O que queima e o que chega ao chão quando um satélite cai

Quando um satélite volta para a atmosfera, a maior parte dele vira gás e poeira lá na atmosfera alta, antes de qualquer pedaço chegar perto do chão. O que sobrevive é sempre a mesma família: as peças mais densas e feitas de materiais que derretem a temperaturas mais altas — tanques, motores, eixos, engrenagens. Alumínio some; titânio e aço inoxidável costumam atravessar.

A foto que abre esta página é um desses mergulhos: a cápsula da sonda Stardust voltando à Terra em janeiro de 2006, registrada de um avião-laboratório da NASA enquanto riscava o céu como uma bola de fogo. Ela tinha escudo térmico e foi construída para sobreviver. Um satélite comum, não.

Não é chute de ninguém. O escritório de detritos orbitais da NASA publica como a coisa acontece, altura por altura, e mantém um programa de computador que faz essa conta peça por peça antes de cada reentrada. E isso acontece com mais frequência do que parece: segundo um trabalho da própria agência, nos últimos cinquenta anos algum objeto feito pelo homem reentrou na atmosfera praticamente todo dia.

A 78 km, a nave se desmancha

O escritório de detritos orbitais publica um número específico: uma nave costuma se partir entre 84 e 72 quilômetros de altura, com valor típico de 78 quilômetros. Quanto maior, mais robusta e mais densa for a nave, mais baixo ela aguenta chegar antes de se romper.

Vale ter noção do que é isso. A linha de Kármán, usada como fronteira oficial do espaço, fica a 100 quilômetros — assunto de Onde começa o espaço? A linha de Kármán, a 100 km. A nave, portanto, se parte já dentro da atmosfera — e ainda muito acima da altura em que voam os aviões.

E há uma peça que vai embora antes de todas: os painéis solares, que costumam se soltar entre 90 e 95 quilômetros, quando a força do ar sobre eles passa do que o ponto de encaixe aguenta. São enormes, finos e presos por uma haste — a dobradiça é sempre a primeira a ceder.

O que derrete e o que atravessa

A regra é de ponto de fusão, e a NASA publica os números de dois casos exemplares: o alumínio derrete a 880 kelvins, ou 607 graus Celsius; o titânio, a 1.670 kelvins, ou 1.397 graus.

Um documento de engenharia da agência mostra a conta com duas esferas do mesmo tamanho e da mesma massa, uma de cada material, caindo juntas: a de alumínio se desfaz cedo na reentrada, e a de titânio chega ao chão. Mesma forma, mesma velocidade, mesmo caminho — o destino muda só pelo material.

Mas material não é tudo. Massa também decide: a NASA compara duas caixas de alumínio do mesmo tamanho, uma de 16,8 quilos e outra de 33,6 quilos, e mostra que a mais leve tem bem mais chance de sumir — porque derreter o dobro de metal exige o dobro de energia. E a forma decide junto: com massa igual e aço inoxidável igual, uma esfera e um cilindro se desfazem rápido, enquanto uma caixa sobrevive.

Há ainda um detalhe contraintuitivo: uma peça guardada dentro de outra só começa a esquentar de verdade depois que a de fora acaba. O pedaço do fundo do satélite ganha adiantamento — passa protegido pelo pior do aquecimento e só é exposto quando o resto já virou gás, mais baixo e mais devagar. É o princípio dos escudos térmicos que a NASA constrói de propósito, contados em Escudo térmico: a NASA testa 12 modelos de uma vez. Um satélite não tem escudo, mas a própria carcaça faz esse papel por alguns segundos.

O caso mais estudado de todos: o UARS

Em 2011, um satélite de pesquisa da alta atmosfera da NASA, o UARS, caiu sem controle e virou o exemplo didático do assunto, porque a agência publicou a análise inteira.

Duas linhas dessa tabela merecem atenção. A primeira: de 5.668 quilos, a previsão era que chegassem ao chão 532 quilos, pouco menos de um décimo da massa. Todo o resto virou gás e poeira.

A segunda: só 12 dos 150 componentes avaliados tinham chance de sobreviver — mas, como alguns deles existiam em até quatro cópias a bordo, o total previsto de destroços era 26, espalhados por uma faixa de 800 quilômetros de comprimento, que começaria cerca de 500 quilômetros adiante do ponto em que o satélite entrou na parte densa da atmosfera. Lixo espacial não cai num ponto: cai num rastro, e esse rastro tem centenas de quilômetros.

Um detalhe que o UARS deixou: ao ser desativado, ele foi manobrado de propósito para uma órbita mais baixa, o que encurtou em cerca de 20 anos o tempo que ele ainda passaria lá em cima. É a prática explicada em O que a NASA faz com um satélite quando ele se aposenta.

E o fim da história: todos os destroços sobreviventes caíram, segundo a avaliação da NASA, inofensivamente no Pacífico.

Os 15 joules, e o limite de 1 em 10 mil

O perigo de um pedaço desses se mede por energia de impacto, não por tamanho. A NASA usa o limite de 15 joules: abaixo disso, a probabilidade de ferir alguém é considerada muito baixa.

Para ter a ordem de grandeza, 15 joules é a energia de um objeto de um quilo caído de pouco mais de um metro e meio — conta que você mesmo refaz, porque energia de queda é massa vezes gravidade vezes altura.

O segundo número é o que mudou o jeito de projetar satélite: as agências hoje procuram manter o risco de ferir alguém abaixo de 1 em 10.000 por reentrada. O UARS ficava em 1 em 3.200 — e a própria NASA registra que, quando ele foi projetado e lançado, esse limite nem existia. Os casos em que algo chegou mesmo ao chão, inclusive no Brasil, estão em Lixo espacial pode cair na sua cabeça? Os casos reais.

Como se projeta um satélite para sumir

A parte mais interessante dessa história é o que os engenheiros passaram a fazer com o número acima. Existe hoje uma disciplina inteira de projetar a peça para que ela não sobreviva, e a NASA publicou dois casos próprios.

No satélite de medição de chuva GPM, a meta dada às rodas de reação — os volantes que giram para apontar o satélite — e ao sistema de propulsão foi zero: nenhum pedaço podia chegar ao chão com mais de 15 joules. Nenhuma roda de reação à venda no mercado passava no teste, então o centro Goddard desenvolveu e qualificou uma roda feita para derreter, trocando os materiais de ponto de fusão alto por alumínio. Com o tanque de combustível foi igual: como não havia tanque comercial aceitável, a equipe projetou um tanque de alumínio para hidrazina — ideia nova o bastante para exigir estudos sobre a convivência química entre o metal e o combustível.

No telescópio de raios gama Fermi, o problema eram os suportes de titânio da bancada óptica, que sozinhos respondiam por cerca de 4 metros quadrados da área de risco da nave inteira. A solução foi trocá-los por suportes de fibra de carbono com resina epóxi, que aguentam o esforço estrutural e derretem por completo numa reentrada sem controle.

E, num terceiro caso, os engenheiros não conseguiram trocar o material: apenas mudaram o formato da peça de titânio, o que alterou o jeito de ela cair e bastou para eliminar o risco.

É a mesma lógica de embalagem biodegradável: não adianta prometer que o lixo vai cair no lugar certo — é mais barato fazer um lixo que desaparece.

Por que ninguém sabe dizer onde vai cair

Essa é a parte que mais irrita quem acompanha pelo noticiário, e tem boa explicação. A previsão depende de duas coisas que ninguém controla: a densidade da atmosfera, que muda com a atividade do Sol de um dia para o outro, e a estabilidade do veículo, que pode começar a cambalhotar nos últimos dias e mudar a própria resistência ao ar.

Daí sai o número mais espantoso do dossiê do UARS: mesmo a duas horas da queda, a incerteza média sobre o instante da reentrada é de cerca de 25 minutos para mais ou para menos — e, como o objeto corre em órbita, isso equivale a 12 mil quilômetros de incerteza sobre o ponto da Terra. A duas horas do fim, portanto, a resposta honesta para "onde cai?" continua sendo "em algum lugar deste lado do planeta".

Há um consolo estatístico, e a NASA o calculou: dependendo da inclinação da órbita, a chance de a reentrada acontecer sobre terra firme fica entre 22% e 34%. Em dois terços dos casos ou mais, o destino é água — como lembra também Quanto tempo um satélite fica no espaço antes de cair?.

Quem faz essas contas são dois programas da NASA. O mais simples chama-se DAS, conservador de propósito, para qualquer engenheiro de projeto usar. O mais preciso é o ORSAT, que exige operador treinado e avalia componente por componente: o que sobrevive, com que energia chega e qual é o risco para pessoas. É o ORSAT que produz números do tipo "26 objetos, 532 quilos", e é ele que desenha o rastro de destroços de uma reentrada controlada — a ferramenta por trás do plano de descarte da própria Estação Espacial, em A Estação Espacial vai cair? O fim da ISS em 2030.