Como funcionam os satélites? Por que eles voam sem combustível e não caem?

Quando começaram a surgir as primeiras ideias sobre como criar Science Driven, um dos primeiros artigos que quis escrever foi este, pois por um lado sou fascinado pela ciência por detrás dos satélites e por outro lado, penso que é é algo que o público em geral não sabe, então achei muito interessante explicar.

Durante muitas décadas tivemos satélites voando ao redor da Terra, fornecendo-nos suporte para comunicações, controle climático, navegação terrestre e marítima (GPS) e muitos outros usos.

Os satélites são lançados ao espaço e permanecem circulando pela Terra, trabalhando incansavelmente, até quebrarem ou algo os destruir.

Mas como é possível que trabalhem incansavelmente? Como eles voam? De onde eles tiram toda essa energia?

Sputnik 1

O primeiro satélite a ser lançado ao espaço foi o Sputnik 1, uma conquista técnica histórica lançada pela União Soviética em 4 de outubro de 1957. Este evento marcou o início da era espacial e da corrida espacial entre a União Soviética e os Estados Unidos e. teve um profundo impacto político e cultural durante a Guerra Fria . Este satélite, o primeiro a orbitar a Terra, foi desenvolvido pelo engenheiro soviético Sergei Korolev , que liderou o projeto e a construção do dispositivo e do seu veículo lançador.

Este acontecimento levou os Estados Unidos a aumentar os seus esforços na corrida espacial, levando eventualmente ao desenvolvimento do seu próprio programa espacial e ao lançamento de satélites, o que levou à criação da NASA e a um aumento significativo do investimento em ciência e tecnologia educacional. nos Estados Unidos.

O Sputnik 1 era uma esfera metálica de alumínio polido com diâmetro de 58 centímetros e peso de cerca de 83 kg. Foi equipado com quatro antenas longas e 2 transmissores para transmitir sinais de rádio (bips) para a Terra, que foram utilizados por cientistas e radioamadores para confirmar sua presença no espaço. Além disso, ajudaram a recolher dados importantes sobre a densidade da ionosfera e as condições do espaço exterior.

O satélite completou uma órbita ao redor da Terra aproximadamente a cada 96 minutos. O Sputnik 1 só funcionou durante 21 dias antes de as suas baterias acabarem e cair de órbita em Janeiro de 1958, com o seu legado a viver como o gatilho e impulsionador da era espacial moderna.

Foto: Sputnik 1

Vanguard 1

O Vanguard 1 corrigiu o grande problema que o Sputnik 1 tinha, as baterias.

Lançado pelos Estados Unidos em 17 de março de 1958. Este satélite fez parte do Projeto Vanguard e marcou um avanço significativo na tecnologia espacial, sendo o primeiro satélite a utilizar energia solar, em vez de baterias, para alimentar seus instrumentos.

O Vanguard 1 era um pequeno satélite esférico, com diâmetro de apenas 16,5 cm e peso aproximado de 1,5 kg. Painéis solares foram montados no corpo do satélite e alimentaram um transmissor de rádio, permitindo-lhe continuar a enviar informações muito depois de os satélites anteriores alimentados por bateria terem cessado a operação. Embora a potência gerada fosse muito pequena, foi suficiente para manter o transmissor operacional.

O Vanguard 1 continua a ser um dos satélites mais antigos que ainda orbita a Terra, e o seu sucesso com a energia solar foi um marco que perdura até hoje.

Foto: Vanguard 1

Atualmente, todos os satélites geram sua própria energia para o funcionamento de seus sensores, antenas, microprocessadores, lentes e toda a tecnologia que utilizam em suas operações diárias.

Os satélites não possuem nenhum tipo de motor ou elemento que os mova ou os mantenha constantemente em qualquer altura (embora possuam propulsores para corrigir desvios específicos causados ​​por agentes externos). Também não consomem nenhum tipo de energia para sua movimentação, exceto na fase de lançamento.

Seu funcionamento é muito mais simples e ao mesmo tempo fascinante do que parece.

Como os satélites voam?

Isto é possível graças a um delicado equilíbrio de forças e a 3 fatores principais: A força centrífuga produzida pelo seu movimento circular em torno da Terra, a força gravitacional, causada pela atração gravitacional da Terra e pela ausência de atrito no espaço, que permite ele girará para sempre uma vez colocado em órbita.

• Força centrífuga: A mesma força que as roupas têm quando giram na máquina de lavar ou que fazem um carro derrapar em uma curva. A força centrífuga é o que impulsiona qualquer objeto que gira em círculos para fora do círculo. Esta é a força sentida pelo satélite movendo-se numa trajetória circular, apontando para fora, longe da Terra.

  A fórmula da força centrífuga é

  \( F = m \cdot r \cdot \omega^2 \)

  Que é igual à massa do satélite (m), multiplicada pela distância do satélite ao centro da Terra (r), multiplicada pelo quadrado da velocidade angular do satélite (w)

• Força gravitacional: É a força com que o campo gravitacional terrestre “puxa” o satélite em direção ao centro da terra, ou seja, em direção ao solo.

  Sua fórmula é:

  \( F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} \)

  Que é igual à constante gravitacional G (\(6,674 \times 10^{-11} \, \text{m}^3 \text{kg}^{-1} \text{s}^{-2} , \)) multiplicado pelas massas da Terra e do satélite e dividido pelo quadrado da distância entre o satélite e o centro da Terra.

E é aí que vem a magia da ciência, pois a força centrífuga empurra o satélite em direção ao espaço sideral e a força gravitacional puxa o satélite em direção ao centro da terra, o ponto em que o satélite permanece estável é quando a força gravitacional é igual a força centrífuga, então eles se cancelam e o satélite pode continuar girando para sempre.

Se analisarmos ambas as fórmulas, temos os seguintes fatores: Massa do satélite, distância entre o satélite e a terra, velocidade do satélite, a constante G e a massa da terra.

Como as massas da Terra e do satélite não variam e nem a constante G, ficamos com o fato de que o equilíbrio de ambas as forças depende apenas de 2 valores, a altura do satélite acima da Terra e a sua velocidade , então se precisarmos de uma certa velocidade, basta ajustar a altura e se quisermos que ele voe a uma determinada altura, basta ajustar sua velocidade.

Este equilíbrio de forças, aliado à ausência de atrito, permite que um satélite gire indefinidamente em torno da Terra sem a necessidade de motores ou qualquer tipo de propulsão, apenas física.

Como um satélite é colocado em órbita?

Em primeiro lugar, conforme discutido até agora, é necessário calcular a altura e a velocidade com que necessitamos que o satélite orbite a Terra, dependendo do uso que queremos fazer dele, se é geoestacionário ou não, etc. ...

Uma vez definida a altura e a velocidade com que será colocado, o satélite é montado em um foguete espacial que se encarrega de viajar até a altura indicada e quando atingir a velocidade necessária, liberar o satélite para que comece seu jornada e podem realizar suas tarefas normalmente. O satélite pode precisar realizar manobras usando seus próprios propulsores para se ajustar com precisão à sua órbita final. Isso pode incluir mudanças de altitude, inclinação ou posição dentro de uma órbita.

Satélites geoestacionários vs não geoestacionários

Satélites geoestacionários são aqueles que permanecem fixos acima de um ponto específico da Terra, de forma que vejam sempre a mesma porção da Terra. Isto é conseguido colocando o satélite numa órbita geoestacionária, ou seja, colocando o satélite a uma velocidade exatamente igual à velocidade com que a Terra gira sobre si mesma, de tal forma, indo sempre à mesma velocidade, a posição relativa do satélite acima da Terra é sempre o mesmo. Como vimos anteriormente, o equilíbrio depende apenas da velocidade e da altura, portanto, sabendo que a velocidade deve ser igual à do solo, basta calcular a altura em que colocar o satélite.

Como a velocidade da Terra é constante, isso implica (após fazer o cálculo) que a altura de todos os satélites geoestacionários é de 35.786 km acima do centro da Terra, criando assim o que é conhecido como órbita geoestacionária, na qual todo satélite que é colocado nele permanecerá sempre no mesmo ponto da Terra, por isso ele circunda a Terra a cada 24 horas.

Esta forma de colocação de satélites é comum em satélites de controlo climático e de telecomunicações, uma vez que têm de operar sempre nas mesmas áreas.

Satélites não geoestacionários, então, são aqueles que são colocados em qualquer outra órbita, ajustando a velocidade dependendo da altura em que são colocados. Eles geralmente são colocados em órbita terrestre baixa (LEO), órbita terrestre média (MEO) e órbitas polares, entre outras.

A sua altitude pode variar de apenas algumas centenas de quilómetros acima da Terra até alguns milhares. Em geral, eles tendem a operar em órbitas muito mais baixas que as geoestacionárias, por isso sua velocidade é maior.

Satélites não geoestacionários em órbitas mais baixas (como LEO e MEO) devem mover-se mais rapidamente do que os geoestacionários para manter a sua órbita devido à maior força gravitacional em altitudes mais baixas.

Satélites não geoestacionários são normalmente utilizados para fotografia terrestre, cartografia, GPS e comunicações avançadas, como os satélites da rede Starlink de Elon Musk, que fornecem internet de alto desempenho para todo o planeta, graças à sua distância mínima da Terra. conexões têm uma latência muito baixa.

Curiosidades:

• “Sprites” ou “ChipSats” são os menores satélites, com tamanho aproximado de 3,5 cm quadrados. É um satélite de baixo custo para uso educacional e de pesquisa desenvolvido pela Cornell University (EUA)
• Os satélites devem realizar correções orbitais periódicas devido a diversas interferências externas. A gravidade da Lua e do Sol, bem como irregularidades na forma da Terra (como o achatamento nos pólos e o abaulamento no equador), podem alterar as trajetórias previstas dos satélites.
• O Vanguard 1, lançado em 1958, é um dos satélites mais antigos ainda em órbita, embora já não esteja operacional.
• Alguns satélites de comunicações são tão grandes quanto um ônibus escolar, como o ViaSat e o Intelsat.
• Existem milhares de fragmentos de satélites inativos e outros detritos no espaço, conhecidos coletivamente como lixo espacial.
• Os satélites espiões têm sido utilizados desde a década de 1960 para recolher informações através da observação de atividades noutros países.
• Satélites em órbita baixa da Terra podem viajar a velocidades de até 28.000 quilômetros por hora.
• O Starlink da SpaceX, fundado por Elon Musk, fornece cobertura global de Internet por meio de constelações de milhares de satélites de altitudes muito baixas.
• A rede de satélites do Sistema de Posicionamento Global (GPS) consiste em apenas 24 satélites, que permitem uma localização precisa em qualquer lugar do mundo.
• O primeiro satélite a obter imagens completas da Terra foi o ATS-3 em 1967.
• Os satélites em órbitas polares passam sobre os pólos da Terra e podem ver todas as partes do planeta enquanto ele gira.
• Alguns satélites desativados são reorientados e reutilizados para novas missões em vez de serem sucateados.
• O Japão está investigando o uso de madeira para construir satélites e reduzir o lixo espacial.
• Os satélites geoestacionários têm uma vida útil média de 10 a 15 anos, após os quais passam para uma órbita cemitério.
• A Lua é o maior satélite natural da Terra e tem sido fundamental para a compreensão de como os satélites podem ser usados ​​para a exploração espacial.
• Embora não sejam frequentes, têm ocorrido colisões entre satélites. Um exemplo notável é a colisão de 2009 entre o satélite Iridium 33 dos EUA e o satélite inativo Cosmos-2251 da Rússia. Este evento gerou milhares de detritos espaciais, aumentando o risco de futuras colisões.
• Os Estados Unidos lideram o número de satélites em órbita (cerca de 6.000), seguidos pela China e pela Rússia. Estes países têm programas espaciais avançados e lançam satélites para diversos fins, incluindo comunicações, investigação científica e aplicações militares.
• O conceito de guerras no espaço tem sido explorado em termos da capacidade de alguns países interceptarem e destruirem satélites. Por exemplo, em 2007, a China realizou um teste anti-satélite, onde um míssil chinês destruiu o seu próprio satélite meteorológico, gerando críticas internacionais e um campo de destroços em órbita.
• Embora não seja comum, alguns satélites foram recuperados de volta à Terra após completarem sua missão. O ônibus espacial da NASA foi usado principalmente em várias missões para recuperar satélites, como o Long Duration Exposure Facility (LDEF) e satélites de comunicações que foram posteriormente reparados ou atualizados e relançados.
• Numa reviravolta cómica, em 1978, o Consulado Soviético em São Francisco emitiu uma “multa de estacionamento” ao satélite espião americano KH-11 por “estacionar” sobre o território soviético. Embora tenha sido uma piada, este evento destaca as tensões durante a Guerra Fria relacionadas à vigilância por satélite.

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