14 de mai de 2015

Registros do primeiro experimento de gravidade artificial

Ela nos arrasta para baixo, puxa nossos membros desgastados, deixa nossos pés cansados, faz algumas partes de nosso corpo caírem. Mas ela também é um fator crítico para nosso bem-estar de longo prazo. Astronautas e cosmonautas que orbitaram a Terra nos últimos 60 anos descobriram que a gravidade zero e a microgravidade não nos fazem muito bem.

O corpo humano evoluiu em uma região curvada do espaço-tempo onde objetos experimentam uma aceleração quase uniforme de 9,81 m/s². O sangue e fluídos ficam pressurizados de acordo com essa aceleração, e as veias e artérias são pressionadas por músculos, de modo a não ficarem inconvenientemente acumuladas em nossos pés. Globos oculares são tensionados para manter uma forma oticamente adequada. E nosso microbioma é adaptado a um ambiente com movimentos definidos de subir e descer – especialmente quando o assunto é digestão.

Se um de nós for colocado em gravidade zero ou em microgravidade, as coisas ficam difíceis. Nosso sistema cardiovascular fica rapidamente confuso, e assim os fluidos se acumulam em locais onde normalmente não se acumulariam – daí a aparência de rostos inchados que viajantes espaciais podem desenvolver. Os olhos têm que se acomodar a forças incomuns. E para piorar ainda mais as coisas todos nós somos diferentes, e por isso cada indivíduo pode sofrer mudanças fisiológicas de vários níveis.

A ausência de gravidade por longos períodos de tempo é ainda mais séria. O crescimento e manutenção do esqueleto ficam comprometidos, e os minerais que normalmente seriam usados em ossos acabam coagulando nosso plasma sanguíneo e aumentando o risco de desenvolvermos cálculos renais e outras “delícias”. A contagem de hemácias diminui e nosso sistema imunológico mostra sinais de estar comprometido.

Então não é surpreendente que estejamos há tanto tempo tentando mitigar esses efeitos. Uma maneira de fazer isso é tentar criar gravidade artificial sempre que estivermos longe de um belo planeta massivo.

Um exemplo bem antigo dessas ideias data de 1896, quando o extraordinário cientista russo, Konstantin Tsiolkovsky, descreveu o uso de estruturas em rotação no espaço para explorar ‘forças’ centrífugas para simular a aceleração gravitacional. É só girar as coisas e, assim como acontece no experimento da pré-escola onde balançamos um balde cheio até a água ficar presa no fundo, produzimos uma aceleração estável sobre os objetos.

O icônico filme 2001: Uma Odisseia no Espaço, lançado em 1968, apresentou uma das melhores visualizações de como um habitat espacial rotatório poderia funcionar de fato (problemas de direitos autorais complicam uma reprodução aqui, mas a imagem ao lado,
retirada dos arquivos da NASA, é uma boa aproximação).

O primeiro experimento real com gravidade artificial foi realizado em setembro de 1966, quando a missão Gemini 11, da NASA, tripulada por Pete Conrad e Richard Jordan, se encontrou na baixa órbita terrestre com o Agena Target Vehicle (um estágio de foguete pesando 3.175 kg).

Uma de suas atividades era a fixação de um cabo de náilon com 30 metros de comprimento entre a cápsula Gemini e o Agena. A ideia era que, primeiro, ao estacionar a Gemini ‘acima’ do Agena, o cabo permanecesse esticado pela diferença do arrasto gravitacional nessa distância – isso não funcionou muito bem – segundo, que as duas naves pudessem se movimentar como um par de boleadeiras, uma ao redor da outra – seguradas pelo cabo e gerando gravidade artificial na direção do ‘chão’ da cápsula Gemini. Você pode assistir aos resultados aqui começando por volta dos 10 minutos e 30 segundos. Apesar das oscilações no cabo e de outros problemas com os veículos, tudo ficou temporariamente calmo depois de aproximadamente 20 minutos e, durante alguns momentos, uma diminuta gravidade artificial foi observada na cápsula Gemini. Cerca de 0,0005 G com 0,15 revoluções por minuto. Algum tempo depois, o cabo foi liberado.

É um pouco angustiante de assistir. E ainda mais angustiante de ler os detalhes sobre o que estava acontecendo. 

A aceleração produzida em um habitat giratório também apresenta outros desafios, porque seus ocupantes não permanecem estacionários.

Quando você se posiciona de pé sobre o ‘piso’ de um ambiente giratório, sua cabeça está sempre mais perto do eixo de giro, o que significa que seu crânio se move mais lentamente que seus pés. O que acontece quando você se abaixa para pegar algo, ou para amarrar seus sapatos? Da mesma forma, o que acontece quando você tenta caminhar? Nesses momentos, seu corpo tem que superar esse diferencial de velocidade e seu ouvido interno – com seus pequenos detectores de movimento cheios de fluidos – sente coisas muito estranhas acontecendo.

A Terra tem um raio grande o bastante em relação à sua massa para que o gradiente no campo gravitacional seja pequeno, e a diferença na aceleração gravitacional entre nossos pés e cabeças seja de apenas 0,000006 metros por segundo por segundo, ou cerca de 0,00006% (ignorando complicações de rotação planetária). Nós estamos adaptados a essa pequena alteração e não a percebemos. O mesmo não é necessariamente verdade dentro de uma nave espacial em rotação.

E as coisas também não param por aí. E quanto aos movimentos laterais? O simples ato de virar a cabeça em um habitat giratório envolve mudar quais partes do seu corpo ficam tangenciais ou perpendiculares à direção do giro, com possibilidades semelhantemente desagradáveis para seu ouvido interno.

Muitas dessas perguntas já foram consideradas com o passar dos anos, ainda que a maior parte do trabalho tenha sido realizado nos anos 1960 e 1970. Uma investigação particularmente detalhada foi realizada por Theodore Hall para sua tese de doutorado nos anos 1990 e grande parte desse material está disponível online – incluindo uma útil calculadora de gravidade artificial chamada de SpinCalc!

A conclusão é que precisamos manter o ambiente giratório grande em relação ao tamanho de um corpo humano (100 metros de raio seria bom), para minimizar as diferenças absolutas de velocidade entre cabeça e pés, e para manter o número de revoluções por minuto relativamente baixo (provavelmente menor que 3 ou 4). Também é preciso configurar tudo de modo que a velocidade do movimento circular seja significativamente maior que as velocidades típicas a que humanos caminham ou correm. De outra forma, se correr na direção contrária ao giro, você arriscaria negar a própria aceleração que o mantém preso ao solo!

A conclusão é que, assim como os astronautas da Gemini 11 descobriram na prática, produzir um sistema de gravidade artificial não é apenas um desafio de engenharia, mas também um desafio para refinar as coisas de modo a acomodar adequadamente o que humanos – ou qualquer outro organismo – conseguem suportar. Não é só ativar suas “rodinhas espaciais”.

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