Viagem interplanetária
Voo espacial interplanetário ou viagem interplanetária é o voo espacial entre corpos dentro de um único sistema planetário. Os voos espaciais tornam-se interplanetários ao acelerar as naves espaciais além da velocidade orbital, atingindo a velocidade de escape em relação à Terra a 11,2 km/s, entrando em órbita heliocêntrica, possivelmente acelerando ainda mais, muitas vezes realizando sobrevoos de assistência gravitacional na Terra e noutros planetas. A maior parte dos voos espaciais de hoje permanece ligada à Terra, sendo uma parte muito menor interplanetária, todos realizados por naves espaciais não tripuladas, e apenas alguns voos espaciais tendo acelerado além disso, até a velocidade de escape do sistema, realizando eventualmente voos espaciais interestelares.
Sondas espaciais guiadas remotamente sobrevoaram todos os planetas observados do Sistema Solar, de Mercúrio a Neptuno, com a sonda New Horizons a ter sobrevoado o planeta anão Plutão e a sonda Dawn a orbitar atualmente o planeta anão Ceres. As naves espaciais mais distantes, Voyager 1 e Voyager 2, entraram no espaço interestelar a partir de 8 de dezembro de 2018, enquanto a Pioneer 10, a Pioneer 11 e a New Horizons estão a caminho de lá entrar também. De um modo geral, os orbitadores e landers planetários devolvem informações muito mais detalhadas e abrangentes do que as missões de sobrevoo. Sondas espaciais foram colocadas em órbita à volta de todos os cinco planetas conhecidos na antiguidade: A primeira a ser Vénus (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 estes corpos e os seus satélites naturais.
Os custos e o risco das viagens interplanetárias recebem muita publicidade — exemplos espetaculares incluem as avarias ou falhas completas de sondas sem tripulação humana, como a Mars 96, Deep Space 2 e Beagle 2 (o artigo Lista de sondas do Sistema Solar dá uma lista completa). Muitos astrónomos, geólogos e biólogos acreditam que a exploração do Sistema Solar fornece conhecimento que não poderia ser obtido por observações a partir da superfície da Terra ou da órbita da Terra. No entanto, discordam sobre se as missões tripuladas por humanos justificam o seu custo e risco. Os críticos dos voos espaciais humanos argumentam que as sondas robóticas são mais rentáveis, produzindo mais conhecimento científico por dólar gasto; os robôs não precisam de sistemas de suporte de vida dispendiosos, podem ser enviados em missões só de ida, e tornam-se cada vez mais capazes à medida que a inteligência artificial avança. Outros argumentam que os astronautas ou cientistas espaciais, aconselhados por cientistas na Terra, podem responder de forma mais flexível e inteligente a características novas ou inesperadas de qualquer região que estejam a explorar.
Um dos principais desafios nas viagens interplanetárias é a produção das enormes variações de velocidade necessárias para viajar de um corpo para outro no Sistema Solar. Devido à atração gravitacional do Sol, uma nave espacial que se mova para mais longe do Sol irá abrandar, enquanto uma nave espacial que se mova para mais perto irá acelerar. Além disso, uma vez que quaisquer dois planetas estão a distâncias diferentes do Sol, o planeta do qual a nave espacial parte move-se à volta do Sol a uma velocidade diferente da do planeta para o qual a nave viaja (de acordo com a Terceira Lei de Kepler). Por causa destes factos, uma nave espacial que deseje transferir-se para um planeta mais próximo do Sol tem de diminuir consideravelmente a sua velocidade em relação ao Sol para o intercetar, enquanto uma nave espacial que viaja para um planeta mais distante do Sol tem de aumentar substancialmente a sua velocidade. Posteriormente, se a nave espacial quiser entrar em órbita à volta do planeta de destino (em vez de apenas o sobrevoar), deve igualar a velocidade orbital do planeta em redor do Sol, o que normalmente exige outra grande alteração da velocidade.
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.
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.
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. 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.
Têm sido propostas várias tecnologias que poupam combustível e permitem viagens significativamente mais rápidas do que a metodologia tradicional do uso de transferências de Hohmann. Algumas são ainda 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 um propulsor iónico. Estas tecnologias melhoradas focam-se tipicamente num ou mais dos seguintes aspetos: Além de tornar as viagens mais rápidas ou custarem menos, tais melhorias poderiam também permitir maiores "margens de segurança" no design ao reduzirem o imperativo de tornar as naves espaciais mais leves. 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.
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). 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?]
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. 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.
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). 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. 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".
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. 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. Além disso, foi sugerido que o gancho espacial rotativo "não é tecnicamente viável em termos de engenharia usando os materiais atualmente disponíveis".
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. 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.
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.
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. 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. 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.
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).
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.
