Sondas planetárias: navegação e comunicação

Dois desafios: chegar e conversar

Enviar uma sonda a outro planeta envolve dois problemas distintos. O primeiro é a navegação: definir uma trajetória que leve a nave, com o menor consumo de combustível possível, até um alvo que também está em movimento. O segundo é a comunicação: receber dados e enviar comandos a distâncias em que o sinal de rádio leva minutos ou horas para ir e voltar. Ambos são resolvidos por uma combinação de física orbital, planejamento antecipado e uma rede de grandes antenas espalhadas pela Terra.

Este guia explica cada uma dessas etapas usando exemplos documentados pelas agências. Para os conceitos básicos de órbita e de pontos de Lagrange, veja o guia sobre órbitas, e para o momento do lançamento, o guia sobre como funciona um lançamento de foguete.

A trajetória mais econômica: a transferência de Hohmann

A NASA descreve a transferência de Hohmann como um caminho eficiente em energia entre dois planetas. Para ir da Terra a Marte, a sonda segue uma elipse ao redor do Sol cujo ponto mais próximo fica à distância da órbita terrestre e cujo ponto mais afastado fica à distância da órbita de Marte. A nave é acelerada na direção do movimento orbital da Terra para subir a essa elipse. Para ir a Vênus, faz-se o contrário: reduz-se a velocidade relativa ao movimento da Terra.

Uma consequência importante é a existência de janelas de lançamento. A NASA informa que as oportunidades para Marte ocorrem aproximadamente a cada 25 meses, e as de Vênus, a cada cerca de 19 meses. Perder uma janela normalmente significa esperar o intervalo seguinte ou aceitar uma trajetória mais cara em combustível.

A agência ainda classifica as trajetórias em dois tipos. As de tipo I levam a espaçonave a percorrer menos de 180 graus ao redor do Sol, e as de tipo II, 180 graus ou mais. A escolha depende do equilíbrio entre tempo de viagem, energia e posição dos planetas.

Assistência gravitacional

Quando o destino é distante, o combustível a bordo não basta para acelerar a nave a todas as velocidades necessárias. Uma solução é a assistência gravitacional, também conhecida como estilingue gravitacional. Ao passar perto de um planeta em movimento, a sonda troca momento angular com ele. A NASA explica que, em uma passagem por trás do planeta, o momento angular é transferido do planeta para a espaçonave, que ganha velocidade em relação ao Sol.

O planeta perde uma quantidade desprezível de energia, enquanto a sonda ganha muito. A agência usa uma comparação: seria como um mosquito que ganha impulso ao colidir com um trem de carga. Também vale notar que, a bordo, ninguém sentiria essa aceleração: a nave está em queda livre durante todo o encontro.

O caso mais conhecido é o das sondas Voyager. A Voyager 2 foi lançada em 20 de agosto de 1977, e a Voyager 1 cerca de duas semanas depois, segundo o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA. De acordo com a NASA, a Voyager 2 mais que dobrou de velocidade com as assistências gravitacionais em Júpiter, Saturno e Urano. A missão, originalmente planejada para cinco anos e focada em Júpiter e Saturno, acabou explorando os quatro planetas gigantes, 49 luas e seus sistemas de anéis e campos magnéticos.

Um exemplo de primeira tentativa: Mangalyaan

A Missão Orbitadora de Marte da Índia, também chamada Mangalyaan, ilustra outro aspecto da navegação. Segundo a ISRO, ela foi lançada em 5 de novembro de 2013, a bordo do foguete PSLV-C25, e entrou em órbita de Marte. A agência afirma que se tornou a quarta agência espacial a colocar uma espaçonave em órbita marciana.

A órbita da sonda é bastante elíptica. Na descrição da ISRO, o ponto mais próximo de Marte fica a 372 quilômetros de altitude, e a câmera colorida tinha resolução de 19,5 metros nesse ponto. A missão foi planejada para durar seis meses, mas a ISRO registra que ela completou sete anos em órbita em 24 de setembro de 2021, o que também dá a data da inserção orbital em 2014. O custo declarado pela agência foi de 450 crores de rupias.

A ISRO informa ainda que a missão produziu mais de 1.100 imagens e mais de 35 trabalhos científicos. Cada uma dessas informações vem do que a própria agência publica, e a página consultada não detalha o tipo de trajetória adotado no trajeto, por isso não se afirma aqui que ele tenha sido uma transferência de Hohmann.

A Rede do Espaço Profundo

Depois do lançamento, a sonda precisa ser acompanhada e comandada. Nos Estados Unidos, essa tarefa cabe à Rede do Espaço Profundo da NASA, a DSN. Segundo a agência, ela reúne três complexos: Goldstone, perto de Barstow, na Califórnia; Madri, na Espanha; e Canberra, na Austrália. A NASA a descreve como o maior e mais sensível sistema científico de telecomunicações do mundo, com antenas equipadas com receptores capazes de detectar sinais de rádio incrivelmente fracos.

A distribuição dos locais tem um motivo. Eles ficam separados por cerca de 120 graus de longitude, de modo que, quando uma sonda distante desaparece no horizonte de um complexo, outro já pode assumir a comunicação. Assim a Terra, ao girar, não interrompe o contato com a nave. Cada complexo tem várias antenas, e as maiores têm 70 metros de diâmetro, capazes de acompanhar uma espaçonave a dezenas de bilhões de milhas da Terra.

Além de comandar e acompanhar a saúde das sondas, a DSN também realiza investigações científicas, como estudos de asteroides e do interior de planetas.

O atraso do sinal

Ondas de rádio viajam na velocidade da luz, mas o espaço é grande. O tempo que o sinal leva para ir de um ponto a outro é chamado tempo de luz. Para Marte, a NASA informa que a distância pode chegar a cerca de 140 milhões de milhas e que o atraso pode alcançar 20 minutos em cada sentido. Isso significa que uma pergunta enviada e a resposta só chegam depois de até 40 minutos, e que uma tripulação em Marte teria de resolver problemas de forma autônoma, sem a orientação imediata de um centro de controle.

Para sondas mais distantes, o atraso é muito maior. A Voyager 1, o objeto humano mais distante da Terra, está a tal distância que o sinal leva muitas horas para chegar, e o intervalo aumenta a cada ano. As páginas oficiais atualizam esse número com frequência, por isso o leitor deve consultá-las para o valor do dia. O mesmo vale para a distância: a NASA já informou valores diferentes em datas diferentes, à medida que a nave se afasta.

Por causa do atraso, as sondas não são pilotadas em tempo real. Os comandos são preparados com antecedência, enviados em pacotes e executados pela própria nave, que também tem sistemas automáticos para lidar com falhas.

Energia, precisão e paciência

Quanto mais longe da Terra, mais fraco chega o sinal, e por isso a sensibilidade da DSN é fundamental. A NASA menciona que os receptores de suas grandes antenas foram projetados para captar sinais extremamente fracos. Cada dado recebido de uma sonda distante é resultado de um enorme esforço de engenharia, tanto na nave quanto no solo.

A navegação também exige precisão. Pequenos erros de velocidade no início da viagem se tornam grandes desvios de posição ao longo de meses. Por isso, as equipes fazem manobras de correção de trajetória ao longo do caminho, com base no acompanhamento feito pela rede de antenas.

O que aprender com isso

A exploração do Sistema Solar depende tanto de foguetes quanto de matemática orbital e de comunicação. Missões como as Voyager, aproveitando alinhamentos planetários, e a Mangalyaan, na primeira tentativa indiana, mostram estratégias diferentes para o mesmo problema. A DSN garante que, apesar da rotação da Terra e do atraso do sinal, a conversa com as sondas continue.

Para conhecer as missões que aparecem neste guia com mais detalhes, veja no site os eventos sobre as Voyager, o Mariner 2 e a Mangalyaan.