Algum dia, num futuro não muito distante, os humanos poderão enviar sondas robóticas para explorar sistemas estelares próximos. Esses robôs exploradores provavelmente assumirão a forma de velas leves e wafercraft (a la Tiro estelar inovador) que dependerá de energia direcionada (lasers) para acelerar a velocidades relativísticas – também conhecidas como. uma fração da velocidade da luz. Com esse tipo de velocidade, velas leves e wafercraft poderiam fazer a viagem através do espaço interestelar em questão de décadas, em vez de séculos (ou mais!). Com o tempo, essas missões poderiam servir como desbravadores para programas de exploração mais ambiciosos envolvendo astronautas.
É claro que qualquer conversa sobre viagens interestelares deve considerar os enormes desafios técnicos que isso acarreta. Em um artigo recente, uma equipe de engenheiros e astrofísicos considerou os efeitos que as viagens espaciais relativísticas terão nas comunicações. Os seus resultados mostraram que durante a fase de cruzeiro da missão (onde uma nave espacial viaja perto da velocidade da luz), as comunicações tornam-se problemáticas para transmissões unidirecionais e bidirecionais. Isto representará desafios significativos para as missões tripuladas, mas deixará as missões robóticas praticamente inalteradas.
A equipe era composta por David MesserschmittProfessor Emérito de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação na Universidade da Califórnia em Berkeley; Ian Morrisonpesquisador da Curtin University’s Centro Internacional de Pesquisa em Radioastronomia (ICRAR) e o desenvolvedor de comunicações e processamento de sinais Astro Signal Pty Ltd; Thomas Mozdzencientista pesquisador do Escola de Exploração Terrestre e Espacial na Universidade Estadual do Arizona; e Filipe Lubinprofessor de física e chefe do Grupo de Cosmologia Experimental na UC Santa Bárbara. O pré-impressão de seu artigo apareceu recentemente on-line e está sendo revisado para publicação por Elsevier.
Para o seu estudo, a equipe considerou perfis de missão robótica (desparafusada) e tripulada. O primeiro consiste em conceitos semelhantes aos Tiro Estelar e Propulsão de Energia Direcionada para Exploração Interestelar (DEEP-In) – também conhecido como. Luz das estrelas – conceitos. Este último conceito é aquele que o Prof. Lubin e seus colegas do Grupo de Cosmologia Experimental da UCSB vêm desenvolvendo desde 2014 através do Conceitos Avançados Inovadores da NASA (NIAC). No entanto, a sua análise diferiu, uma vez que considera cenários onde as naves espaciais se aproximam da velocidade da luz – em vez dos 10% a 20% exigidos com o Luz das estrelas e Tiro Estelar conceitos.
Para missões não tripuladas, as operações de controle remoto e a transmissão de dados exigem comunicações confiáveis durante certas fases. Para missões tripuladas, no entanto, manter comunicações persistentes com o país de origem é crucial para o bem-estar dos astronautas a longo prazo. Independentemente do perfil da missão, as comunicações resumem-se invariavelmente a transmissões no espectro electromagnético (ondas de rádio, lasers, etc.) e à forma como estas se propagam pelo espaço. Como a equipe disse ao Universe Today por e-mail:
“A suposição que estamos fazendo é que os sinais de comunicação são eletromagnéticos e, portanto, transmitidos por meio de fótons. Isto está relacionado com a velocidade de propagação de um sinal de comunicação, que está relacionado com o atraso de propagação. As relações tempo/latência são independentes do comprimento de onda e, portanto, aplicam-se igualmente ao rádio, microondas ou óptico.”
Outra consideração importante é que as comunicações em velocidades relativísticas devem levar em conta os efeitos da Relatividade Especial. Em suma, uma nave espacial viajando a uma fração significativa da velocidade da luz experimentará uma dilatação do tempo, onde os seus relógios internos avançarão mais lentamente do que os relógios da missão na Terra. Outra consideração é que as comunicações de e para a missão estarão sujeitas ao Doppler Shift. Como a Relatividade Especial nos ensina, a velocidade da luz é constante no vácuo e não acelera nem desacelera com base no movimento do observador ou da fonte.
Mas se o espaço entre os objetos estiver se expandindo, o comprimento de onda da luz será deslocado em direção à extremidade vermelha do espectro (também conhecido como desvio para o vermelho). A sua análise concluiu que a situação seria mais simples para missões robóticas, uma vez que as comunicações só são necessárias durante a fase de aterragem. Contudo, para missões tripuladas, a comunicação persistente é desejável para todas as fases da missão, incluindo a fase de cruzeiro (quando a nave espacial será acelerada até à velocidade relativística). Neste caso, disse a equipe, surgiram problemas:
“Os principais efeitos considerados são grandes atrasos de propagação juntamente com a dilatação do tempo dos relógios viajando em alta velocidade. A análise é feita do ponto de vista de um viajante em velocidade relativística e não de um observador inercial (como em um observatório astronômico), o que, até onde sabemos, não foi considerado anteriormente na literatura. Os resultados mostram que as latências das mensagens de ida e volta podem ser extremamente altas, as taxas de streaming de mídia podem ser significativamente mais lentas e, sob certas circunstâncias, as comunicações tornam-se impossíveis. As naves espaciais relativísticas e os seus astronautas devem funcionar em grande parte de forma autónoma.”
Estes resultados têm sérias implicações para a viabilidade de missões interestelares. A incapacidade de manter contacto com a Terra em determinados períodos da missão, a dificuldade de transmissão de informações e a necessidade de autonomia apresentam desafios significativos. Nestas circunstâncias, as gerações futuras poderão optar por restringir as missões interestelares aos exploradores robóticos. Alternativamente, eles podem optar por colocar as tripulações em hibernação ou suspensão criogênica para que nenhuma comunicação seja necessária durante a fase de cruzeiro.
No entanto, como observou a equipa, a sua análise resume-se a quantificar os desafios de manter comunicações com uma missão relativista. Isto é absolutamente necessário antes que qualquer tentativa possa ser feita para planejar a exploração interestelar. Além disso, é provável que haja várias inovações e mudanças entre agora e o dia em que as missões interestelares humanas estão a ser contempladas que poderão alterar o quadro. Como eles resumiram:
“[T]A concepção de quaisquer futuras missões interestelares envolvendo astronautas, especialmente a distâncias maiores, será significativamente afectada pelos limites às comunicações impostos pelas grandes distâncias e pelas velocidades das naves espaciais próximas da velocidade da luz. Embora a abordagem analítica seja geral, os resultados numéricos são aplicados a hipotéticas missões futuras onde os humanos viajam perto da velocidade da luz. Embora tais velocidades não sejam viáveis com as actuais tecnologias de propulsão, isto pode mudar. Estas velocidades podem não ser necessárias para a viagem humana até às estrelas mais próximas, mas permitiriam viajar para distâncias muito maiores durante uma vida humana típica.”
Leitura adicional: arXiv
