consome rapidamente seu combustível e é separado, e a nave leve voa em outros motores.

Konstantin Tsiolkovsky pensou muito sobre esse problema e inventou o elevador espacial (em 1895). Então, é claro, eles riram dele. No entanto, eles riam dele por causa do foguete, do satélite e das estações orbitais, e geralmente o consideravam fora deste mundo: "Ainda não inventamos totalmente os carros aqui, mas ele está indo para o espaço."

Aí os cientistas pensaram nisso e entraram nisso, um foguete voou, lançou um satélite, construíram estações orbitais, nas quais as pessoas eram povoadas. Ninguém mais ri de Tsiolkovsky, pelo contrário, ele é muito respeitado. E quando descobriram nanotubos de grafeno superfortes, eles pensaram seriamente na "escada para o céu".

Por que os satélites não caem?

Todo mundo conhece a força centrífuga. Se você torcer rapidamente a bola na corda, ela não cairá no chão. Vamos tentar girar a bola rapidamente e, em seguida, diminuir gradualmente a velocidade de rotação. Em algum ponto, ele irá parar de girar e cair. Esta será a velocidade mínima na qual a força centrífuga irá contrabalançar a gravidade da Terra. Se você girar a bola mais rápido, a corda se esticará mais (e em algum ponto se quebrará).

Também existe uma "corda" entre a Terra e os satélites - a gravidade. Mas, ao contrário de uma corda normal, ela não pode ser puxada. Se você "girar" o satélite mais rápido do que o necessário, ele "sairá" (e entrará em uma órbita elíptica ou até mesmo voará para longe). Quanto mais próximo o satélite estiver da superfície da Terra, mais rápido ele precisa ser "girado". A bola em uma corda curta também gira mais rápido do que em uma longa.

É importante lembrar que a velocidade orbital (linear) de um satélite não é a velocidade relativa à superfície da Terra. Se está escrito que a velocidade orbital de um satélite é 3,07 km / s, isso não significa que ele está pairando sobre a superfície como um louco. A velocidade orbital dos pontos do equador da Terra, aliás, é de 465 m / s (a Terra gira, como afirmava o teimoso Galileu).

Na verdade, para uma bola em uma corda e para um satélite, não são calculadas as velocidades lineares, mas as velocidades angulares (quantas rotações por segundo o corpo faz).

Acontece que se você encontrar uma órbita tal que as velocidades angulares do satélite e da superfície da Terra coincidam, o satélite ficará suspenso sobre um ponto da superfície. Essa órbita foi encontrada e é chamada de órbita geoestacionária (GSO). Os satélites pairam imóveis sobre o equador, e as pessoas não precisam virar seus pratos para “captar o sinal”.

Caule de feijão

Mas e se você baixar uma corda desse satélite até o solo, porque ela está suspensa sobre um ponto? Anexe uma carga à outra extremidade do satélite, a força centrífuga aumentará e manterá o satélite e a corda. Afinal, a bola não cai se você girar bem. Então, será possível levantar cargas ao longo dessa corda diretamente para a órbita e esquecer, como um pesadelo, os foguetes de vários estágios, devorando combustível em quilotons com baixa capacidade de carga.

A velocidade de movimento na atmosfera da carga será pequena, o que significa que ela não esquentará, ao contrário de um foguete. E menos energia é necessária para subir, pois há um fulcro.

O principal problema é o peso da corda. A órbita geoestacionária da Terra fica a 35 mil quilômetros de distância. Se você esticar uma linha de aço com diâmetro de 1 mm até a órbita geoestacionária, sua massa será de 212 toneladas (e ela precisa ser puxada muito mais para equilibrar a sustentação com a força centrífuga). Ao mesmo tempo, deve suportar seu próprio peso e o peso da carga.

Felizmente, neste caso, algo ajuda um pouco, pelo que os professores de física costumam repreender os alunos: peso e peso são duas coisas diferentes. Quanto mais o cabo se estende da superfície da terra, mais ele perde peso. Embora a relação resistência-peso da corda ainda deva ser enorme.

Com os nanotubos de carbono, os engenheiros têm esperança. Agora, esta é uma nova tecnologia e ainda não podemos torcer esses tubos em uma longa corda. E não é possível atingir sua resistência máxima de design. Mas quem sabe o que vai acontecer a seguir?