Uma revisão da expansão planejada da humanidade entre a Terra e a Lua

Entre a Órbita Terrestre Baixa (LEO) e a Lua, há uma região do espaço medindo 384.400 km (238.855 mi) de largura conhecida como espaço Cislunar. Nas próximas décadas, várias agências espaciais enviarão missões para esta região para dar suporte ao desenvolvimento de infraestrutura que levará a uma presença humana permanente na Lua. Isso inclui habitats orbitais e de superfície, plataformas de pouso, veículos de superfície, tecnologias para utilização de recursos in situ (ISRU) e outros elementos que permitirão a exploração e o desenvolvimento de longo prazo da superfície lunar.

Para todas as partes envolvidas, o espaço cislunar tem imenso potencial em termos de aplicações científicas, comerciais e militares. O nível de atividade amplamente aumentado na Lua e ao redor dela torna a conscientização do domínio espacial (SDA) – conhecimento de todas as operações dentro de uma região do espaço – primordial. Também é necessário garantir o sucesso e a utilização contínuos da região coberta. Em um artigo recenteuma equipe de engenheiros aeroespaciais considerou as missões planejadas para as próximas décadas e avaliou o estado e as deficiências de sua conscientização sobre o domínio espacial.

O estudo foi liderado por Brian Baker-McEvilly, um estudante de pós-graduação em engenharia aeroespacial na Embry-Riddle Aeronautical University (ERAU). Ele foi acompanhado por David Canales, um professor assistente de engenharia aeroespacial na ERAU, e Surabhi Bhadauria e Carolin Frueh, uma candidata a Ph.D. e professora assistente na Escola de Aeronáutica e Astronáutica da Universidade Purdue. O artigo que descreve suas descobertas recentemente apareceu online e está sendo considerado para publicação por

Conscientização do domínio espacial

Também conhecido como “consciência situacional espacial”, SDA é essencial para operações no espaço. Como Baker-McEvilly explicou ao Universe Today por e-mail:

“SDA é essencialmente o conceito de ter conhecimento abrangente de todos os objetos em uma região específica sem necessariamente ter comunicação direta com esses objetos. É essencial para a segurança e proteção da espaçonave, pois fornece informações valiosas sobre objetos em sua vizinhança que têm o potencial de influenciar o resultado de sua missão. Alguns exemplos gerais da importância do SDA são as informações que ajudam a evitar colisões, garantem informações de rastreamento precisas e fornecem conhecimento sobre outras atividades espaciais.”

Como a NASA afirma, o objetivo do Programa Artemis é “criar um programa sustentado de exploração e desenvolvimento lunar”. Da mesma forma, a China, a Roscosmos e a ESA esperam criar habitats lunares e infraestrutura relacionada para permitir uma presença humana permanente na Lua. Um elemento-chave desses programas é criar habitats na região polar sul da Lua (a Bacia do Polo Sul-Aitken). Essas atividades exigirão suporte considerável na forma de entregas de carga útil, e a exportação de recursos lunares exigirá, da mesma forma, missões regulares de e para a superfície lunar. Dado esse nível de atividade, o SDA será mais vital do que nunca.

Muitos Planos

De acordo com o Programa ArtemisA NASA pretende realizar o primeiro voo circumlunar com uma nave espacial Orion tripulada (Ártemis II) não antes de setembro de 2025. Isto será seguido por Ártemis III em setembro de 2026, a primeira missão tripulada à superfície lunar desde a Apollo 17 em 1972. Isso será realizado com o lançamento de uma nave espacial Orion tripulada usando o Sistema de Lançamento Espacial (SLS) para a órbita lunar. O Sistema de Pouso Humano (HLS) fornecido pela SpaceX – o Nave estelar HLS – serão lançados separadamente, reabastecidos em órbita e então se encontrarão com a espaçonave Orion ao redor da Lua.

Assim que a transferência de dois astronautas para o HLS for concluída, eles voarão até a superfície lunar e passarão cerca de 30 dias conduzindo experimentos e recuperando amostras. Além do Artemis III, a NASA começará a se concentrar na implantação dos elementos principais do Lunar Gateway, que será lançado em 2027 a bordo de um foguete Falcon Heavy. A missão Artemis IV seguirá em setembro de 2028 e verá uma tripulação de quatro pessoas transferida de uma espaçonave Orion para o Lunar Gateway pela primeira vez. Depois disso, a NASA pretende enviar uma missão por ano para a superfície lunar e implantar os elementos do Artemis Base Camp. Isso incluirá o seguinte:

Além disso, a China e a Rússia anunciaram as suas intenções de criar o Estação Internacional de Pesquisa Lunar (ILRS), que rivalizaria com a infraestrutura proposta pela NASA. O cronograma proposto envolve três fases. A fase de reconhecimento concluirá com a Chang’e-7 missão (lançamento em 2026), que continuará a explorar a superfície lunar ao redor da Bacia do Polo Sul-Aitken para procurar recursos e avaliar possíveis locais para um futuro habitat. A Fase Dois, Construção, ocorrerá entre 2026 e 2035 e verá a implantação dos elementos que compõem o ILRS.

Enquanto isso, a Agência Espacial Europeia (ESA) fez vários estudos e propostas para uma base lunar internacional que serviria ao mesmo propósito da Estação Espacial Internacional (ISS). As propostas anteriores incluem a da ESA Vila da Luaque consistia em uma instalação que se estendia abaixo da superfície e uma cúpula coberta de regolito que permitiria o acesso à superfície. Isso foi seguido em 2019 pela ESA e pelo escritório de arquitetura internacional Skidmore, Owings e Merrill (SOM) propondo uma série de módulos semi-infláveis implantado ao longo da borda de uma cratera lunar.

O conceito mais recente foi outro esforço colaborativo entre a ESA e o escritório de arquitetura internacional Hassel. A sua proposta, a Plano Diretor do Habitat Lunarconsiste em um sistema de habitat modular e escalável que pode acomodar um assentamento de até 144 pessoas. Como parte de seu estudo, Baker-McEvilly e seus colegas revisaram esses planos e identificaram duas tendências principais. Como ele relatou.

“Duas tendências principais surgem ao analisar essas missões; a importância de estabelecer operações sustentáveis ​​e o valor estratégico do Polo Sul Lunar. Muitas missões futuras têm objetivos de testar novas tecnologias que suportem operações sustentáveis ​​na Lua, como métodos de coleta de água do regolito lunar para astronautas, métodos de pouso eficientes para suportar movimento constante de e para a superfície da Lua, ou utilizar trajetórias orbitais que exigem pouco combustível para permanecer dentro.

“O Polo Sul Lunar é uma peça-chave do espaço Cislunar, pois é uma localização geográfica eficiente para essas operações sustentáveis. O Polo Sul possui crateras permanentemente sombreadas que contêm concentrações de água dentro do regolito. Além disso, a órbita de halo quase retilínea (NRHO) que abrigará o Gateway passa a maior parte de sua trajetória dentro da linha de visão do Polo Sul e requer muito pouco combustível para se manter sob perturbações externas.”

Chegando lá

Outro aspecto fundamental do estudo deles foi a dinâmica do ambiente Cislunar e os desafios de enviar espaçonaves da Terra para a Lua. Esses desafios são bem conhecidos, graças a décadas de envio de missões robóticas para lá, sem mencionar missões tripuladas na forma do Programa Apollo. Nas próximas décadas, espera-se que essa região fique bastante lotada de satélites, espaçonaves, o Portal Lunar e outras instalações orbitais. As coisas se complicam ainda mais pelo fato de que qualquer objeto no espaço Cislunar terá que lidar com o Problema dos Três Corpos. Baker-McEvilly disse:

“[The] a dinâmica do reino Cislunar se torna desafiadora devido à introdução do terceiro corpo no problema da mecânica orbital. Até agora, o problema dos três corpos não tem uma solução de forma fechada, e uma espaçonave sob a influência da Terra e da Lua não se move mais no sentido tradicional Kepleriano de dois corpos com o qual muitos estão familiarizados. Isso faz com que muitos dos métodos tradicionais em astrodinâmica quebrem, exigindo, portanto, novos modelos e métodos para resolver problemas.”

No final, eles identificaram algumas famílias de órbitas que destacam a geometria única de trajetórias periódicas no Problema dos Três Corpos, bem como órbitas que podem ter uso estratégico no futuro. No entanto, como Baker-McEvilly acrescentou, essas trajetórias não são abrangentes, e muitas outras existem que foram bem documentadas.

Deficiências

Ao revisar as missões existentes e previstas que irão à Lua nas próximas décadas, Baker-McEvilly e seus colegas identificaram várias deficiências no que diz respeito ao SDA. Eles também fornecem recomendações sobre como elas podem ser abordadas. Como ele indicou:

“Os métodos SDA usados ​​para monitorar objetos sobre a Terra que dependem de sensores baseados na Terra não se traduzem diretamente em ser capaz de visualizar objetos no espaço Cislunar. A distância significativa que um sensor baseado na Terra deve cobrir para alcançar áreas do espaço Cislunar está fora das capacidades de muitos sensores, especialmente sistemas de radar. Para os sensores capazes de abranger essa distância, como a Deep Space Network, eles geralmente já estão sobrecarregados e são valiosos demais para serem dedicados apenas ao SDA.

“Outra deficiência são as condições desafiadoras de iluminação que os sensores ópticos devem superar para visualizar objetos nas profundezas do espaço Cislunar. Problemas como a Lua bloqueando fisicamente a visão de missões no lado distante, ou a luz refletida da Lua apagando a luz refletida de uma espaçonave atrapalham as capacidades dos sensores ópticos. Como resultado, há regiões importantes do espaço Cislunar que nem sempre estão visíveis para as redes de sensores atuais.”

Como Baker-McEvilly observou, os pesquisadores estão investigando muitas abordagens para abordar a lacuna nas capacidades do SDA Cislunar. Algumas possibilidades incluem colocar sensores na Lua, melhorar a rede de sensores baseados na Terra ou implementar constelações de sensores baseados em satélite em todo o espaço Cislunar. Em sua opinião, alguma combinação dessas soluções é mais adequada para resolver a lacuna do SDA. Ele também espera que seu estudo forneça aos pesquisadores, estudantes e interessados ​​na exploração lunar uma base sobre o estado atual do espaço Cislunar e os problemas que ele enfrenta.

“As principais questões destacadas na análise da exploração Cislunar e SDA podem levar alguns leitores a prestar mais atenção a esses pontos e criar seu próprio trabalho que contribua para a solução ou evite que falhas semelhantes se repitam”, disse ele.

Leitura adicional: arXiv