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Insanas e maravilhosas órbitas espaciais

Diagramas ilustram a diversidade de trajetórias dos observatórios do espaço

Caleb Scharf
NASA
Essa imagem da Terra e da Lua em um único quadro, a primeira desse tipo obtida por uma sonda, foi registrada em 18 de setembro de 1977 pela Voyager 1, quando ela estava a mais de 11 milhões de quilômetros da Terra.
Com o passar dos anos, humanos lançaram naves espaciais em configurações orbitais selvagens, estranhas e extremamente inteligentes para melhor estudarem o Cosmos.

Visto de uma distância muito longa, o campo gravitacional de nosso sistema solar – devido à massa combinada de uma modesta estrela, de um conjunto de planetas e de bilhões de pedacinhos – se reduz a uma simetria quase perfeita. O Universo nos sente, na prática, como um simples ‘ponto’ de massa, um minúsculo componente em uma galáxia de mais de duzentos bilhões de outros pontos. 

Aproxime-se mais, porém, e o campo gravitacional de nosso espaço interplanetário se torna uma paisagem complicada, ondulante e dinâmica. Com 318 vezes a massa da Terra, o arrasto gravitacional de Júpiter, por exemplo, atravessa o sistema durante sua órbita de 12 anos, afetando e perturbando outros planetas. Com 95 massas terrestres, o mesmo acontece com o arrasto de Saturno. Também existem zonas de estabilidade não-intuitiva ao longo das órbitas de grandes mundos. E perto de quaisquer planetas, especialmente aqueles com luas, existem outras variações gravitacionais sutis e não-tão-sutis, além de zonas de equilíbrio e desequilíbrio.

Nós somos pequenos hominídeos inteligentes e aprendemos a navegar os oceanos desconhecidos da gravidade com nossas naves espaciais. Os detalhes podem ser surpreendentes e até deslumbrantes. Aqui estão alguns exemplos dos balés extraordinários que praticamos nas últimas décadas.

A injeção trans-lunar e a trajetória de livre retorno

Essa antiga imagem da Nasa apresenta as trajetórias da missão Apollo 8. Assim como aconteceu durante algumas das outras missões Apollo, a órbita subjacente era o desenho de um oito. Por quê? Essa trajetória fornecia um ‘livre retorno’ da Lua caso algo desse errado – em vez de fazer correções para entrar em uma órbita lunar, você simplesmente gira ao redor da Lua e volta –, uma manobra mostrada mais claramente na figura de baixo.
NASA
Essa versão de uma trajetória de ‘livre retorno’ foi usada nas Apollos 8, 10 e 11. Originalmente, a fracassada missão Apollo 13 não estava nessa trajetória, mas conseguiu usar o módulo lunar para entrar em um livre retorno – para a sorte dos astronautas. 
NASA
Observações planetárias

Vamos analisar a atualidade e um tipo muito diferente de missão. A sonda Cassini, da Nasa, ficou em Saturno desde a última década, em uma impressionante odisseia de descobertas científicas. Durante esse tempo, ela também alterou sua configuração orbital para melhor observar o sistema saturnino, criando a autêntica rede de trajetórias mostradas aqui. Atualmente, a Cassini está na missão Solstício – assim chamada em homenagem ao próximo solstício de verão de Saturno, em maio de 2017 (e que não se repetirá pelos próximos 29 anos). 
NASA/JPL; Planetary.org
Órbitas da Cassini ao redor de Saturno 
Reutilizar, reciclar, e orbitar o espaço vazio...

Tanto as órbitas da Cassini quanto da Apollo são relativamente fáceis de apreciar – as naves estão passando ao redor de seus alvos. Mas e quanto àquelas zonas especiais de equilíbrio e desequilíbrio? Aqui está um ótimo exemplo de uma missão da Nasa de que raramente se ouve falar. Lançada em 2007, a missão THEMIS (História Temporal de Eventos e Interações em Macroescala durante Subtempestades, literalmente), originalmente compreendia cinco sondas espaciais estudando a magnetosfera terrestre.

Após completar a missão primária, duas das sondas foram reprojetadas para se tornarem as missões ARTEMIS P1 e P2 – Aceleração, Reconexão, Turbulência e Eletrodinâmica das Interações da Lua com o Sol, em inglês (muito mais fácil de falar, não é?). Elas foram gentilmente conduzidas para mais longe da Terra em órbitas lunares.

Mas essas não são as órbitas lunares da sua avó, elas são Órbitas Libracionais Terra-Lua. Aqui a sonda se move ao redor de dois pontos de Lagrange (L1 e L2) – nos lados próximo e distante da Lua – locais em que o gradiente no campo gravitacional potencial é praticamente plano (devido aos arrastos combinados da Terra e da Lua em seu sistema de referência em rotação). Em outras palavras, a sonda ARTEMIS pode ‘pairar’ em estabilidade dinâmica enquanto o sistema Terra-Lua orbita o Sol, medindo condições magnetosféricas e a natureza do vento solar.

Isso não apenas economizou dezenas de milhões de dólares para a Nasa (quem disse que a agência não sabe como aproveitar ao máximo o que já tem?), como também apresentou um belo e único conjunto de trajetórias orbitais – mostradas aqui: 
NASA/Goddard
Órbitas libracionais relativas à Lua 
E uma visão lateral:
NASA/Goddard
Fazendo triângulos ao redor de cometas...

 

Às vezes o objeto de interesse no espaço interplanetário é tão pequeno que seu campo gravitacional mal chega a ser suficiente para manter uma sonda no lugar. Essa é a situação da missão Rosetta, da Agência Espacial Europeia, atualmente no Cometa 67-P/C-G. Então o que fazer? Aproximar-se dele em uma rota decididamente não-elíptica, chegando cada vez mais perto até algo semelhante a uma órbita estável poder ser atingida (Créditos: ESA, C. Carreau).