Como os satélites são lançados e permanecem em órbita?

Os satélites são corpos que orbitam ao redor de um corpo celeste. Eles podem ser classificados como:

• Naturais: astros celestes que orbitam ao redor de um planeta, por exemplo, a Lua;

• Artificiais: São objetos feitos pelo homem e colocados em órbita de um corpo celeste. Existem vários satélites artificiais ao redor do nosso planeta e com diversas funções, como satélites de comunicação, meteorológicos, militares e astronômicos.

O movimento dos satélites ao redor de um planeta obedece às Leis de Kepler e à Gravitação Universal. Observe a figura:

Considerando o planeta da figura com massa M e um satélite de massa m em órbita circular, de raio r, em torno desse planeta, podemos obter a velocidade do satélite com a Lei da gravitação universal e uma expressão para o período do satélite através da terceira Lei de Kepler.

A força de atração gravitacional entre o satélite e o planeta é centrípeta, assim, podemos obter duas equações:

F = G . M .m e F = m.v2
             r2                r

Sendo as duas forças iguais, podemos igualar as duas equações, obtendo a expressão:

G . M .m = m.v2
     r2          r

Simplificando as equações, encontramos uma expressão para a velocidade orbital do satélite:

v2 = G . M
       r

Para calcular o período do satélite, que é o tempo que ele leva para dar uma volta ao redor do planeta, podemos utilizar a expressão encontrada para a velocidade:

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v2 = G . M
      r

e relacioná-la com a equação da velocidade no movimento circular:

v = ω . r

obtendo a expressão:

ω2. r2 = G . M
            r

sendo ω = 2π, substituindo na equação acima, temos que:
                    T

4π2. r2 = G . M
 T2                 r   

Podemos encontrar também o período da órbita do satélite:

T2 = 4π2.. r3
GM

Se definirmos K como 4π2, obteremos a Terceira Lei de Kepler ou Lei dos períodos:
                                      GM

T2 = k
r3       

Lua: Satélite natural da Terra

A lua é o satélite natural da Terra. A hipótese mais aceita para a sua formação é que ela tenha sido resultado de um choque entre um corpo do tamanho de Marte e a Terra há cerca de 4,4 bilhões de anos.

A Lua localiza-se a uma distância de 384.400 km da Terra e tem um período orbital de 27 dias. Sua massa é igual a 7,349 . 1022 kg.

A Lua sempre embelezou o nosso céu, porém existem estudos que indicam que, a cada ano, ela afasta-se cerca de 4 cm do nosso planeta, o que poderá causar futuramente mudanças no clima e nas estações do ano, gerando sérias mudanças no estilo de vida da população terrestre. Mas ainda não precisamos nos preocupar, pois essas alterações podem demorar até milhões de anos.

Ter satélites na órbita da Terra é uma grande conquista ciência, da engenharia e da tecnologia. Afinal, para lançar um satélite, colocá-lo em órbita e mantê-lo funcionando por lá, é preciso considerar fatores como a aceleração da gravidade, ter amplo domínio da física e, claro, calcular as órbitas — e, se tudo der certo, eles ficarem "viajando" ao redor da Terra durante muitos anos. Mesmo com tanto cuidado e planejamento, pode acontecer de satélites acabarem colidindo entre si ou com outros objetos, principalmente com detritos espaciais. Mas, afinal, como os satélites na órbita da Terra evitam colisões — e por que, às vezes, esses incidentes podem acontecer?

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Podemos dizer que satélites são objetos que orbitam outro objeto maior e mais massivo. Existem dois tipos deles: os naturais (como a nossa Lua) e os artificiais, como é o caso dos satélites de comunicação, sendo que os artificiais contam com um sistema de alimentação, um mecanismo de controle de altitude, uma antena para transmitir e receber informações e, por fim, uma carga útil. Para entender como os satélites artificiais orbitam a Terra sem colidir — pelo menos na maioria das vezes —, é importante entender, primeiro, como eles são mantidos em órbita. Uma forma fácil de compreender isso é considerar os satélites como projéteis, ou seja, objetos que têm somente uma força atuante — que é a gravidade.

Satélites na órbita da Terra: como eles não "caem"?

A altitude exata que define o início do espaço é assunto para longas discussões, mas podemos considerar que, se um objeto cruzar a Linha de Kármán, estabelecida a 100 km de altitude, estará no espaço. Entretanto, para um satélite se manter em órbita, sem cair em direção à superfície, ele terá que se mover a uma velocidade de pelo menos 8 km/s, aproximadamente. Na verdade, ao viajar a essa velocidade, o satélite vai “cair” para a Terra, mas, devido à curvatura do nosso planeta, essa queda não acontecerá na superfície, mas sim ao redor dele — e, como a velocidade se mantém estável, essa queda é constante, ou seja, o satélite fica sempre "caindo" em movimento ao redor da Terra, não reentrando na superfície. Vale ressaltar que muitos satélites até são abastecidos com combustível, só que ele não é usado para mantê-lo em órbita, mas sim para mudá-la se for necessário, ou no caso de precisar desviá-lo de algum objeto vindo em sua direção.

E há algumas regiões variadas pelas quais os satélites podem viajar. A órbita baixa da Terra (ou “LEO”, na sigla em inglês), a mesma da Estação Espacial Internacional (ISS), vai de 160 a 2.000 km de altitude. Já a órbita geossíncrona (ou geoestacionária), considerada a melhor para os satélites de comunicação, se estende do equador da Terra a uma altitude de cerca de 35.786 km — nela, a taxa de “queda” acompanha a rotação da Terra, o que permite que o satélite fique quase sempre no mesmo lugar. Por outro lado, os satélites em órbitas polares se movem dos polos norte a sul a altitudes de aproximadamente 200 a 1.000 km e, geralmente, esta órbita é adotada para satélites climáticos ou de reconhecimento.

Por que os satélites na órbita da Terra podem colidir?

Quando um satélite é lançado ao espaço, a empresa, agência espacial ou a instituição responsável por ele planeja cuidadosamente a órbita do objeto, para evitar que ele encontre outros que já estejam em órbita, mas isso não elimina totalmente os riscos de uma colisão acontecer. O problema é que as órbitas podem mudar com o tempo, devido às interações entre o satélite e a atmosfera da Terra e, para completar, há pelo menos meio milhão de objetos na órbita terrestre. Esses objetos têm tamanhos que vão desde pequenos fragmentos de foguetes e naves, a satélites operando sozinhos ou em constelações, incluindo satélites antigos, já desativados, mas que jamais foram resgatados.

Poucos deles estão em uso, e a maioria dos demais é lixo espacial flutuando livremente a milhares de quilômetros por hora. Por isso, como a órbita da Terra está cada vez mais "congestionada", as chances de colisões vêm aumentando. Hoje, agências como a Space Surveillance Network, nos Estados Unidos, vêm monitorando os detritos orbitais e, caso identifiquem algum deles a caminho de um satélite importante, alertam a NASA e demais entidades envolvidas. Mesmo assim, colisões ainda acontecem.

Em 2009, por exemplo, um satélite de comunicações russo e outro estadunidense se chocaram no espaço, naquela que foi considerada a primeira vez em que dois satélites artificiais colidiram acidentalmente. Já em 2013, os satélites russos Iridium 33 e Cosmos 2251 colidiram entre si, gerando uma nuvem de detritos orbitais. Por viajarem a velocidades altíssimas, estes detritos são perigosos para outros satélites e para naves tripuladas — tanto que, de tempos em tempos, a Estação Espacial Internacional precisa realizar manobras de desvio de objetos do tipo.

Já no início deste ano, o 18º Esquadrão de Controle Espacial da Força Espacial dos Estados Unidos recebeu vários alertas sobre uma possível colisão entre satélites da empresa OneWeb e os Starlink, da SpaceX. No fim das contas, eles não se chocaram, mas passaram a apenas 57,9 m de distância um do outro, distância considerada perigosamente curta em termos espaciais. Ambas as empresas estão criando suas constelações de satélites — enquanto a OneWeb menos de 300 lançados, a SpaceX já conta com mais de 1.600 deles em órbita — e, para "piorar", há várias outras empresas com projetos similares, incluindo a Amazon com seu Projeto Kuiper, por exemplo.

Até o momento, não há como prevenir encontros ou acidentes do tipo em órbita, e ainda não há uma regulamentação global para esse novo mercado de constelações de satélites de internet. Por isso, a preocupação com aproximações do tipo é crescente. Segundo Hugh Leweis, considerado o maior especialista em detritos espaciais na Europa, quando a SpaceX cumprir sua meta de chegar a 12.000 satélites iniciais em sua constelação, os Starlink estarão envolvidos em 90% das aproximações perigosas com outros objetos.

Hoje, a NASA, a Agência Espacial Europeia (ESA) e outras entidades do setor espacial estão considerando medidas para reduzir a quantidade de detritos orbitais e, consequentemente, os riscos de colisões que possam resultar em ainda mais objetos em órbita. Uma possibilidade seria usar algum dispositivo para “derrubar” os satélites desativados e, assim, trazê-los para serem queimados na atmosfera; outros sugerem reaproveitá-los, reabastecendo-os para serem usados novamente.

Fonte: Universe Today, ESA, Space.com, NOAA

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