Como funciona um foguete?

Os foguetes são verdadeiros símbolos da engenhosidade humana. Inicialmente criados para fins militares ou comemorativos (como nas explosões de fogos de artifício), eles hoje tornam possível o lançamento de robôs, animais e até pessoas à órbita terrestre e a outros destinos distantes no espaço. Mas, afinal, como os foguetes funcionam? E como eles voltam para a Terra após os lançamentos?

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A exploração do que existe além da Terra já fazia parte dos sonhos de escritores e inventores há séculos, mas o problema era descobrir qual veículo poderia ser usado para isso. Os balões experimentais, por exemplo, mostraram que a atmosfera é rarefeita demais a grandes altitudes; portanto, veículos que se movem sustentados pelo ar, como aviões, não seriam úteis no espaço.

Já os tradicionais motores de combustão, que queimam combustíveis na atmosfera terrestre para gerar energia, também não teriam utilidade no espaço, já que não poderiam completar as reações sem oxigênio. A solução para esses problemas veio com os foguetes que, de forma bem simplificada, podem ser descritos como cilindros metálicos empilhados, que se deslocam com a ajuda de explosões controladas.

Saiba mais sobre o funcionamento dos foguetes:

Como os foguetes funcionam?

Assim como acontece com os motores das aeronaves que operam na Terra, os motores dos foguetes funcionam à base de combustão. Esta é uma reação química que precisa de um combustível (o composto que alimenta a combustão) e um comburente (aquele que reage com o combustível, como o oxigênio) que, combinados com energia de ativação, liberam energia na forma de calor.

Como o comburente é necessário para a combustão acontecer, os foguetes levam compostos chamados “oxidantes”, que fazem o papel do oxigênio na Terra e permitem que a reação aconteça mesmo na ausência deste gás.

O oxidante reage com o combustível no interior de um componente chamado “câmara de combustão”, causando uma explosão; esta, por sua vez, forma gases a altas temperaturas, que são expelidos rapidamente pela parte inferior do foguete. Em resposta, o veículo se move na vertical. Se isso parece familiar de alguma forma, é porque este é um exemplo perfeito da terceira lei de Newton que, em linhas gerais, descreve que “toda ação produz uma reação de intensidade igual e em direção oposta”.

Para entender melhor, imagine que você está parado em cima de um skate enquanto segura uma bola; se você lançá-la, a bola vai se mover para frente, mas você irá para trás (e cuidado para se equilibrar e não cair!). Portanto, a “ação” que expulsa os compostos para fora do foguete precisa ser equilibrada por outra força, de intensidade igual e direção oposta, que empurra o foguete para cima.

Após o lançamento, o foguete vai ganhando velocidade de acordo com a necessidade da missão. Para chegar à órbita baixa da Terra, por exemplo, o veículo tem que viajar a mais de 27 mil km/h e leva poucos minutos. Além da velocidade é preciso manter a direção do movimento bem alinhada com a da propulsão para evitar que o veículo saia de controle.

Os tipos de foguetes variam de acordo com os requisitos de sua missão: foguetes de sondagem, bastante utilizados para experimentos científicos que não precisam passar muito tempo no espaço, são pequenos e leves, mas não chegam a entrar em órbita. Já aqueles usados para lançar satélites à órbita terrestre e além precisam de bastante potência, que é maior quanto mais pesada a carga: o Saturn V, o foguete mais poderoso de sua época, era capaz de levar mais de 130 toneladas de cargas úteis à órbita baixa terrestre durante as missões do programa Apollo.

O Saturn V perdeu o título para veículos lançadores mais modernos, como o Falcon Heavy e Delta IV Heavy, da SpaceX e United Launch Alliance, respectivamente. Já a NASA vem trabalhando no foguete Space Launch System (SLS) que, quando estiver pronto para iniciar suas operações, se tornará o mais poderoso já construído. A agência espacial irá utilizar o SLS nas missões do programa Artemis, que levará novos astronautas à superfície da Lua.

Os foguetes voltam para a Terra?

A maioria dos foguetes usados hoje tem pelo menos dois estágios; o primeiro é equipado com vários motores, tem o papel de ajudar o foguete a escapar da atmosfera inferior da Terra e se separa dos demais componentes após completar seu trabalho. Depois, o segundo entra em ação. Como o foguete já perdeu parte do peso que trazia (correspondente ao peso do primeiro estágio e seu combustível) e não precisa mais enfrentar uma atmosfera tão espessa, geralmente este componente tem apenas um motor.

Este princípio foi proposto pelo cientista amador Konstantin Tsiolkovsky durante o início do séc. XX, e segue usado até hoje porque reduz a quantidade de peso levada ao espaço e, consequentemente, o custo dos lançamentos. Se analisarmos o histórico dos foguetes, veremos que a grande maioria dos componentes descartados costumava cair de volta na Terra, para serem incinerados durante a reentrada.

Isso começou a mudar durante a década de 1980, época em que a NASA deu início ao programa dos ônibus espaciais. Eles tinham três partes principais: o orbitador ou "onibus espacial" propriamente dito (parecido com um avião), o tanque externo (a parte laranja) e os propulsores sólidos. Os ônibus espaciais eram lançados na vertical, como foguetes, e cerca de dois minutos após o lançamento, os propulsores eram liberados para cair no oceano; depois, eram recuperados por embarcações para passarem por manutenção e serem usados novamente em voos.

Já o tanque externo era descartado após esgotar seu combustível, sendo queimado na atmosfera terrestre. Por fim, o orbitador pousava em pistas como um avião comum, e passava por manutenção para voar novamente. Entretanto, projetar um sistema reutilizável é caro e complexo, o que faz com que muitas empresas busquem outras formas de reduzir os custos de lançamento para ter o mesmo benefício com menos esforço.

A maior exceção a “regra” são os foguetes Falcon 9 e Falcon Heavy,da SpaceX, que têm primeiros estágios capazes de retornar para pousar em solo ou sobre embarcações no mar. Abaixo, você confere o pouso do primeiro estágio de um foguete Falcon 9:

Outra empresa que investiu na reutilização foi a Blue Origin. Seu sistema New Shepard é composto por um foguete e cápsula que podem levar até seis pessoas ao espaço, e são ambos totalmente reutilizáveis. O foguete pousa na vertical, como os Falcon 9, e a cápsula desce com a ajuda de paraquedas no deserto do Texas, não muito longe de seu ponto de partida.

Quanto custa um foguete?

Antes de responder a esta pergunta, vale mencionar que ninguém compra "o foguete" propriamente dito. O que empresas como ULA, Arianespace e SpaceX vendem é o serviço de lançamento, algo como um pacote com tudo o que você precisa para colocar sua carga em um ponto específico no espaço. Isso inclui o hardware (foguete, uso da torre de lançamento, infraestrutura em solo), o combustível e os serviços de integração da carga ao foguete, operações de lançamento, telemetria, etc.

Mas é verdade que o hardware representa boa parte do custo de um lançamento. Por isso, quanto mais componentes dos foguetes são reutilizados, menor é o custo para um cliente que deseja enviar experimentos e outros tipos de cargas úteis ao espaço. Por exemplo, considere que os ônibus espaciais eram lançados, em média, pelo custo de US$ 1,6 bilhão a cada missão. Já a SpaceX consegue lançar muitas das mesmas cargas (como satélites espiões) e cobrava aproximadamente US$ 62 milhões para lançamentos com o foguete Falcon 9, valor que foi recentemente reajustado para US$ 67 milhões.

Fonte: SpaceX, NBC; Via: Live Science, National Geographic, Space.com