Era do Espaço de Transporte Vertical

Da ficção científica à solução de engenharia viável e a um mercado emergente

Por Yuval Valiano-Rips e Maya Glickman-Pariente

Este artigo foi apresentado no Simpósio Internacional de Elevadores e Escadas Rolantes de 2022, em Barcelona, ​​Espanha. 

1. Resumo

O Elevador Espacial é um conceito bem conhecido de um veículo de transporte vertical (TV) baseado em cabos, que leva o planeta do solo até a órbita geoestacionária. Ao longo do último século, autores de ficção científica e cientistas têm discutido esse desafio que ainda não foi superado.

Embora o mercado potencial para um elevador espacial seja enorme, os materiais necessários para a construção ainda precisam ser comercializados e a tecnologia precisa amadurecer.

Em paralelo, um novo mercado para a tecnologia vertical surgirá no início da década de 2030 com as missões à Lua e a Marte, nas quais as empresas de elevadores deverão assumir um papel de liderança.

Poucos programas espaciais foram iniciados e financiados para construir assentamentos humanos na Lua, em Marte e além. O principal programa é a missão internacional "Artemis", liderada pela NASA, que inclui a construção de bases habitadas na superfície da Lua até 2025 e em Marte até 2035.

Esses novos assentamentos precisarão de diferentes tipos de soluções de transporte vertical — tanto para pessoas quanto para cargas.

Lidar com desafios como transportar enormes quantidades de equipamentos de naves espaciais com pouso vertical até a superfície, transportar verticalmente materiais necessários para abastecer o acampamento a partir de minas subterrâneas ou simplesmente viajar da superfície para a segurança do habitat subterrâneo exige que repensemos os elevadores: força gravitacional diferente, densidade e composição atmosférica diferentes, radiação mais forte e outros desafios que nossa indústria deve começar a abordar. 

A esses novos casos de uso da tecnologia virtual somam-se novos hotéis da era espacial que já estão sendo planejados por diversas empresas. Estações espaciais construídas para férias luxuosas em órbitas terrestres baixas (LEO) ao redor da Terra também precisarão de soluções para o transporte de pessoas.

Indústrias relacionadas ao setor espacial, ferroviário, automobilístico ou outras empresas de tecnologia poderiam solucionar esses problemas. Mas acreditamos que a indústria de tecnologia de vídeo precisa estar preparada para atender às necessidades das próximas décadas antes que qualquer outro setor assuma a liderança.

Em nosso artigo, pesquisamos os desafios para esse novo mercado (ambiente espacial, oportunidades de mercado, arquiteturas atuais, etc.) e propomos diferentes soluções com um roteiro para empresas de elevadores que desejam expandir seus negócios para o espaço.

O papel dos elevadores na nova era espacial está sendo abordado atualmente apenas por empresas ligadas ao setor espacial que entendem de espaço, mas não de elevadores.

A principal conclusão do artigo é que agora é o melhor momento para as empresas de elevadores iniciarem a pesquisa e o desenvolvimento da relação entre elevadores e o ambiente espacial, a fim de obter módulos de elevadores testados no espaço e prontos para instalação.

Este artigo é um apelo à ação para o nosso setor.

2. Motivação para o Artigo — Elevadores e o Novo Espaço 

Nos últimos 20 anos, a presença humana no espaço tem sido constante. Nas próximas décadas, entraremos na era em que os humanos darão seus primeiros passos como uma espécie multiplanetária. Habitats humanos na Lua e em Marte já estão sendo planejados. Essas instalações precisarão de soluções de transporte vertical (VT) para descarregar equipamentos, suprimentos e pessoas dos módulos de pouso em crateras, tubos de lava e cavernas sob a superfície, e para operar atividades subterrâneas, onde extrairemos gelo e materiais de construção do solo lunar e marciano. Naves espaciais e estações espaciais cada vez maiores — algumas planejadas como enormes "hotéis espaciais" — também precisarão transportar pessoas por longas distâncias, tanto vertical quanto horizontalmente.

2.1 Nossa Visão Holística

Nos próximos anos, veremos uma demanda crescente por soluções de elevadores verticais (VT) para uso em ambientes extraterrestres: Lua, Marte e hotéis espaciais. Portanto, acreditamos que agora é o momento de desenvolver os conceitos, encontrar os materiais e criar os projetos que atendam a todos os requisitos desses elevadores.

Um ambiente comercial para materiais e componentes de elevadores com desempenho comprovado no espaço começará a se desenvolver nesta década, e a indústria de elevadores em todo o mundo precisa fazer parte desse importante esforço. Se não assumirmos a liderança, outro setor assumirá o papel de planejar e construir essas soluções de transporte: as indústrias espaciais, as empresas ferroviárias ou outras indústrias de tecnologia ou transporte.

Além disso, a criação e o teste de materiais e produtos relacionados a elevadores para a indústria espacial terão um efeito bumerangue (retorno automático) para os elevadores "comuns" aqui na Terra, introduzindo materiais, componentes e processos mais resistentes, leves e eficientes para elevadores aqui no solo.

2.2 O que já está em construção?

Cada empresa ou organização espacial que planeja pousar humanos ou cargas em outro corpo celeste constrói sua solução de transporte terrestre de acordo com os requisitos que define para seus veículos e missões. Algumas das arquiteturas espaciais atuais que precisarão de algum tipo de elevador extraterrestre são a SpaceX (que planeja pousar humanos na Lua até 2025 e em Marte até 2035 usando sua frota "Starship"), a NASA (que planeja pousar humanos na Lua em 2024) e outras que estão por vir.

Outros planos visionários incluem hotéis espaciais que precisarão de algum tipo de solução de transporte vertical e horizontal. No futuro, certamente será utilizada gravidade artificial por meio de forças centrípetas, e então as soluções de transporte vertical serão cruciais.

3. O Desafio

Quando se pensa em espaço e elevadores, o conceito de um Elevador Espacial (ou Elevador Lunar) sempre vem à mente. Mas existe uma solução de transporte muito mais urgente que será implementada nesta década: soluções de transporte vertical para módulos de pouso na Lua e em Marte. Esses módulos, que pousam verticalmente, têm de 30 a 50 metros de altura e podem ter vários níveis de armazenamento, precisarão de soluções de transporte vertical para carregar e descarregar equipamentos e pessoas na superfície da Lua e de Marte.

Na próxima década, planejamos ver bases espaciais cada vez maiores e até mesmo colônias na Lua e em Marte, provavelmente parcialmente subterrâneas ou em grandes cavernas e túneis de lava. Esses habitats humanos precisarão de elevadores adequados aos ambientes e necessidades hostis. Essas colônias extrairão o máximo de materiais possível do solo local, já que o transporte de mercadorias da Terra é muito caro. Esses campos de cultivo e pedreiras também exigirão soluções de transporte vertical.

Mais adiante, até o final desta década, podemos esperar a construção de estruturas espaciais maiores, inclusive para fins recreativos, com ou sem gravidade artificial. Elas também precisarão de elevadores e esteiras rolantes.

4. Desafios do Ambiente Espacial

O espaço é um dos ambientes mais extremos que se pode imaginar. Fora da atmosfera protetora da Terra, os objetos são submetidos a temperaturas extremas, tanto quentes quanto frias, gradientes térmicos rápidos e uma ameaça significativamente maior de efeitos da radiação. O vácuo no espaço também representa um grande desafio para humanos e materiais devido a um fenômeno chamado "desgaseificação". 

A primeira condição extrema que uma espaçonave precisa enfrentar é a do lançamento. Todas as espaçonaves e seres humanos são lançados ao espaço por foguetes. Os foguetes e as espaçonaves precisam transportar toneladas de propelentes para lhes dar energia suficiente para escapar da força gravitacional da Terra. Devido à força da gravidade terrestre, quanto maiores e mais pesados ​​os objetos que se deseja enviar ao espaço, maiores e mais pesados ​​serão os foguetes e o propelente. O foguete que coloca a espaçonave e/ou o satélite em órbita também gera choques e vibrações mecânicas e os bombardeia com ondas sonoras extremamente altas.

As temperaturas no espaço, ou na Lua, podem variar de extremamente frias, próximas do zero absoluto, a centenas de graus acima da temperatura ambiente quando sob luz solar direta. Além disso, os gradientes de temperatura são extremos, chegando a cerca de 200°C por minuto.

A radiação do nosso próprio Sol, e de outras estrelas do universo, pode ser extremamente perigosa para equipamentos eletrônicos devido a partículas carregadas de energia, como elétrons, prótons, partículas alfa e raios gama, podendo também causar deslocamento de átomos ou efeitos de dose ionizante total de longa duração.

4.1 Materiais no Espaço

Os efeitos ambientais do espaço (ou da Lua e de Marte) sobre os materiais são muito severos e complexos devido à interação sinérgica de ambientes orbitais, como partículas de radiação de alta energia, oxigênio atômico, micrometeoroides, detritos orbitais e radiação ultravioleta, que interagem sinergicamente, juntamente com a exposição térmica. Além disso, a degradação da superfície associada à contaminação pode impactar negativamente o desempenho óptico. No caso de um elevador, os cabos de suspensão, a cabine e outros componentes serão afetados pelo ambiente espacial hostil. Portanto, os projetistas de elevadores devem ter um profundo conhecimento do ambiente específico em que o elevador operará, permitindo a seleção adequada de materiais para maximizar a segurança e o desempenho da engenharia, aumentar a vida útil da missão e reduzir os riscos.

As missões espaciais exigem materiais que preservem sua integridade funcional sob calor extremo, gradientes térmicos, impactos e radiação. Alguns dos materiais usados ​​no espaço são alumínio, níquel, titânio e suas ligas, aço e materiais de enchimento; Kevlar, sílica e materiais à base de sílica, polímeros à base de acrílico e metacrílico, policarbonato e alguns tipos de poliestireno.

5. Chamada à ação

Durante a elaboração deste artigo, reunimo-nos com algumas das figuras mais influentes em organizações relacionadas a elevadores extraterrestres. Todos concordaram que este é o momento para as principais empresas de elevadores assumirem um papel essencial no desenvolvimento dessas novas e inovadoras soluções de transporte vertical e liderarem a construção de um ecossistema de componentes e materiais para elevadores com desempenho comprovado no espaço, que sustente o futuro do transporte vertical na era do Novo Espaço.

6. O Elevador Espacial — História e Situação Científica 

6.1 O que é um elevador espacial?

Não podemos escrever este artigo sem nos lembrarmos do conceito de elevador espacial, que tem fascinado pesquisadores e autores de ficção científica por décadas e, até o momento da redação deste artigo, era a única conexão entre elevadores e campos espaciais. 

O Elevador Espacial é um conceito centenário para um veículo de transporte vertical (VT) baseado em cabos (preso por amarras), ancorado ao solo e estendido até a órbita geoestacionária, que fica a cerca de 35,800 km acima do equador da Terra. Nessa altitude, um objeto em órbita parecerá estacionário, o que significa que permanecerá praticamente sobre o mesmo ponto na superfície da Terra.

Assim, um cabo (amarra) leve e suficientemente resistente, baixado de um objeto em órbita geoestacionária e ancorado à superfície da Terra, permanecerá sob tensão constante, e o objeto girará exatamente acima da âncora.

No passado, o elevador espacial era considerado nada mais do que uma ideia de ficção científica, mas devido às muitas pesquisas realizadas na última década e aos avanços tecnológicos, estamos agora mais perto do momento em que essa ideia poderá se tornar realidade.

6.2 Por que a humanidade não pode continuar usando foguetes para sempre?

Atualmente, a única alternativa da humanidade para colocar cargas úteis em órbita é usar foguetes, o que é arriscado, extremamente poluente e caro.

A Tabela 1 mostra uma estimativa das necessidades de entrega espacial da humanidade em toneladas métricas por ano para alguns dos principais projetos estimados que deverão atingir a maturidade nesses anos.

Demanda em toneladas métricas	2031	2035	2040	2045
Energia solar espacial	40,000	70,000	100,000	130,000
Descarte de Materiais Nucleares	12,000	18,000	24,000	30,000
Mineração de Asteróides	1,000	2,000	3,000	5,000
Voos Interplanetários	100	200	300	350
Missões inovadoras para a GEO	347	365	389	400
Colonização do Sistema Solar	50	200	1,000	5,000
Marketing e Publicidade	15	30	50	100
Guarda-sóis no L-1	5,000	10,000	5,000	3,000
Satélites GEO atuais + LEOs	347	365	389	400
Total de toneladas métricas por ano	58,859	101,160	134,128	174,250

Embora os foguetes estejam se tornando cada vez mais eficientes, todos eles devem obedecer à equação de foguete de Tsiolkovsky: 

Onde:

Δ é a variação máxima de velocidade do veículo (sem a atuação de forças externas).
₀ é a massa total inicial, incluindo o propelente, denominada “massa úmida”.
é a massa total final sem propelente, também conhecida como massa seca.
é a velocidade efetiva de exaustão, onde:
é o impulso específico na dimensão temporal.
₀ é a gravidade padrão.
é a função logaritmo natural.

Assim, todos os foguetes ainda requerem uma grande quantidade de combustível para levar uma fração da massa do foguete ao espaço. Podemos observar o próximo exemplo em relação a um foguete de pouso lunar:

Massa total do foguete na decolagem = 100%, sendo:

• Os estágios de propulsão + combustível necessários para atingir a LEO representam cerca de 95% da capacidade total do equipamento.
• A massa do combustível e do motor necessários para chegar à órbita geoestacionária (GEO) é de cerca de 1.6%.
• A massa de combustível necessária para a inserção na órbita da Lua é de cerca de 1.5%.
• A massa necessária para a desorbitação e pouso na Lua é de cerca de 1.4%.

A massa final na Lua é apenas 0.5% da massa inicial do foguete!

Além disso, os foguetes contribuem para o aquecimento global devido ao CO₂.₂ emissão na atmosfera.

Nos últimos anos, muitas pesquisas foram realizadas sobre o assunto por diversas agências, empresas, universidades e outras organizações ligadas ao setor espacial — como o Consórcio Internacional de Elevadores Espaciais (ISEC), líder atual na área, o Grupo LiftPort, que lidera o conceito e a pesquisa de elevadores espaciais ancorados na Lua, a NSS (National Space Society), a NASA, a Agência Espacial Europeia, a Agência de Exploração Aeroespacial do Japão (JAXA) e muitas outras — que se uniram aos esforços de engenharia para um elevador espacial.

Em 2018, a JAXA, em conjunto com a Universidade de Shizuoka, no Japão, enviou ao espaço um experimento de elevador espacial baseado em um cubesat, que incluía o deslocamento de uma cabine de elevador em miniatura entre dois satélites usando um cabo.

Nos últimos 15 anos, houve muitas competições para o desenvolvimento de componentes de elevadores espaciais, lideradas pelo Prêmio X, JSEA (Associação Japonesa de Elevadores Espaciais), BASPEC (Desafio Bávaro de Elevadores Espaciais) e muitas outras.

6.3 Arquiteturas de Elevadores Espaciais

Desde que o Elevador Espacial foi originalmente proposto, muitas arquiteturas diferentes foram pesquisadas e publicadas. Quase todas elas incluem os mesmos quatro componentes básicos:

1. A estação base — uma âncora na superfície
2. O contrapeso — uma estação espacial orbital.
3. O cabo de ligação (o cabo principal)
4. O escalador (a cabine do elevador)

Um dos principais desafios era encontrar um material para cabos que suportasse as forças de tensão extremas e, ao mesmo tempo, resistisse ao ambiente hostil do espaço. Até alguns anos atrás, o principal material alvo eram os nanotubos de carbono. Esses filamentos nanométricos, se puros e sem defeitos, poderiam atender aos requisitos de tensão. Mas, mesmo após décadas de pesquisa e desenvolvimento em diversos laboratórios ao redor do mundo, ainda não se sabe como fabricar um material suficientemente puro para comprimentos superiores a algumas dezenas de centímetros, quanto mais milhares de quilômetros. Mesmo assim, os nanotubos de carbono continuam sendo pesquisados ​​e os métodos de fabricação vêm sendo aprimorados ao longo dos anos.

Como o cabo do Elevador Espacial precisa suportar sua massa contra a gravidade da Terra desde o solo até a órbita geoestacionária e além, no espaço, a resistência à tração do cabo é um grande desafio que está sendo pesquisado. A massa do cabo é muito difícil de estimar com precisão, pois depende da arquitetura final de todo o sistema. Considerando suposições razoáveis ​​para a arquitetura, a resistência aceitável necessária para o cabo é de cerca de 50 GPa (ou seja, 50,000 MPa, o que equivale a mais de 490 atmosferas), portanto, cabos de aço ou quaisquer cabos usados ​​em elevadores na Terra atualmente não são resistentes o suficiente.

Outro material recentemente pesquisado que pode ser a resposta é o grafeno monocristalino. Assim como os nanotubos de carbono, o grafeno monocristalino é um dos materiais atualmente em estudo que pode suportar as exigências de tensão extrema, principalmente por ser um material bidimensional com espessura de aproximadamente uma molécula (às vezes referido como "uma molécula em macroescala"). Portanto, seu peso é quase desprezível, mesmo em comprimentos de muitos quilômetros. Essas folhas de material têm se mostrado altamente duráveis, resistentes e com alta resistência à fadiga, e agora estão sendo testadas em comprimentos e taxas de produção cada vez maiores — atualmente, a resistência à tração testada é de 130 GPa.

6.4 Manutenção Autônoma

Como o Elevador Espacial ficará exposto ao ambiente hostil do espaço, incluindo radiação e impactos de pequenos detritos espaciais (ou seja, desde pequenos meteoroides até lixo espacial artificial em órbita ao redor da Terra), é crucial contar com mecanismos de manutenção inteligentes, rápidos e autônomos, além de outras proteções para toda a estrutura, incluindo o cabo (cabo de amarração), é claro, mas também para as cabines (os elevadores), as âncoras e a fonte de alimentação.

Como todos sabemos, infelizmente, os elevadores podem sofrer incidentes críticos de segurança durante sua vida útil. As operações de emergência representam um grande desafio quando o cabo tem mais de 35,800 km de comprimento e a cabine do elevador se desloca em velocidades extremamente altas, necessárias para percorrer essa longa distância em um prazo razoável de um ou dois dias. Para minimizar os riscos, é fundamental desenvolver soluções de manutenção eficazes, rápidas e autônomas que incorporem manutenção preditiva sofisticada.

7. O resultado final

Todos esses desafios, e muitos outros, precisam ser enfrentados pela indústria de elevadores, que possui décadas de experiência no transporte seguro e vertical de pessoas, suprimentos e equipamentos, e que deve desempenhar um papel fundamental na Nova Era Espacial da humanidade. Se esperarmos, podemos perder o elevador!

Unimos nossas habilidades para lançar elevadores fora da atmosfera terrestre, rumo à nova era espacial, e convidamos todas as empresas de elevadores e do setor espacial que desejam se juntar à iniciativa.

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Referências

[1] “Arquiteturas de acesso duplo ao espaço - foguetes e elevadores espaciais”, Dr. Peter Swan, ISEC (Consórcio Internacional de Elevadores Espaciais), um webinar de julho de 2021.

[2] Página inicial da JSEA (Associação Japonesa de Elevadores Espaciais) jsea.jp

[3] Página inicial do BASPEC (Bavarian Space Elevator Challenge): baspec.schillergym.de

[4] “Elevadores espaciais recebem primeiro teste no espaço”, um artigo de David Grossman na revista Popular Mechanics, setembro de 2018, popularmechanics.com/space/satellites/a22985989/space-elevators-getting-first-test-in-space/

[5] Série de palestras sobre espaço comercial da NASA, “Indústria espacial com infusão de grafeno”, 2019. nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/space_portal_nixene_publishing.pdf

[6] “Arquitetura, Engenharia e o Porto Galáctico”, Michael Fitzgerald, Arquiteto Chefe e Membro do Conselho, Vice-Presidente Executivo da ISEC e Cofundador - Galactic Harbour Associates, Inc., um webinar de agosto de 2020.

[7] SPACEMATDB - Banco de Dados de Materiais Espaciais. spacematdb.com/spacemat

[8] Programa Arthemis da NASA e mídias relacionadas. nasa.gov/specials/artemis

[9] “Tecnologia de elevador espacial e Hraphene”, uma entrevista com Adrian Nixon, CEO da Nixor Ltd., agosto de 2018. azom.com/article.aspx?ArticleID=16371

[10] Durante a preparação deste artigo, entre 2021 e 2022, tivemos reuniões relacionadas com:

• Dr. Pete Swan, presidente da ISEC
• Dr. Eliad Peretz, pesquisador principal de Novas Missões Espaciais no Centro de Voos Espaciais Goddard da NASA.
• Sr. Michael Laine, presidente e diretor de estratégia do LiftPort Group
• Muitos outros profissionais ligados ao setor espacial e a elevadores compartilharam conosco suas perspectivas sobre elevadores na era espacial.