O pai dos foguetes

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Konstantin Tsiolkovsky.

Há 163 anos, em 17 de setembro de 1857, nascia Konstantin Tsiolkovsky, um russo auto-didata que resolveu pensar de maneira objetiva como seria possível viajar no espaço por meio de algum veículo. O desafio não parecia fácil, já que no espaço não existe nada para empurrar a fim de ganhar alguma velocidade.

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Um carro consegue se impulsionar ao empurrar a Terra para trás. Estamos confinados sempre à lei de Newton, que diz que, para ter alguma ação, você precisa realizar uma outra ação contrária. Os pneus do carro, ao girar, empurram o planeta para trás e recebem, então, uma força para frente, que move o veículo. Se não existisse atrito entre o pneu e o asfalto, o carro patinaria sem sair do lugar.

Um barco a motor (ou um submarino), se move ao impulsionar a água para trás. Os hélices, ao girar, empurram uma quantidade de água e, em contrapartida, recebem uma força para frente. Um avião funciona da mesma maneira, empurrando o ar para trás. Quanto mais rápido você empurra algo, mais rápido você vai para frente.

Um barco a vela é um pouco diferente, ele rouba o movimento de algo que já estava se deslocando, o vento. Correntes de convecção criam ventos na superfície da Terra e uma vela, ao aplicar uma força contra esse vento, recebe uma força contrária. O barco a vela não tem capacidade de iniciar seu próprio movimento como o carro, pois não tem nenhum combustível. A beleza do veleiro é poder se mover para sempre, sem nunca precisar parar para abastecer, contanto que exista vento. Nos dias de calmaria, porém, ele fica à deriva.

Nada disso funciona no espaço. Não tem terra, água ou ar no espaço para você empurrar, e nem mesmo bate um ventinho. Para ser honesto existe sim vento, o vento solar. O sol está constantemente emanando um fluxo de luz e partículas que viaja pelo espaço e seria possível estender uma vela para se mover – de fato existem naves com velas solares, a primeira foi a IKAROS lançada em 2010 – mas tal fluxo é tão fraquinho que só é possível ganhar velocidade se a nave for extremamente leve.

Sonda IKAROS, imagem criada por “Andrzej Mirecki”.

Quando Tsiolkovsky começou a pensar sobre viagens espaciais, na década de 1890, a aviação ainda estava nascendo (o voo do 14-Bis, por exemplo, só ocorreria em 1906), embora já existissem foguetes. Criados na China por volta do ano 1000, os foguetes eram impulsionados pela queima da pólvora e foram usados como fogos de artifício e eventualmente como arma – mas, sem um sistema de controle, eram muito imprecisos e faziam mais barulho do que estrago. Tirando alguns devaneios, não se pensava em usar esses dispositivos para uma viagem espacial. O próprio sonho de ir à Lua, como no livro de Júlio Verne, Viagem à Lua, era imaginado por meios balísticos (uma nave lançada por um canhão) e não usando um foguete.

Cena do filme “Viagem à Lua”, de 1902, do diretor Georges Méliès, inspirado no livro de Júlio Verne.

Foi Tsiolkovsky o primeiro a equacionar, de maneira clara e objetiva, como seria possível se mover no espaço sem ter nada para empurrar: empurre a si mesmo, foi o que ele pensou. Se não tem paredes para empurrar – nem ar, nem água, nem terra – o jeito é se fragmentar. Se eu me dividir em dois, uma das metades pode empurrar a outra metade. O momento total é zero, se conserva. Eu sacrifico parte do meu corpo, para que alguma outra parte possa chegar em algum lugar.

Assim, chegamos na famosa equação de Tsiolkovsky:

{\displaystyle \Delta v=v_{e}\ln {\frac {m_{0}}{m_{f}}}}

Vou explicá-la passo a passo, fique tranquilo. Do lado esquerdo temos Δv, que representa a variação da velocidade, ou seja, a aceleração. Um corpo pode acelerar no espaço caso ocorra o processo do lado direito da equação.

Temos um tal de ln(m0/mf). M0 é a massa inicial (o corpo inteiro), e Mf é a massa final do corpo, quer dizer, do pedacinho que será impulsionado ao se descartar o resto. Ln é simplesmente a função logarítmica mas, para nossa análise, não importa muito entender seu detalhe. O que importa é notar que existe uma divisão de M0 por Mf. Isso quer dizer que, quanto menor for Mf (quanto menor for o fragmento final, ou seja, quanto mais partes de si você jogou fora), maior será a aceleração da parte que sobrou. Da mesma forma, quanto maior for M0, ou seja, quanto maior for o corpo inicial, mais coisa tem para descartar, e, portanto, maior é a aceleração que se pode atingir. Por isso os foguetes são tão grandes, e a nave final é tão pequena. Todo aquele monstrão foi descartado para que somente a pontinha consiga chegar em órbita ou ir para outros planetas.

Temos ainda um termo multiplicando chamado Ve, que é a velocidade de exaustão, ou seja, a velocidade com que você arremessa as partes do seu corpo. Imagine que você está no espaço com várias bolinhas na mão. A cada bolinha que você joga para trás, você começa a voar para frente. Se você apenas der um empurrãozinho numa bolinha, irá bem devagar para frente. Se, por outro lado, você arremessar com muita força a mesma bolinha, sentirá um empurrão maior para frente. É a mesma coisa nos foguetes. Quanto mais rápido você expelir o combustível – ou, em linguagem técnica, o propelente do foguete – mais rápido a parte que resta será impelida para frente. Por isso foguetes queimam suas partes antes, a fim de jogar esses gases em altíssima velocidade para trás.

Queima do propelente em altíssima pressão e temperatura para aumentar a velocidade de exaustão.

Com essa equação foi possível entender exatamente o processo de se locomover no espaço, e como então seria possível projetar um foguete eficiente para tal. Essa é a equação mais importante dos foguetes, mas ela também é muito cruel. Para colocar um objeto em órbita é necessário um Δv de pelo menos 8.000m/s, que é uma velocidade 6 vezes mais rápida que a bala mais rápida do mundo. Tsiolkovsky percebeu o quanto impossível seria fazer um foguete chegar nessa velocidade queimando combustível. Chegaria um ponto que, mesmo com os tanques vazios, a massa da carcaça do foguete seria proporcionalmente muito pesada. Ele então inventou o foguete de múltiplos estágios, uma ideia de que o foguete iria se livrando das partes vazias de vez enquanto, para manter sempre uma massa final menor possível. De fato ele levou bem a sério essa ideia de se fragmentar.

Exemplo de foguete separando estágios.

Tsiolkovsky foi o primeiro e mais importante teórico do voo espacial, abrindo as possibilidades para o sonho da viagem à Lua e a conquista da fronteira mais alta. Além da equação que recebe seu nome e da concepção de múltiplos estágios, ele fez diversas contribuições na área, como novas formas de estabilizar e controlar os foguetes, como lidar com o excesso de calor durante a reentrada orbital, tipos de bomba de combustível, trajetórias mais eficientes, os melhores propelentes etc.

Fica aqui minha sincera homenagem a este visionário que nos permitiu, em pouco mais um século, enviar sondas para todas as partes do sistema solar e continuar sonhando com o próximo grande salto.

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