Transferências de Hohmann

Durante muitos anos, viagens interplanetárias económicas significaram a utilização da órbita de transferência de Hohmann. Hohmann demonstrou que a rota de menor energia entre quaisquer duas órbitas é uma "órbita" elíptica que forma uma tangente com as órbitas de partida e de destino. Quando a nave espacial chega, uma segunda aplicação de impulso circulariza novamente a órbita no novo local. No caso de transferências planetárias, isto significa direcionar a nave espacial, originariamente numa órbita quase idêntica à da Terra, para que o afélio da órbita de transferência esteja no lado oposto do Sol, perto da órbita do outro planeta. Uma nave espacial a viajar da Terra para Marte através deste 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 menor quando mais longe do centro, a nave viajará bastante devagar e uma pequena aplicação de impulso é tudo o que é necessário para a colocar numa órbita circular em torno de Marte. Se a manobra for cronometrada corretamente, Marte estará a "chegar" sob a nave quando isto acontecer.

A transferência de Hohmann aplica-se a quaisquer duas órbitas, não apenas àquelas em que planetas estão envolvidos. Por exemplo, é a forma mais comum de transferir satélites para a órbita geoestacionária, após serem primeiramente "estacionados" na órbita terrestre baixa. No entanto, a transferência de Hohmann demora um período de tempo semelhante a ½ do período orbital da órbita exterior, o que, no caso dos planetas exteriores, representa muitos anos — um tempo de espera muito longo. É também baseada no pressuposto de que os pontos em ambas as extremidades não têm massa, como é o caso das transferências entre duas órbitas em torno da Terra, por exemplo. Havendo um planeta na extremidade de destino da transferência, os cálculos tornam-se consideravelmente mais difíceis.

Assistência gravitacional

A técnica de assistência gravitacional (efeito estilingue) utiliza a gravidade de planetas e luas para alterar a velocidade e a direção de uma nave espacial sem utilizar combustível. Num exemplo típico, uma nave espacial é enviada para um planeta distante numa trajetória muito mais rápida do que a que uma transferência de Hohmann exigiria. Isso significaria normalmente que chegaria à órbita do planeta e continuaria a passar por ele. No entanto, se houver um planeta entre o ponto de partida e o alvo, ele pode ser usado para curvar a trajetória em direção ao alvo e, em muitos casos, o tempo total de viagem é muito reduzido. Um exemplo notável disto são as duas naves do Programa Voyager, que utilizaram os efeitos de assistência para alterar as suas trajetórias várias vezes no Sistema Solar exterior. É difícil utilizar este método em viagens para a parte interior do Sistema Solar, embora seja possível utilizar outros planetas próximos como Vénus ou até mesmo a Lua como estilingues em viagens aos planetas exteriores.

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 alteração nas velocidades dos dois objetos envolvidos na manobra em relação um ao outro. O Sol não pode ser utilizado numa assistência gravitacional porque está estacionário face ao resto do Sistema Solar, que orbita o Sol. Ele pode ser utilizado para enviar uma nave ou sonda para o interior da galáxia porque o Sol gira em torno do centro da Via Láctea.

Assistência propulsada

Uma assistência propulsada é o uso de um motor de foguete na aproximação máxima a um corpo (periastro) ou ao seu redor. O seu uso neste ponto multiplica o efeito do delta-v, e confere um efeito maior do que noutros momentos.

Órbitas difusas

Os computadores não existiam quando as órbitas de transferência de Hohmann foram propostas pela primeira vez (1925) e eram lentos, dispendiosos e pouco fiáveis quando a assistência gravitacional foi desenvolvida (1959). Os recentes avanços na computação tornaram possível explorar muitas mais características dos campos gravíticos de corpos astronómicos e, consequentemente, calcular trajetórias de custo ainda mais baixo.^[15][16] Foram calculadas trajetórias que ligam os Pontos de Lagrange dos vários planetas na chamada Rede de Transporte Interplanetário. Tais "órbitas difusas" utilizam significativamente menos energia do que as transferências de Hohmann, mas são muito, muito mais lentas. Não são práticas para missões com tripulação humana porque geralmente demoram anos ou décadas, mas podem ser úteis para o transporte de alto volume de bens de baixo valor se a humanidade desenvolver uma economia baseada no espaço.

Aerotravagem

A aerotravagem utiliza a atmosfera do planeta de destino para abrandar. Foi utilizada pela primeira vez no Programa Apollo, onde a nave de regresso não entrou em órbita terrestre, mas utilizou antes um perfil de descida vertical em forma de S (começando com uma descida inicialmente íngreme, seguida de um nivelamento, seguido de uma ligeira subida, e um retorno a uma taxa de descida positiva continuando até à amaragem no oceano) através da atmosfera terrestre para reduzir a sua velocidade até o sistema de paraquedas poder ser aberto, permitindo uma aterragem segura. A aerotravagem não requer uma atmosfera espessa — por exemplo, a maioria dos landers de Marte utilizam esta técnica, e a atmosfera de Marte tem apenas cerca de 1% da espessura da da Terra.

A aerotravagem converte a energia cinética da nave espacial em calor, pelo que necessita de um escudo térmico para evitar que a nave arda. Em resultado disso, a aerotravagem só é útil nos casos em que o combustível necessário para transportar o escudo térmico para o planeta for inferior ao combustível que seria necessário para travar uma nave sem escudo disparando os seus motores. Isto pode ser contornado criando escudos térmicos a partir de material disponível próximo do alvo.^[17]

Conceitos de foguetões melhorados

Todos os conceitos de foguetões estão limitados pela Equação de Tsiolkovsky, que define a velocidade caraterística disponível como uma função da velocidade de escape (exaustão) e da razão de massa, da massa inicial (M₀, incluindo o combustível) para a massa final (M₁, combustível esgotado). A principal consequência é que as velocidades de missão de mais do que algumas vezes a velocidade do escape do motor do foguetão (em relação ao veículo) tornam-se rapidamente impraticáveis, pois a massa seca (massa da carga útil e foguetão sem combustível) cai para menos de 10% da massa húmida total do foguetão (massa do foguetão com combustível).

Foguetões térmicos nucleares e térmicos solares

Num foguetão térmico nuclear ou foguetão térmico solar, um fluido de trabalho, habitualmente o hidrogénio, é aquecido a uma temperatura elevada e, em seguida, expande-se através de um bocal de foguetão para criar impulso. A energia substitui a energia química dos produtos químicos reativos num motor de foguete tradicional. Devido à baixa massa molecular e consequente alta velocidade térmica do hidrogénio, estes motores são pelo menos duas vezes mais eficientes em termos de combustível do que os motores químicos, mesmo após incluir o peso do reator.^{[carece de fontes?]}

A Comissão de Energia Atómica dos Estados Unidos (Comissão de Energia Atômica dos Estados Unidos) e a NASA testaram alguns designs de 1959 a 1968. Os designs da NASA foram concebidos como substitutos das fases superiores do veículo de lançamento Saturno V, mas os testes revelaram problemas de fiabilidade, causados principalmente pelas vibrações e pelo aquecimento envolvidos no funcionamento dos motores em níveis de impulso tão elevados. Considerações políticas e ambientais tornam improvável que um motor deste tipo venha a ser usado num futuro próximo, uma vez que os foguetões térmicos nucleares seriam mais úteis na superfície da Terra ou perto dela, e as consequências de uma avaria poderiam ser desastrosas. Conceitos de foguetes térmicos baseados na fissão produzem velocidades de escape mais baixas do que os conceitos elétricos e de plasma descritos abaixo e, portanto, são soluções menos atrativas. Para aplicações que exijam uma alta relação empuxo/peso, como o escape planetário, a via térmica nuclear é potencialmente mais atrativa.^[19]

Propulsão elétrica

Os sistemas de propulsão elétrica utilizam uma fonte externa, como um reator nuclear ou células solares, para gerar eletricidade, que é então usada para acelerar um propelente quimicamente inerte a velocidades muito maiores do que as alcançadas num foguete químico. Tais motores produzem um impulso fraco e são, por isso, inadequados para manobras rápidas ou para lançamentos a partir da superfície de um planeta. Mas são tão económicos no seu uso de massa de trabalho que podem continuar a disparar continuamente por dias ou semanas, enquanto os foguetões químicos esgotam a massa de reação tão rapidamente que só podem disparar por segundos ou minutos. Mesmo uma viagem até à Lua é suficientemente longa para um sistema de propulsão elétrica ultrapassar um foguete químico — as missões Apollo levaram 3 dias em cada sentido.

A sonda Deep Space 1 da NASA foi um teste muito bem-sucedido de um protótipo de propulsor iónico, que disparou por um total de 678 dias e permitiu à sonda alcançar o Cometa Borrelly, um feito que teria sido impossível para um foguete químico. A Dawn, a primeira missão operacional da NASA (i.e., não uma demonstração tecnológica) a usar um propulsor iónico para a sua propulsão principal, orbitou com sucesso os grandes asteroides do cinturão principal 1 Ceres e 4 Vesta. Uma versão mais ambiciosa, movida a energia nuclear, destinava-se a uma missão a Júpiter sem tripulação humana, a Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), originalmente planeada para lançamento algures na próxima década. Devido a uma alteração nas prioridades da NASA que favoreceu missões espaciais tripuladas, o projeto perdeu financiamento em 2005. Uma missão semelhante está atualmente em debate como a componente dos EUA de um programa conjunto da NASA/ESA para a exploração de Europa e Ganimedes.

Uma Equipa de Avaliação de Aplicações Tecnológicas multi-centros da NASA, liderada a partir do Centro Espacial Johnson, descreveu a partir de janeiro de 2011 a "Nautilus-X", um estudo concetual para um veículo de exploração espacial multi-missões útil para missões além da órbita terrestre baixa (LEO), de até 24 meses de duração para uma tripulação de até seis pessoas.^[20][21] Embora a Nautilus-X seja adaptável a uma variedade de unidades de propulsão específicas da missão, com vários designs de baixo empuxo e alto impulso específico (I_sp), é apresentada para fins ilustrativos a propulsão iónico-elétrica nuclear. Destina-se à integração e verificação na Estação Espacial Internacional (ISS), e seria adequada para missões no espaço profundo a partir da ISS, para a Lua e mais além, incluindo os pontos de Lagrange L1 Terra/Lua e L2 Sol/Terra, os asteroides próximos da Terra, e destinos orbitais em Marte. Incorpora um centrifugador de gravidade reduzida que fornece gravidade artificial para a saúde da tripulação, de forma a melhorar os efeitos da exposição prolongada a 0g, e a capacidade de mitigar o ambiente de radiação espacial.^[22]

Velas solares

As velas solares baseiam-se no facto de a luz refletida de uma superfície exercer pressão sobre a superfície. A pressão de radiação é pequena e diminui pelo quadrado da distância ao Sol, mas ao contrário dos foguetões, as velas solares não requerem combustível. Embora o impulso seja pequeno, este continua enquanto o Sol brilha e a vela está implantada.^[25]

O conceito original dependia apenas da radiação do Sol — por exemplo, na história de 1965 de Arthur C. Clarke, "Sunjammer". Modelos mais recentes de velas leves propõem aumentar o impulso apontando lasers baseados em terra ou masers para a vela. Lasers baseados em terra ou masers também podem ajudar uma nave de vela leve a desacelerar: a vela divide-se numa secção externa e interna, a secção externa é empurrada para a frente e a sua forma é alterada mecanicamente para focar a radiação refletida na porção interna, e a radiação focada na secção interna atua como um travão.

Embora a maioria dos artigos sobre velas leves se concentrem nas viagens interestelares, tem havido várias propostas para a sua utilização dentro do Sistema Solar.

Atualmente, a única nave espacial a usar uma vela solar como principal método de propulsão é a IKAROS, que foi lançada pela JAXA a 21 de maio de 2010. Desde então, foi ativada com sucesso e demonstrou estar a produzir a aceleração esperada. Muitas naves espaciais e satélites comuns também usam coletores solares, painéis de controlo de temperatura e para-sóis como velas leves, para fazerem pequenas correções na sua atitude e órbita sem usar combustível. Alguns até tiveram pequenas velas solares construídas para este uso (por exemplo, os satélites de comunicações geoestacionários Eurostar E3000 construídos pela EADS Astrium).

Cicladores

É possível colocar estações ou naves espaciais em órbitas que circulam entre diferentes planetas, por exemplo, um ciclador de Marte circularia de forma síncrona entre Marte e a Terra, com muito pouco uso de propelente para manter a trajetória. Os cicladores são concetualmente uma boa ideia, porque escudos de radiação massivos, suporte de vida e outros equipamentos só precisam de ser colocados na trajetória do ciclador uma vez. Um ciclador poderia combinar vários papéis: habitat (por exemplo, poderia rodar para produzir um efeito de "gravidade artificial"), ou nave-mãe (fornecendo suporte de vida para as tripulações de naves menores que pegam "boleia" nele).^[26] Os cicladores também poderiam ser excelentes naves de carga para reabastecer uma colónia.

Elevador espacial

Um elevador espacial é uma estrutura teórica que transportaria material da superfície de um planeta para a sua órbita.^[27] A ideia é que, uma vez concluído o dispendioso trabalho de construção do elevador, um número indefinido de cargas pode ser transportado para órbita a um custo mínimo. Mesmo os desenhos mais simples evitam o círculo vicioso dos lançamentos de foguetões a partir da superfície, nos quais o combustível necessário para viajar os últimos 10% da distância para órbita deve ser levantado desde a superfície, exigindo ainda mais combustível, e assim por diante. Modelos 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, tornando o custo de energia próximo de zero. Os elevadores espaciais também são por vezes referidos como "escadas espaciais", "feijoeiros" ("beanstalks"), "pontes espaciais" e "torres orbitais".^[28]

Um elevador espacial terrestre está além da nossa tecnologia atual, embora um elevador espacial lunar pudesse teoricamente ser construído utilizando materiais existentes.

Gancho espacial (Skyhook)

Um gancho espacial (skyhook) é uma classe teórica de propulsão por cabos ("tethers") em órbita destinada a elevar cargas a altas altitudes e velocidades.^{[29][30][31][32][33]} As propostas de skyhooks incluem modelos que empregam cabos a girar a velocidade hipersónica para apanhar cargas úteis de alta velocidade ou aeronaves de alta altitude e colocá-las em órbita.^[34] Além disso, foi sugerido que o gancho espacial rotativo "não é tecnicamente viável em termos de engenharia usando os materiais atualmente disponíveis".^{[35][36][37][38][39]}

Reutilização de veículos de lançamento e de naves

A SpaceX Starship foi concebida para ser total e rapidamente reutilizável, fazendo uso da tecnologia reutilizável da SpaceX que foi desenvolvida durante 2011–2018 para os veículos de lançamento Falcon 9 e Falcon Heavy.^[40][41]

O CEO da SpaceX, Elon Musk, estima que a capacidade de reutilização por si só, tanto no veículo de lançamento como na nave espacial associada à Starship, reduzirá os custos globais do sistema por tonelada entregue em Marte em pelo menos duas ordens de grandeza em relação ao que a NASA tinha conseguido anteriormente.^[42][43]

Abastecimento e etapas

Ao lançar sondas interplanetárias a partir da superfície da Terra, carregando toda a energia necessária para uma missão de longa duração, as quantidades de carga útil são necessariamente extremamente limitadas, devido às limitações básicas de massa descritas teoricamente pela equação do foguetão. Uma alternativa para transportar mais massa em trajetórias interplanetárias é usar quase todo o propelente do estágio superior no lançamento, e em seguida reabastecer os propelentes na órbita da Terra antes de disparar o foguete para a velocidade de escape para uma trajetória heliocêntrica. Estes propelentes poderiam ser armazenados em órbita num depósito de propelente, ou transportados para a órbita num navio-tanque de propelente para serem transferidos diretamente para a nave espacial interplanetária. Para retornar massa à Terra, uma opção relacionada é extrair matérias-primas de um corpo celeste do sistema solar, refinar, processar e armazenar os produtos da reação (propelente) no corpo do Sistema Solar até ao momento em que um veículo precise de ser carregado para o lançamento.

Utilização de recursos extraterrestres

Os veículos espaciais da atualidade tentam descolar com todo o combustível (propelentes e mantimentos de energia) a bordo de que necessitarão para toda a sua viagem, e as estruturas espaciais atuais são içadas da superfície da Terra. Fontes não terrestres de energia e de materiais encontram-se predominantemente muito mais longe, mas a maioria não exigiria a elevação para fora de um forte campo gravitacional e, consequentemente, deveriam ser muito mais baratas de usar no espaço a longo prazo.

O recurso não terrestre mais importante é a energia, porque pode ser usada para transformar materiais não terrestres em formas úteis (algumas das quais também podem produzir energia). Pelo menos duas fontes fundamentais de energia não terrestre foram propostas: geração de energia a partir do sol (sem o obstáculo das nuvens), diretamente por células solares ou indiretamente focando a radiação solar em caldeiras que produzem vapor para acionar geradores; e cabos eletrodinâmicos que geram eletricidade a partir dos poderosos campos magnéticos de alguns planetas (Júpiter possui um campo magnético muito poderoso).

A água em estado sólido (gelo) seria muito útil e está muito espalhada pelas luas de Júpiter e Saturno:

• A baixa gravidade destas luas torná-las-ia numa fonte de água mais barata para estações espaciais e bases planetárias do que levantá-la da superfície da Terra.
• Suprimentos de energia não terrestre poderiam ser usados para eletrolisar gelo de água em oxigénio e hidrogénio para uso em motores de foguetes bipropelentes.
• foguetes térmicos nucleares ou foguetes térmicos solares poderiam usá-la como massa de reação. O hidrogénio também foi proposto para uso nestes motores e forneceria um impulso específico muito maior (impulso por quilograma de massa de reação), mas foi alegado que a água superará o hidrogénio em termos de custo/desempenho, apesar do seu impulso específico muito menor por ordens de grandeza.^[45][46]
• Uma nave espacial com um suprimento de água adequado poderia transportar a água sob o casco, o que poderia fornecer uma margem de segurança adicional considerável para a nave e para os seus ocupantes:
  • A água absorveria e conduziria a energia solar, atuando assim como um escudo térmico. Uma nave a viajar no Sistema Solar interior poderia manter uma direção constante em relação ao Sol sem superaquecer o lado da nave voltado para o Sol, desde que a água sob o casco circulasse constantemente para distribuir uniformemente o calor solar por todo o casco;
  • A água forneceria alguma proteção adicional contra a radiação ionizante;
  • A água agiria como um isolante contra o frio extremo, assumindo que fosse mantida aquecida, seja pelo Sol quando viaja no Sistema Solar interno, ou por uma fonte de energia a bordo quando viaja para mais longe do Sol;
  • A água forneceria alguma proteção adicional contra impactos de micrometeoroides, desde que o casco fosse compartimentado de modo a garantir que qualquer vazamento pudesse ser isolado num pequeno setor do casco.

O oxigénio é um constituinte comum da crosta da Lua, e é provavelmente abundante na maioria dos outros corpos no Sistema Solar. O oxigénio não terrestre seria valioso como fonte de água gelada apenas se puder ser encontrada uma fonte adequada de hidrogénio. Possíveis usos incluem:

• Nos sistemas de suporte de vida de naves espaciais, estações espaciais e bases planetárias.
• Em motores de foguetões. Mesmo que o outro propelente tenha de ser levantado da Terra, usar oxigênio não terrestre poderia reduzir os custos de lançamento de propelentes em até 2/3 para combustível de hidrocarboneto, ou 85% para hidrogénio. As poupanças são tão altas porque o oxigênio representa a maioria da massa na maioria das combinações de propelentes de foguetes.

Infelizmente, o hidrogênio, juntamente com outros elementos voláteis como o carbono e o nitrogênio, são muito menos abundantes do que o oxigénio no Sistema Solar interior.

Os cientistas esperam encontrar uma vasta gama de compostos orgânicos nalguns dos planetas, luas e cometas do Sistema Solar exterior, e a gama de possíveis utilizações é ainda mais vasta. Por exemplo, o metano pode ser usado como combustível (queimado com oxigénio não terrestre), ou como matéria-prima para processos petroquímicos, como a produção de plásticos. E o amoníaco poderia ser uma matéria-prima valiosa para produzir fertilizantes a utilizar nos jardins hortícolas de bases orbitais e planetárias, reduzindo a necessidade de levar alimentos da Terra até lá.

Até mesmo rocha não processada pode ser útil como propelente de foguetes se forem empregues aceleradores de massa.

Suporte vital

Os sistemas de suporte de vida devem ser capazes de sustentar 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 oxigénio, nitrogénio e níveis controlados de dióxido de carbono, gases residuais e vapor de água.

Em outubro de 2015, o Gabinete do Inspetor-Geral da NASA emitiu um relatório de riscos para a saúde relacionado com os voos espaciais humanos, incluindo uma Missão tripulada a Marte.^[47][48]

Radiação

Quando um veículo sai da órbita baixa terrestre e da proteção da magnetosfera da Terra, entra no Cinturão de radiação de Van Allen, uma região de alta radiação ionizante. Para lá das cinturas de Van Allen, os níveis de radiação geralmente diminuem, mas podem flutuar ao longo do tempo.^[49] Estes raios cósmicos de alta energia representam uma ameaça à saúde. Mesmo os níveis mínimos de radiação durante estas flutuações são comparáveis ao atual limite anual para astronautas numa órbita baixa em torno da Terra.^[50]

Cientistas da Academia de Ciências da Rússia procuram métodos de redução do risco de cancro induzido por radiação em preparação para a missão a Marte. Eles consideram como uma das opções um sistema de suporte de vida gerando água potável com baixo teor de deutério (um isótopo estável do hidrogénio) a ser consumida pelos membros da tripulação. Investigações preliminares mostraram que a água sem deutério apresenta certos efeitos anticancerígenos. Consequentemente, considera-se que a água potável sem deutério tem o potencial de reduzir o risco de cancro causado por exposição a níveis de radiação extrema por parte da tripulação marciana.^[51][52]

Além disso, as ejeções de massa coronal do Sol são altamente perigosas e são fatais num curto espaço de tempo para os humanos, a menos que sejam protegidos por uma blindagem robusta.^{[53][54][55][56][57][58][59]}

Fiabilidade

Qualquer falha grave numa nave espacial em rota é provavelmente fatal, e mesmo uma falha menor pode ter resultados perigosos se não for reparada rapidamente, algo difícil de concretizar em espaço aberto. A tripulação da missão Apollo 13 sobreviveu apesar de uma explosão causada por um tanque de oxigénio defeituoso (1970).^[60]

Janelas de lançamento

Por razões de astrodinâmica, a viagem económica de naves espaciais para outros planetas só é prática dentro de certas janelas de tempo. Fora destas janelas, os planetas são essencialmente inacessíveis a partir da Terra com a tecnologia atual. Isto restringe os voos e limita as opções de salvamento no caso de uma emergência.^[61]