• Começa Com Um Estrondo

É por isso que não atiramos o lixo da Terra no Sol

Os orbitadores solares são ótimas maneiras de estudar o Sol e fazem parte de como aprendemos muito sobre a maior fonte de energia natural do nosso Sistema Solar. No entanto, embora o Sol seja certamente quente o suficiente para derreter e ionizar qualquer matéria terrestre que colocarmos em contato com ele, é uma tarefa extraordinariamente difícil enviar qualquer coisa, como nosso lixo, para o Sol. (ESA)

Seria o método definitivo para resolver nossos problemas de poluição ou resíduos perigosos/radioativos, mas nunca o faremos. Aqui está o porquê.

Imagine nosso planeta como era nos primeiros 4,55 bilhões de anos de sua existência. Incêndios, vulcões, terremotos, tsunamis, ataques de asteróides, furacões e muitos outros desastres naturais eram onipresentes, assim como a atividade biológica ao longo de toda a nossa história medida. A maioria das mudanças ambientais que ocorreram foram graduais e isoladas; apenas em alguns casos - muitas vezes correlacionados com extinções em massa - as mudanças foram globais, imediatas e catastróficas.

Mas com a chegada dos seres humanos, o ambiente natural da Terra tem outro elemento para enfrentar: as mudanças causadas por nossa espécie. Por dezenas de milhares de anos, as maiores guerras foram meramente escaramuças regionais; os maiores problemas com resíduos levaram apenas a surtos isolados de doenças. Mas nossos números e capacidades tecnológicas cresceram e, com isso, um problema de gerenciamento de resíduos. Você pode pensar que uma ótima solução seria enviar nosso pior lixo para o Sol, mas nunca faremos isso acontecer. Aqui está o porquê.

O primeiro lançamento do Falcon Heavy, em 6 de fevereiro de 2018, foi um tremendo sucesso. O foguete atingiu a órbita baixa da Terra, implantou sua carga com sucesso e os principais propulsores retornaram ao Cabo Kennedy, onde pousaram com sucesso. A promessa de um veículo pesado reutilizável é agora uma realidade e pode reduzir os custos de lançamento para ~ $ 1.000/libra. Ainda assim, mesmo com todos esses avanços, não lançaremos nosso lixo ao Sol tão cedo. (JIM WATSON/AFP/GETTY IMAGES)

Atualmente, existem pouco mais de 7 bilhões de humanos no planeta, e o século anterior nos viu finalmente nos tornar uma civilização espacial, onde quebramos os laços gravitacionais que nos mantinham presos à Terra. Extraímos minerais e elementos valiosos e raros, sintetizamos novos compostos químicos, desenvolvemos tecnologias nucleares e produzimos novas tecnologias que excedem em muito os sonhos mais loucos de nossos ancestrais distantes.

Embora essas novas tecnologias tenham transformado nosso mundo e melhorado nossa qualidade de vida, existem efeitos colaterais negativos que surgiram para o passeio. Agora temos a capacidade de causar danos e destruição generalizados ao nosso meio ambiente de várias maneiras, do desmatamento à poluição atmosférica, à acidificação dos oceanos e muito mais. Com tempo e cuidado, a Terra começará a se autorregular assim que pararmos de exacerbar esses problemas. Mas outros problemas simplesmente não vão melhorar por conta própria em qualquer escala de tempo razoável.

Teste de arma nuclear Mike (rendimento 10,4 Mt) no Atol Enewetak. O teste fazia parte da Operação Ivy. Mike foi a primeira bomba de hidrogênio já testada. Uma liberação de tanta energia corresponde a aproximadamente 500 gramas de matéria sendo convertida em energia pura: uma explosão surpreendentemente grande para uma quantidade tão pequena de massa. Reações nucleares envolvendo fissão ou fusão (ou ambas, como no caso de Ivy Mike) podem produzir resíduos radioativos de longo prazo tremendamente perigosos. (ADMINISTRAÇÃO NACIONAL DE SEGURANÇA NUCLEAR / ESCRITÓRIO DO SÍTIO DE NEVADA)

Parte do que produzimos aqui na Terra não é apenas um problema a ser considerado no curto prazo, mas representa um perigo que não diminuirá significativamente com o tempo. Nossos poluentes de longo prazo mais perigosos incluem subprodutos e resíduos nucleares, produtos químicos perigosos e riscos biológicos, plásticos que liberam gás e não são biodegradáveis, e podem causar estragos em uma fração significativa dos seres vivos na Terra se entrarem em o ambiente de forma errada.

Você pode pensar que o pior dos piores desses criminosos deve ser embalado em um foguete, lançado ao espaço e enviado em rota de colisão com o Sol, onde finalmente eles não vão mais atormentar a Terra. (Sim, isso foi semelhante a o enredo de Superman IV .) Do ponto de vista da física, é possível fazê-lo.

Mas devemos fazê-lo? Essa é outra história inteiramente, e começa considerando como a gravitação funciona na Terra e em nosso Sistema Solar.

A espaçonave MESSENGER com destino a Mercúrio capturou várias imagens impressionantes da Terra durante uma passagem gravitacional de seu planeta natal em 2 de agosto de 2005. Várias centenas de imagens, tiradas com a câmera grande angular do Mercury Dual Imaging System (MDIS) da MESSENGER, foram sequenciado em um filme documentando a visão do MESSENGER quando ele partiu da Terra. A Terra gira aproximadamente uma vez a cada 24 horas em seu eixo e se move pelo espaço em uma órbita elíptica ao redor do nosso Sol. (NASA / MISSÃO DE MENSAGEIRO)

Os seres humanos evoluíram na Terra, ganharam proeminência neste mundo e desenvolveram tecnologias extraordinárias que nosso canto do cosmos nunca tinha visto antes. Todos nós sonhamos há muito tempo em explorar o Universo além de nossa casa, mas somente nas últimas décadas conseguimos escapar dos laços gravitacionais da Terra. A atração gravitacional exercida pelo nosso planeta massivo depende apenas da nossa distância do centro da Terra, o que faz com que o espaço-tempo se curve e faça com que todos os objetos sobre ele ou perto dele – incluindo humanos – acelerem constantemente para baixo.

Há uma certa quantidade de energia que mantém qualquer objeto massivo ligado à Terra: energia potencial gravitacional. No entanto, se nos movermos rápido o suficiente (ou seja, transmitirmos energia cinética suficiente) a um objeto, ele poderá cruzar dois limites importantes.

1. O limiar de uma velocidade orbital estável para nunca colidir com a Terra: cerca de 7,9 km/s (17.700 mph).
2. O limite de escapar inteiramente da gravidade da Terra: 11,2 km/s (25.000 mph).

É necessária uma velocidade de 7,9 km/s para atingir C (órbita estável), enquanto é necessária uma velocidade de 11,2 km/s para E escapar da gravidade da Terra. Velocidades inferiores a C cairão de volta à Terra; as velocidades entre C e E permanecerão ligadas à Terra em uma órbita estável. (BRIAN BRONDEL SOB UMA LICENÇA C.C.A.-S.A.-3.0)

Para comparação, um humano no equador do nosso planeta, onde a rotação da Terra é maximizada, está se movendo apenas a cerca de 0,47 km/s (1.000 mph), levando à conclusão de que não corremos o risco de escapar a menos que haja alguma intervenção tremenda. que muda a situação.

Felizmente, desenvolvemos exatamente essa intervenção: foguetes. Para colocar um foguete na órbita da Terra, precisamos de pelo menos a quantidade de energia necessária para acelerar esse foguete até a velocidade limite necessária que mencionamos anteriormente. A humanidade tem feito isso desde a década de 1950 e, uma vez que escapamos da Terra, havia muito mais para ver ocorrendo em escalas maiores.

A Terra não é estacionária, mas orbita o Sol a aproximadamente 30 km/s (67.000 mph), o que significa que mesmo se você escapar da Terra, você ainda se encontrará não apenas gravitacionalmente ligado ao Sol, mas em uma órbita elíptica estável em torno dele.

Os satélites Dove, lançados da ISS, são projetados para imagens da Terra e somam aproximadamente 300 no total. Existem cerca de 130 satélites Dove, criados pela Planet, que ainda estão na órbita da Terra, mas esse número cairá para zero na década de 2030 devido ao decaimento orbital. Se esses satélites fossem impulsionados para escapar da gravidade da Terra, eles ainda orbitariam o Sol, a menos que fossem impulsionados por quantidades muito maiores. (NASA)

Este é um ponto-chave: você pode pensar que aqui na Terra, estamos limitados pela gravidade da Terra e esse é o fator dominante no que diz respeito à gravitação. Muito pelo contrário, a atração gravitacional do Sol excede em muito a atração gravitacional da Terra! A única razão pela qual não percebemos é porque você, eu e todo o planeta Terra estamos em queda livre em relação ao Sol e, portanto, somos todos acelerados por ele na mesma taxa relativa.

Se estivéssemos no espaço e conseguíssemos escapar da gravidade da Terra, ainda estaríamos nos movendo a aproximadamente 30 km/s em relação ao Sol e a uma distância aproximada de 150 milhões de km (93 milhões de milhas) de nossa estrela-mãe . Se quiséssemos escapar do Sistema Solar, teríamos que ganhar cerca de mais 12 km/s de velocidade para atingir a velocidade de escape, algo que algumas de nossas espaçonaves (Pioneer 10 e 11, Voyager 1 e 2 e New Horizons ) já alcançaram.

A velocidade de escape do Sol à distância da Terra é de 42 km/s, e já nos movemos a 30 km/s apenas orbitando o Sol. Uma vez que a Voyager 2 voou por Júpiter, que gravitacionalmente a 'atirou', ela estava destinada a deixar o Sistema Solar. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO CMGLEE)

Mas se quiséssemos ir na direção oposta e lançar uma carga útil da espaçonave no Sol, teríamos um grande desafio em mãos: teríamos que perder energia cinética suficiente para que uma órbita elíptica estável ao redor do nosso Sol passasse para uma órbita que chegou perto o suficiente do Sol para colidir com ele. Existem apenas duas maneiras de fazer isso:

1. Traga combustível suficiente com você para que você possa desacelerar sua carga o suficiente (ou seja, fazer com que ela perca o máximo possível de sua velocidade relativa em relação ao Sol) e, em seguida, observe sua carga gravitacionalmente cair em queda livre no Sol.
2. Configure fly-bys suficientes com os planetas mais internos do nosso Sistema Solar - Terra, Vênus e/ou Mercúrio - para que a carga útil em órbita seja reduzida (em oposição aos impulsos positivos que naves espaciais como Pioneer, Voyager e New Horizons receberam de interagindo gravitacionalmente com os planetas exteriores) e, eventualmente, chega perto o suficiente do Sol para ser devorado.

A ideia de um estilingue gravitacional, ou assistente de gravidade, é fazer com que uma espaçonave se aproxime de um planeta que orbita o Sol ao qual não está vinculado. Dependendo da orientação da trajetória relativa da espaçonave, ela receberá um aumento ou redução de velocidade em relação ao Sol, compensado pela energia perdida ou ganha (respectivamente) pelo planeta que orbita o Sol. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS ZEIMUSU)

A primeira opção, na realidade, requer tanto combustível que é praticamente impossível com a tecnologia atual (foguete químico). Se você carregou um foguete com uma carga enorme, como você pode esperar para todos os resíduos perigosos que você deseja lançar no Sol, você teria que carregá-lo com muito combustível de foguete, em órbita, para desacelerá-lo o suficiente para que caísse no Sol. Para lançar essa carga útil e o combustível adicional, é necessário um foguete maior, mais poderoso e mais massivo do que qualquer outro que já construímos na Terra por uma grande margem.

Em vez disso, podemos usar a técnica de assistência à gravidade para adicionar ou remover energia cinética de uma carga útil. Se você se aproximar de uma grande massa (como um planeta) por trás, voar na frente dela e for gravitacionalmente lançado atrás do planeta, a espaçonave perde energia enquanto o planeta ganha energia. Se você seguir o caminho oposto, porém, aproximando-se do planeta pela frente, voando atrás dele e sendo arremessado gravitacionalmente de volta à frente novamente, sua espaçonave ganha energia enquanto a remove do planeta em órbita.

A missão do Messenger levou sete anos e um total de seis assistências gravitacionais e cinco manobras no espaço profundo para chegar ao seu destino final: em órbita ao redor do planeta Mercúrio. A Parker Solar Probe precisará fazer ainda mais para chegar ao seu destino final: a coroa do Sol. Quando se trata de alcançar o interior do Sistema Solar, as naves espaciais precisam perder muita energia para torná-lo possível: uma tarefa difícil. (NASA/JPL)

Duas décadas atrás, usamos com sucesso esse método de estilingue gravitacional para enviar com sucesso um orbitador para um encontro e imagens contínuas do planeta Mercúrio: a missão do Mensageiro. Isso nos permitiu construir o primeiro mosaico de todos os planetas do mundo mais interno do nosso Sistema Solar. Mais recentemente, usamos a mesma técnica para lançar a Parker Solar Probe em uma órbita altamente elíptica que o levará a apenas alguns raios solares do Sol.

Um conjunto cuidadosamente calculado de trajetórias futuras é tudo o que é necessário para alcançar o Sol, desde que você oriente sua carga com a velocidade inicial correta. É difícil de fazer, mas não impossível, e a Parker Solar Probe é talvez o garoto-propaganda de como iríamos, da Terra, lançar com sucesso uma carga de foguete no Sol.

Tendo tudo isso em mente, então, você pode concluir que é tecnologicamente viável lançar nosso lixo – incluindo resíduos perigosos como produtos químicos venenosos, riscos biológicos e até resíduos radioativos – mas é algo que quase certamente nunca faremos.

Por que não? Existem atualmente três barreiras para a ideia:

1. A possibilidade de uma falha de lançamento. Se sua carga útil for radioativa ou perigosa e você tiver uma explosão no lançamento ou durante um sobrevoo com a Terra, todo esse lixo será distribuído incontrolavelmente pela Terra.
2. Energeticamente, custa menos atirar sua carga para fora do Sistema Solar (de uma gravidade positiva auxiliando planetas como Júpiter) do que atirar sua carga para o Sol.
3. E, finalmente, mesmo que optássemos por fazê-lo, o custo de enviar nosso lixo para o Sol é proibitivamente caro no momento.

Esta fotografia de série temporal do lançamento do foguete Antares sem tripulação em 2014 mostra uma explosão catastrófica no lançamento, que é uma possibilidade inevitável para todo e qualquer foguete. Mesmo que pudéssemos alcançar uma taxa de sucesso muito melhor, o risco de contaminar nosso planeta com resíduos perigosos é proibitivo para lançar nosso lixo no Sol (ou fora do Sistema Solar) atualmente. (NASA/JOEL KOWSKY)

O sistema de lançamento espacial mais bem sucedido e confiável de todos os tempos é o foguete Soyuz, que tem uma taxa de sucesso de 97% após mais de 1.000 lançamentos. No entanto, uma taxa de falha de 2% ou 3%, quando você aplica isso a um foguete carregado com todos os resíduos perigosos que você deseja lançar fora de seu planeta, leva à possibilidade catastrófica de ter esses resíduos espalhados nos oceanos, na atmosfera, em áreas povoadas. áreas, água potável, etc. Este cenário não termina bem para a humanidade; o risco é muito alto.

Considerando que só os Estados Unidos estão armazenando cerca de 60.000 toneladas de lixo nuclear de alto nível, seriam necessários aproximadamente 8.600 foguetes Soyuz para remover esse lixo da Terra. Mesmo se pudéssemos reduzir a taxa de falha de lançamento para 0,1% sem precedentes, isso custaria aproximadamente um trilhão de dólares e, com uma estimativa de 9 falhas de lançamento, levaria a mais de 60.000 libras de resíduos perigosos sendo redistribuídos aleatoriamente pela Terra. .

A menos que estejamos dispostos a pagar um custo sem precedentes e aceitar a quase certeza da poluição ambiental catastrófica, temos que deixar a ideia de atirar nosso lixo no Sol para o reino da ficção científica e tecnologias futuras promissoras, como elevadores espaciais. É inegável que fizemos uma grande bagunça no planeta Terra. Agora, cabe a nós descobrir nossa própria maneira de sair disso.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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