Imponderabilidade
Imponderabilidade é a ausência completa ou quase completa da sensação de peso, isto é, um peso aparente nulo ou muito pequeno. Também é denominada força g zero ou zero-g, em referência à força g, ou, de maneira enganosa, gravidade zero.
Na física newtoniana, a sensação de imponderabilidade experimentada pelos astronautas não decorre de uma aceleração gravitacional nula, observada a partir da Terra, mas da ausência de uma força g perceptível em condições de queda livre e da ausência de diferença entre a aceleração da espaçonave e a do astronauta. O jornalista especializado em assuntos espaciais James Oberg explica o fenômeno da seguinte maneira: O mito de que os satélites permanecem em órbita porque "escaparam da gravidade terrestre" é perpetuado, de maneira igualmente equivocada, pelo uso quase universal da expressão "gravidade zero" para descrever as condições de queda livre a bordo dos veículos espaciais em órbita. Evidentemente, isso não é verdade: a gravidade continua existindo no espaço. É ela que impede os satélites de seguirem em linha reta para o vazio interestelar. O que falta é o "peso": a oposição à atração gravitacional exercida por uma estrutura fixa ou por uma força contrária. Os satélites permanecem no espaço por causa de sua enorme velocidade horizontal, que lhes permite, enquanto são inevitavelmente atraídos para a Terra pela gravidade, cair "além do horizonte". O afastamento do solo, decorrente da curvatura da superfície terrestre, compensa a queda dos satélites em direção a ele. É a velocidade, e não a posição ou a ausência de gravidade, que mantém os satélites em órbita da Terra.
Peso aparente e massa
Uma balança de plataforma mede a força normal exercida entre ela e o corpo apoiado sobre sua superfície. Em um elevador que acelera para baixo, enquanto o corpo acompanha o piso e desprezando a resistência do ar, essa força é dada por em que m {\displaystyle m} é a massa do corpo, g {\displaystyle g} é a aceleração gravitacional e a {\displaystyle a} é o módulo da aceleração descendente do elevador. Na queda livre, a = g {\displaystyle a=g} , de modo que N = 0 {\displaystyle N=0} . A balança deixa de sustentar o corpo, embora a força gravitacional m g {\displaystyle mg} permaneça atuando. A massa não desaparece na imponderabilidade. Um objeto que flutua dentro de uma nave mantém sua inércia e precisa receber uma força para mudar de velocidade.
Na relatividade geral, um laboratório pequeno, sem rotação e em queda livre, constitui, aproximadamente, um referencial inercial local. Dentro dele, experimentos locais se comportam como em um laboratório sem campo gravitacional. Essa equivalência, expressa pelo princípio da equivalência, é limitada a regiões suficientemente pequenas e a intervalos de tempo suficientemente curtos. As diferenças de atração gravitacional entre pontos do laboratório podem ser detectadas em experimentos mais extensos. Os corpos em queda livre seguem geodésicas no espaço-tempo. A imponderabilidade local não exige que a curvatura do espaço-tempo seja nula. Os efeitos de maré, que aproximam ou afastam trajetórias inicialmente vizinhas, permitem detectar essa curvatura. Em uma nave acelerada por seus motores, o piso pode pressionar os ocupantes e produzir a sensação de peso mesmo longe de fontes intensas de gravidade. Essa situação é a outra parte do experimento mental do elevador, no qual uma aceleração adequada reproduz localmente os efeitos de um campo gravitacional.
Períodos breves de imponderabilidade também ocorrem durante um salto ou em brinquedos de parques de diversões que permitem a queda livre. Um objeto lançado para cima já está em queda livre enquanto sobe, desde que a resistência do ar seja desprezível. A condição não se restringe ao instante em que ele alcança a altura máxima.
Peso reduzido em aeronaves
Aviões são utilizados desde 1959 para proporcionar ambientes de imponderabilidade aproximada destinados ao treinamento de astronautas, à pesquisa e à produção cinematográfica. Essas aeronaves são conhecidas pelo apelido "Vomit Comet", ou "cometa do vômito". Para criar esse ambiente, o avião percorre um trecho aproximadamente parabólico, primeiro em subida e depois em descida. A sustentação é reduzida e a propulsão é ajustada para compensar o arrasto, ou resistência do ar. O avião e seus ocupantes passam a se mover aproximadamente em queda livre. A fase de imponderabilidade abrange parte da subida e da descida, e não apenas a passagem pelo ponto mais alto da trajetória.
Instalações terrestres de queda
As instalações terrestres que produzem condições de imponderabilidade para pesquisa são geralmente denominadas tubos de queda ou torres de queda. A Zero Gravity Research Facility da NASA, situada no Centro de Pesquisa John H. Glenn, em Cleveland, no estado de Ohio, possui um poço que se estende 155 m abaixo do solo e contém uma câmara de vácuo de 142 m de comprimento. Nela, um veículo experimental pode permanecer em queda livre por 5,18 segundos, percorrendo 132 m. O veículo é detido em aproximadamente 4,6 m de grânulos de poliestireno expandido, com um pico de desaceleração próximo de 65 g. O centro também possui a 2.2 Second Drop Tower, com uma distância de queda de aproximadamente 24 m. O experimento cai livremente dentro de uma proteção que recebe o arrasto do ar. O conjunto é detido por uma bolsa de ar, com desaceleração máxima de aproximadamente 30 g. A torre pode realizar até doze quedas por dia, enquanto a Zero Gravity Research Facility opera com uma queda diária.
Máquinas de posicionamento aleatório
Outra abordagem terrestre para simular certos efeitos da imponderabilidade em amostras biológicas é o "clinostato tridimensional", também chamado de máquina de posicionamento aleatório. Diferentemente de um clinostato convencional, esse dispositivo gira simultaneamente em dois eixos. A direção do vetor gravitacional muda continuamente em relação à amostra, e sua média temporal pode se aproximar de zero. A aceleração gravitacional instantânea, porém, não é eliminada. A rotação também produz acelerações e movimenta o líquido que envolve as células. Esses escoamentos podem exercer tensões de cisalhamento sobre as amostras. Os resultados precisam distinguir a resposta à mudança de orientação da gravidade dos efeitos mecânicos introduzidos pelo aparelho.
Flutuabilidade neutra
Uma piscina de flutuabilidade neutra, também denominada tanque de flutuabilidade neutra, é uma piscina na qual a flutuabilidade neutra é utilizada para o treinamento de astronautas em atividades extraveiculares e para o desenvolvimento de procedimentos. Essas piscinas começaram a ser utilizadas na década de 1960 e eram, inicialmente, piscinas recreativas; posteriormente, foram construídas instalações específicas para essa finalidade. Na piscina, pesos e flutuadores são ajustados para que o empuxo equilibre o peso do conjunto formado pelo astronauta e seu equipamento. A gravidade continua atuando. A água também oferece resistência aos movimentos, facilitando a parada do corpo e dificultando seu deslocamento. Por isso, a flutuabilidade neutra permite ensaiar tarefas e posições de trabalho, mas não reproduz integralmente o movimento de um astronauta em queda livre.
Órbitas
Na Estação Espacial Internacional (ISS), pequenas acelerações relativas decorrem de efeitos de maré, da atração gravitacional entre a estrutura e os objetos em seu interior, da resistência do ar e de movimentos dos astronautas que transferem momento linear à estação. A atração do Sol também produz efeitos de maré, mas sua componente aproximadamente uniforme acelera a estação e os ocupantes em conjunto, sem criar por si só uma força de apoio. O símbolo da microgravidade, μg, foi utilizado nos emblemas das missões STS-87 e STS-107 do ônibus espacial, dedicadas a pesquisas em microgravidade na órbita terrestre baixa. Ao longo dos anos, a pesquisa biomédica sobre as implicações do voo espacial ganhou importância na avaliação de possíveis alterações fisiopatológicas em seres humanos. Os voos suborbitais proporcionam períodos de imponderabilidade aproximada, ou μg, semelhantes aos encontrados em órbita terrestre baixa, e constituem um modelo de pesquisa para exposições de curta duração. Exemplos são os programas MASER, MAXUS e TEXUS, conduzidos pela Corporação Espacial Sueca e pela Agência Espacial Europeia.
Imponderabilidade no centro de um planeta
Se um objeto pudesse chegar ao centro de um planeta esfericamente simétrico sem ser impedido pelos materiais que o compõem, encontraria um ponto de campo gravitacional nulo no centro do núcleo planetário. A massa do planeta ao redor desse ponto exerce atração em todas as direções, de forma que as contribuições se cancelam.
Um campo gravitacional fraco e a imponderabilidade não são a mesma condição. A queda livre pode produzir imponderabilidade mesmo em um campo intenso. Para reduzir a atração de um astro isolado, é necessário aumentar a distância até ele. Fora de um corpo esfericamente simétrico, a aceleração gravitacional é dada por g = G M / r 2 {\displaystyle g=GM/r^{2}} , em que G {\displaystyle G} é a constante gravitacional, M {\displaystyle M} é a massa do astro e r {\displaystyle r} é a distância ao seu centro. Para que a aceleração produzida apenas pela Terra seja um milionésimo da gravidade padrão na superfície terrestre, é preciso estar a aproximadamente 6,4 milhões de quilômetros de seu centro. Para reduzir a atração do Sol ao mesmo valor, a distância necessária é de cerca de 3,7 bilhões de quilômetros do centro solar. Para reduzir somente a atração terrestre a um milésimo da gravidade padrão, a distância é de aproximadamente 200.000 km.
As experiências com fluidos fazem parte da pesquisa científica na Estação Espacial Internacional, inclusive da pesquisa europeia na estação. Na imponderabilidade, a tensão superficial não desaparece. Quando a deformação produzida pelo peso aparente é muito pequena, ela pode manter uma gota livre aproximadamente esférica. Uma gota perturbada pode oscilar antes de recuperar essa forma. A capilaridade pode conduzir líquidos por canais e recipientes com formatos apropriados, inclusive copos que permitem beber sem canudos ou bombas. A separação entre líquidos e gases também muda quando o empuxo se torna desprezível. Durante a ebulição, as bolhas podem crescer mais e se mover mais lentamente que na Terra, alterando a transferência de calor. A redução da convecção natural provocada pelo empuxo modifica a forma das chamas. Na Terra, os gases quentes sobem e ajudam a produzir o formato alongado de uma chama de vela. Em microgravidade, uma chama pode adquirir forma arredondada e coloração azulada. O oxigênio ainda pode alcançar a região de combustão por difusão molecular ou pelo escoamento produzido por ventiladores. A ausência de convecção natural não impede toda convecção nem elimina o risco de incêndio.
Com o surgimento de estações espaciais que podem ser habitadas por longos períodos, demonstrou-se que a exposição à imponderabilidade pode ter efeitos prejudiciais à saúde humana. Os seres humanos estão bem adaptados às condições físicas da superfície terrestre. Em resposta a períodos prolongados de imponderabilidade, diversos sistemas fisiológicos começam a se modificar e a sofrer atrofia. Embora essas alterações sejam geralmente temporárias, podem ocorrer problemas de saúde duradouros. O problema mais comum nas primeiras horas de imponderabilidade é a síndrome de adaptação ao espaço, frequentemente chamada de enjoo espacial. Seus sintomas incluem náuseas, vômitos, vertigem, dores de cabeça, letargia e mal-estar geral. O primeiro caso foi relatado pelo cosmonauta Gherman Titov, em 1961. Estimativas anteriores indicavam que aproximadamente 45% das pessoas que viajaram ao espaço apresentaram essa condição. A duração varia, mas os sintomas geralmente se concentram nos primeiros dias, à medida que o organismo se adapta ao novo ambiente. A NASA utiliza informalmente a "escala Garn", em referência ao senador dos Estados Unidos Jake Garn, cujo enjoo durante a missão STS-51-D foi descrito como excepcionalmente intenso. Nessa escala humorística, um "Garn" corresponde ao caso mais grave imaginável.
Enjoo espacial
O enjoo espacial é considerado um subtipo de cinetose e afeta uma parcela significativa dos astronautas que viajam ao espaço, estimada em aproximadamente metade em alguns estudos. Juntamente com congestão facial causada pelo deslocamento de líquidos em direção à cabeça, dores de cabeça e dores nas costas, integra o conjunto mais amplo de sintomas da síndrome de adaptação ao espaço. Foi descrito pela primeira vez em 1961, durante a segunda órbita do quarto voo espacial tripulado, quando Gherman Titov, a bordo da Vostok 2, relatou desorientação e sintomas físicos compatíveis, em grande parte, com a cinetose. Embora seja um dos problemas fisiológicos mais estudados do voo espacial, continua representando uma dificuldade importante para muitos astronautas. Em alguns casos, pode ser tão incapacitante que exige o afastamento de atividades programadas, inclusive caminhadas espaciais para as quais houve meses de treinamento. Na maioria dos casos, porém, os astronautas continuam trabalhando apesar dos sintomas e da redução de desempenho.
Efeitos musculoesqueléticos
No ambiente espacial, os efeitos da redução de carga variam consideravelmente entre os indivíduos. A participação de diferenças relacionadas ao sexo nessa resposta ainda não está esclarecida. A duração das missões e o pequeno número de astronautas que participam de uma mesma missão também dificultam a comparação dos distúrbios musculoesqueléticos observados no espaço. Além da perda muscular, a microgravidade provoca aumento da reabsorção óssea e redução da densidade mineral óssea, o que pode aumentar o risco de fraturas. A reabsorção eleva a eliminação urinária de cálcio, o que pode aumentar o risco de cálculos renais. A redução da carga sobre a coluna vertebral também permite que ela se alongue e perca parte de sua curvatura habitual. A altura de um astronauta pode aumentar até cerca de 3% durante o voo espacial.
Efeitos cardiovasculares
Assim como os sistemas esquelético e muscular, o sistema cardiovascular é submetido a uma carga menor em condições de imponderabilidade e pode sofrer descondicionamento durante estadias prolongadas no espaço. Na Terra, a gravidade estabelece um gradiente hidrostático vertical. Quando uma pessoa está em pé, parte dos líquidos se acumula nos vasos e tecidos das pernas. Em microgravidade, a perda desse gradiente hidrostático provoca uma rápida redistribuição de líquidos para o tórax e a parte superior do corpo, que pode ser percebida pelo organismo como um excesso de volume sanguíneo circulante. Seguem-se ajustes na distribuição de líquidos, com redução do volume de plasma sanguíneo. A redução da massa de hemácias também participa da chamada anemia espacial, mas seus mecanismos não podem ser resumidos à diminuição da produção dessas células. Em um estudo com 14 astronautas, Guy Trudel e colaboradores interpretaram o aumento do monóxido de carbono expirado como sinal de maior destruição de hemácias durante missões de cerca de seis meses. Giampaolo Minetti e colaboradores questionaram essa interpretação, pois o monóxido de carbono também pode resultar da degradação de outras proteínas que contêm heme. A redistribuição inicial de sangue em direção ao átrio direito pode aumentar o volume sistólico. Essas alterações tornam-se particularmente importantes no retorno à gravidade terrestre, quando os líquidos voltam a se deslocar para a parte inferior do corpo, mas o volume circulante e a massa de hemácias estão reduzidos. A diminuição da pressão de enchimento cardíaco e do volume sistólico durante o esforço de permanecer em pé contribui para a intolerância ortostática. Essa condição pode provocar perda temporária de consciência e do tônus postural devido à perfusão cerebral insuficiente. Algumas espécies animais desenvolveram características fisiológicas e anatômicas, como pressão sanguínea elevada e coração mais próximo da cabeça, que ajudam a enfrentar os efeitos da gravidade sobre a circulação. Formas crônicas de intolerância ortostática também podem incluir náusea, problemas de sono e outros sintomas vasomotores.
Efeitos sobre organismos não humanos
Em 2008, o pesquisador russo Dmitri Atiakshin relatou que baratas concebidas durante o voo da missão Foton-M3 cresceram mais rapidamente que suas equivalentes terrestres e apresentaram maior velocidade e resistência. No experimento com ovos de galinha levado pela missão STS-29, em 1989, os 16 embriões com dois dias de incubação no lançamento estavam mortos no pouso, enquanto os 16 com nove dias de incubação chegaram vivos ao fim do voo. Dos embriões mais velhos, oito foram deixados para eclodir na Terra e produziram pintinhos sem malformações macroscópicas. A análise microscópica, porém, encontrou diferenças no sistema vestibular em comparação com os controles terrestres.
Cristais de alta qualidade
O crescimento de cristais em microgravidade, em estações espaciais ou satélites artificiais automatizados, é estudado por meio da engenharia de processos em baixa gravidade com o objetivo de reduzir defeitos na rede cristalina. Trata-se de uma possibilidade de aplicação comercial investigada experimentalmente. Cristais com menos defeitos podem ser úteis em determinadas aplicações microeletrônicas e na cristalografia de raios X. Em 2017, foi realizado na ISS um experimento de cristalização do anticorpo monoclonal terapêutico pembrolizumabe. Os resultados mostraram partículas cristalinas mais uniformes e homogêneas que as dos controles terrestres. Essa uniformidade pode permitir formulações de anticorpos mais concentradas e de menor volume, potencialmente adequadas à administração subcutânea, menos invasiva que a administração intravenosa utilizada como referência no estudo.
Processamento sem recipientes
A microgravidade permite processar materiais fundidos sem que uma parede de recipiente precise sustentá-los. No módulo Kibō da Estação Espacial Internacional, o forno de levitação eletrostática da Agência Japonesa de Exploração Aeroespacial mantém pequenas amostras suspensas por forças eletrostáticas e as aquece com lasers. A ausência de contato com um cadinho reduz a contaminação da amostra e permite medir propriedades de líquidos a temperaturas elevadas. O controle eletrostático mantém a amostra na posição desejada durante o aquecimento e o resfriamento.
Isaac Newton estabeleceu, no século XVII, os fundamentos necessários para explicar a imponderabilidade. No experimento mental do canhão de Newton, um projétil é lançado horizontalmente do alto de uma montanha, sem resistência do ar. Quanto maior a velocidade de lançamento, mais longe ele chega antes de atingir o solo. Com velocidade suficiente, a curvatura de sua trajetória acompanha a curvatura terrestre, e o projétil permanece em queda livre ao redor do planeta. Konstantin Tsiolkovski descreveu a imponderabilidade orbital. Na década de 1950, os irmãos Fritz Haber e Heinz Haber propuseram o uso de voos parabólicos para simular a imponderabilidade. Em 24 de maio de 1962, Scott Carpenter levou a bordo da cápsula Aurora 7, do Projeto Mercury, um experimento sobre o comportamento de líquidos em microgravidade. O dispositivo continha água colorida em uma esfera de vidro com um tubo cilíndrico interno. Durante o voo, o líquido preencheu o tubo por capilaridade. O resultado ajudou a testar métodos para manter propelentes junto aos pontos de captação nos tanques de espaçonaves.
