Imponderabilidade

Astronautas na Estação Espacial Internacional experimentam condições de microgravidade, que constituem um exemplo de imponderabilidade. Michael Foale aparece se exercitando em primeiro plano.

Imponderabilidade é a ausência completa ou quase completa da sensação de peso, isto é, um peso aparente nulo ou muito pequeno. Também é denominada força g zero ou zero-g, em referência à força g, ou, de maneira enganosa, gravidade zero.

Na mecânica newtoniana, o peso gravitacional é a força exercida sobre um corpo por um campo gravitacional. A sensação de peso resulta do contato com superfícies de apoio, como pisos, assentos, camas e balanças. Essa sensação também pode surgir na ausência de um campo gravitacional, quando forças mecânicas de contato, não gravitacionais, atuam sobre um corpo e alteram seu movimento em oposição à sua inércia, como em uma centrífuga, em uma estação espacial em rotação ou no interior de um veículo em aceleração.

Quando o campo gravitacional não é uniforme, um corpo em queda livre está sujeito a forças de maré e não fica inteiramente livre de tensões internas. Nas proximidades de um buraco negro, esses efeitos podem ser muito intensos e provocar a espaguetificação. No caso da Terra, os efeitos são pequenos, sobretudo em objetos de dimensões relativamente reduzidas, como o corpo humano ou uma espaçonave, e a sensação geral de imponderabilidade se mantém. O termo microgravidade é utilizado para os ambientes de imponderabilidade aproximada encontrados em espaçonaves em órbita, nos quais persistem pequenas acelerações residuais. Ele não significa que o campo gravitacional terrestre tenha quase desaparecido. As forças de apoio podem ser nulas na queda livre ideal, mas efeitos de maré e perturbações mecânicas impedem que uma espaçonave real reproduza integralmente essa condição.

Imponderabilidade na mecânica newtoniana

Na metade esquerda, a mola está distante de qualquer fonte de gravidade. Na metade direita, encontra-se em um campo gravitacional uniforme.
(a) Gravidade nula e imponderabilidade.
(b) Gravidade nula, mas sem imponderabilidade: a mola é impulsionada por um foguete.
(c) A mola está em queda livre e em imponderabilidade.
(d) A mola repousa sobre um pedestal, com peso gravitacional e peso aparente não nulos.

Na física newtoniana, a sensação de imponderabilidade experimentada pelos astronautas não decorre de uma aceleração gravitacional nula, observada a partir da Terra, mas da ausência de uma força g perceptível em condições de queda livre e da ausência de diferença entre a aceleração da espaçonave e a do astronauta. O jornalista especializado em assuntos espaciais James Oberg explica o fenômeno da seguinte maneira:

O mito de que os satélites permanecem em órbita porque "escaparam da gravidade terrestre" é perpetuado, de maneira igualmente equivocada, pelo uso quase universal da expressão "gravidade zero" para descrever as condições de queda livre a bordo dos veículos espaciais em órbita. Evidentemente, isso não é verdade: a gravidade continua existindo no espaço. É ela que impede os satélites de seguirem em linha reta para o vazio interestelar. O que falta é o "peso": a oposição à atração gravitacional exercida por uma estrutura fixa ou por uma força contrária. Os satélites permanecem no espaço por causa de sua enorme velocidade horizontal, que lhes permite, enquanto são inevitavelmente atraídos para a Terra pela gravidade, cair "além do horizonte". O afastamento do solo, decorrente da curvatura da superfície terrestre, compensa a queda dos satélites em direção a ele. É a velocidade, e não a posição ou a ausência de gravidade, que mantém os satélites em órbita da Terra.

Do ponto de vista de um observador em um referencial inercial, a força gravitacional sobre um objeto em queda livre continua atuando normalmente. Um exemplo clássico é o de uma cabine de elevador cujo cabo foi cortado e que cai em direção à Terra com aceleração de aproximadamente 9,81 m/s². Nessa situação, a percepção do peso por uma pessoa dentro do elevador diminui quase completamente, embora a força gravitacional não seja nula. Como a gravidade atua em direção ao centro da Terra, duas bolas separadas horizontalmente seriam atraídas em direções ligeiramente diferentes e se aproximariam durante a queda. Se estivessem separadas verticalmente, a bola inferior estaria sujeita a uma aceleração gravitacional maior que a superior, pois a gravidade diminui com a distância de acordo com a lei do inverso do quadrado. Esses efeitos de segunda ordem produzem pequenos desvios em relação à imponderabilidade ideal.

Peso aparente e massa

Uma balança de plataforma mede a força normal exercida entre ela e o corpo apoiado sobre sua superfície. Em um elevador que acelera para baixo, enquanto o corpo acompanha o piso e desprezando a resistência do ar, essa força é dada por

$N=m(g-a),$

em que $m$ é a massa do corpo, $g$ é a aceleração gravitacional e $a$ é o módulo da aceleração descendente do elevador. Na queda livre, $a=g$, de modo que $N=0$. A balança deixa de sustentar o corpo, embora a força gravitacional $mg$ permaneça atuando.

A massa não desaparece na imponderabilidade. Um objeto que flutua dentro de uma nave mantém sua inércia e precisa receber uma força para mudar de velocidade.

Imponderabilidade na relatividade geral

Na relatividade geral, um laboratório pequeno, sem rotação e em queda livre, constitui, aproximadamente, um referencial inercial local. Dentro dele, experimentos locais se comportam como em um laboratório sem campo gravitacional. Essa equivalência, expressa pelo princípio da equivalência, é limitada a regiões suficientemente pequenas e a intervalos de tempo suficientemente curtos. As diferenças de atração gravitacional entre pontos do laboratório podem ser detectadas em experimentos mais extensos.

Os corpos em queda livre seguem geodésicas no espaço-tempo. A imponderabilidade local não exige que a curvatura do espaço-tempo seja nula. Os efeitos de maré, que aproximam ou afastam trajetórias inicialmente vizinhas, permitem detectar essa curvatura.

Em uma nave acelerada por seus motores, o piso pode pressionar os ocupantes e produzir a sensação de peso mesmo longe de fontes intensas de gravidade. Essa situação é a outra parte do experimento mental do elevador, no qual uma aceleração adequada reproduz localmente os efeitos de um campo gravitacional.

Ambientes de imponderabilidade e de peso reduzido

Manobra de voo para produzir imponderabilidade.

Períodos breves de imponderabilidade também ocorrem durante um salto ou em brinquedos de parques de diversões que permitem a queda livre. Um objeto lançado para cima já está em queda livre enquanto sobe, desde que a resistência do ar seja desprezível. A condição não se restringe ao instante em que ele alcança a altura máxima.

Peso reduzido em aeronaves

Ver artigo principal: Aeronave de gravidade reduzida

Aviões são utilizados desde 1959 para proporcionar ambientes de imponderabilidade aproximada destinados ao treinamento de astronautas, à pesquisa e à produção cinematográfica. Essas aeronaves são conhecidas pelo apelido "Vomit Comet", ou "cometa do vômito".

Para criar esse ambiente, o avião percorre um trecho aproximadamente parabólico, primeiro em subida e depois em descida. A sustentação é reduzida e a propulsão é ajustada para compensar o arrasto, ou resistência do ar. O avião e seus ocupantes passam a se mover aproximadamente em queda livre. A fase de imponderabilidade abrange parte da subida e da descida, e não apenas a passagem pelo ponto mais alto da trajetória.

Um KC-135A da NASA sobe para executar uma manobra de imponderabilidade.

Aeronaves de gravidade reduzida da NASA

A partir de 1973, versões dessas aeronaves foram operadas pelo Programa de Pesquisa em Gravidade Reduzida da NASA, no qual surgiu o apelido informal. Posteriormente, a NASA passou a usar oficialmente a denominação "Weightless Wonder" em suas publicações. Entre as aeronaves utilizadas esteve o "Weightless Wonder VI", um McDonnell Douglas C-9, baseado em Ellington Field (KEFD), nas proximidades do Centro Espacial Lyndon B. Johnson.

O programa Microgravity University da NASA, por meio do Reduced Gravity Flight Opportunities Plan, também conhecido como Reduced Gravity Student Flight Opportunities Program, permitia que equipes de estudantes de graduação apresentassem propostas de experimentos em microgravidade. As equipes selecionadas projetavam e executavam seus experimentos, e os estudantes eram convidados a voar no Vomit Comet da NASA.

A310 Zero-G da Agência Espacial Europeia

A Agência Espacial Europeia (ESA) realiza voos parabólicos em um Airbus A310-300 especialmente modificado para pesquisas em microgravidade. Em conjunto com o Centro Nacional de Estudos Espaciais (CNES), da França, e o Centro Aeroespacial Alemão (DLR), organiza campanhas de três voos em dias consecutivos. Cada voo compreende cerca de 30 parábolas, que proporcionam aproximadamente dez minutos de imponderabilidade. As campanhas são operadas a partir do Aeroporto de Bordéus-Mérignac pela Novespace, subsidiária do CNES, e a aeronave é pilotada por pilotos de ensaio da DGA Essais en vol.

Até maio de 2010, a ESA havia realizado 52 campanhas científicas e nove campanhas de voos parabólicos para estudantes. Seus primeiros voos de imponderabilidade ocorreram em 1984, com um KC-135 da NASA, em Houston, no Texas. Entre as outras aeronaves utilizadas estiveram o Ilyushin Il-76 MDK, russo, antes da criação da Novespace, e, posteriormente, um Caravelle francês e um Airbus A300 Zero-G.

Voos comerciais abertos ao público

Ver também: Astronauta comercial

Interior de um Ilyushin 76MDK russo do Centro de Treinamento de Cosmonautas Yuri Gagarin.

Os voos da Air Zero G abertos ao público começaram em 2013. O Airbus A310 Zero-G passou a realizar voos parabólicos em 2015, em substituição ao A300. A aeronave também foi utilizada em voos para cerca de 40 passageiros, além dos experimentos científicos. Comercializados pela Avico e operados principalmente a partir de Bordéus-Mérignac, na França, esses voos têm como objetivo divulgar a pesquisa espacial europeia e permitir que o público experimente a imponderabilidade. Jean-François Clervoy, astronauta da ESA e então presidente da Novespace, acompanhava esses "astronautas por um dia" a bordo do A310 Zero-G. Após o voo, explicava a exploração espacial e relatava suas três viagens ao espaço. A aeronave também foi utilizada no cinema, com Tom Cruise e Annabelle Wallis em A Múmia, de 2017.

A Zero Gravity Corporation opera um Boeing 727 modificado que percorre arcos parabólicos para produzir períodos de 25 a 30 segundos de imponderabilidade.

Instalações terrestres de queda

Ensaio de imponderabilidade na Zero Gravity Research Facility, da NASA.

As instalações terrestres que produzem condições de imponderabilidade para pesquisa são geralmente denominadas tubos de queda ou torres de queda.

A Zero Gravity Research Facility da NASA, situada no Centro de Pesquisa John H. Glenn, em Cleveland, no estado de Ohio, possui um poço que se estende 155 m abaixo do solo e contém uma câmara de vácuo de 142 m de comprimento. Nela, um veículo experimental pode permanecer em queda livre por 5,18 segundos, percorrendo 132 m. O veículo é detido em aproximadamente 4,6 m de grânulos de poliestireno expandido, com um pico de desaceleração próximo de 65 g.

O centro também possui a 2.2 Second Drop Tower, com uma distância de queda de aproximadamente 24 m. O experimento cai livremente dentro de uma proteção que recebe o arrasto do ar. O conjunto é detido por uma bolsa de ar, com desaceleração máxima de aproximadamente 30 g. A torre pode realizar até doze quedas por dia, enquanto a Zero Gravity Research Facility opera com uma queda diária.

O Centro de Voos Espaciais George C. Marshall, da NASA, abriga outro tubo de queda, com 105 m de altura, que proporciona 4,6 segundos de queda livre em condições próximas do vácuo.

Outras instalações de queda incluem:

• Laboratório de Microgravidade do Japão (MGLAB): 4,5 segundos de queda livre;
• tubo de queda experimental do departamento de metalurgia de Grenoble: 3,1 segundos de queda livre;
• Torre de queda de Bremen, na Universidade de Bremen, em Bremen: 4,74 segundos de queda livre, ou até 9,3 segundos com o sistema de catapulta.
• Elevador Einstein, na Universidade de Hanôver: 4,0 segundos de queda livre e de 4,1 a 9 segundos em condições de gravidade parcial;
• torre de queda da Universidade de Tecnologia de Queensland: 2,0 segundos de queda livre;
• Centro Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento em Combustão do Instituto Indiano de Tecnologia de Madras: 2,5 segundos de queda livre.

Na torre de Bremen, a catapulta lança a cápsula para cima antes de sua descida, prolongando o tempo de queda livre. O tubo externo é evacuado para reduzir o arrasto, mas o interior da cápsula experimental pode permanecer à pressão atmosférica. A produção de imponderabilidade não exige que a amostra também fique exposta ao vácuo.

Máquinas de posicionamento aleatório

Esquema de uma máquina de posicionamento aleatório, com rotações em dois eixos.

Outra abordagem terrestre para simular certos efeitos da imponderabilidade em amostras biológicas é o "clinostato tridimensional", também chamado de máquina de posicionamento aleatório. Diferentemente de um clinostato convencional, esse dispositivo gira simultaneamente em dois eixos. A direção do vetor gravitacional muda continuamente em relação à amostra, e sua média temporal pode se aproximar de zero. A aceleração gravitacional instantânea, porém, não é eliminada.

A rotação também produz acelerações e movimenta o líquido que envolve as células. Esses escoamentos podem exercer tensões de cisalhamento sobre as amostras. Os resultados precisam distinguir a resposta à mudança de orientação da gravidade dos efeitos mecânicos introduzidos pelo aparelho.

Flutuabilidade neutra

Ver também: Tanque de isolamento

Uma pessoa flutua no Mar Morto devido à elevada salinidade da água, sem precisar nadar para permanecer na superfície. Ler um jornal enquanto se flutua é uma pose comum em fotografias de turistas.

Piscina de flutuabilidade neutra

Treinamento de um astronauta no Neutral Buoyancy Laboratory, em Houston.

Uma piscina de flutuabilidade neutra, também denominada tanque de flutuabilidade neutra, é uma piscina na qual a flutuabilidade neutra é utilizada para o treinamento de astronautas em atividades extraveiculares e para o desenvolvimento de procedimentos. Essas piscinas começaram a ser utilizadas na década de 1960 e eram, inicialmente, piscinas recreativas; posteriormente, foram construídas instalações específicas para essa finalidade.

Na piscina, pesos e flutuadores são ajustados para que o empuxo equilibre o peso do conjunto formado pelo astronauta e seu equipamento. A gravidade continua atuando. A água também oferece resistência aos movimentos, facilitando a parada do corpo e dificultando seu deslocamento. Por isso, a flutuabilidade neutra permite ensaiar tarefas e posições de trabalho, mas não reproduz integralmente o movimento de um astronauta em queda livre.

Órbitas

Relação entre os vetores de aceleração e velocidade em uma espaçonave em órbita.

A astronauta estadunidense Marsha Ivins demonstra o efeito da imponderabilidade sobre cabelos longos durante a missão STS-98.

A Estação Espacial Internacional em órbita da Terra, em fevereiro de 2010. A estação apresenta um ambiente de microgravidade.

Na Estação Espacial Internacional (ISS), pequenas acelerações relativas decorrem de efeitos de maré, da atração gravitacional entre a estrutura e os objetos em seu interior, da resistência do ar e de movimentos dos astronautas que transferem momento linear à estação. A atração do Sol também produz efeitos de maré, mas sua componente aproximadamente uniforme acelera a estação e os ocupantes em conjunto, sem criar por si só uma força de apoio. O símbolo da microgravidade, μg, foi utilizado nos emblemas das missões STS-87 e STS-107 do ônibus espacial, dedicadas a pesquisas em microgravidade na órbita terrestre baixa.

Voos suborbitais

Ao longo dos anos, a pesquisa biomédica sobre as implicações do voo espacial ganhou importância na avaliação de possíveis alterações fisiopatológicas em seres humanos. Os voos suborbitais proporcionam períodos de imponderabilidade aproximada, ou μg, semelhantes aos encontrados em órbita terrestre baixa, e constituem um modelo de pesquisa para exposições de curta duração. Exemplos são os programas MASER, MAXUS e TEXUS, conduzidos pela Corporação Espacial Sueca e pela Agência Espacial Europeia.

No Brasil, o Programa Microgravidade da Agência Espacial Brasileira foi criado em outubro de 1998 para selecionar e apoiar experimentos científicos e tecnológicos. O programa utiliza oportunidades de voo com cargas úteis suborbitais e orbitais. Entre suas missões esteve a Missão Centenário, de 2006, com experimentos na Estação Espacial Internacional. A plataforma alemã MicroG foi utilizada nas missões suborbitais até a Operação Rio Verde, em 2016.

Movimento orbital

O movimento orbital é uma forma de queda livre. Os objetos em órbita não estão em imponderabilidade perfeita devido a diversos efeitos:

• Efeitos que dependem da posição relativa dentro da espaçonave:
  • Como a força gravitacional diminui com a distância, objetos de dimensões não nulas estão sujeitos a uma força de maré, isto é, a uma diferença de atração entre as extremidades mais próxima e mais distante da Terra. Uma manifestação extrema desse efeito é a espaguetificação. No referencial que gira com uma órbita circular e mantém um eixo voltado para o centro da Terra, a força centrífuga também é maior no lado mais distante do planeta. A uma altitude de 400 km, a variação da aceleração efetiva na direção radial é de cerca de 0,4 μg por metro.
  • A atração gravitacional entre a espaçonave e um objeto em seu interior pode fazer com que ele "caia" lentamente em direção a uma parte mais maciça da estrutura. A aceleração produzida por uma massa pontual de 1.000 kg a 1 m de distância é de aproximadamente 0,007 μg.
• Efeitos aproximadamente uniformes, que poderiam ser compensados:
  • Embora extremamente rarefeita, a atmosfera ainda está presente em altitudes orbitais de 185 a 1.000 km e provoca uma pequena desaceleração por atrito. Essa desaceleração poderia ser compensada por um empuxo contínuo de pequena intensidade, mas, na prática, a compensação é feita periodicamente, de modo que a minúscula força g associada ao efeito não é eliminada.
  • Os efeitos do vento solar e da pressão de radiação são semelhantes, mas se orientam para longe do Sol. Diferentemente do efeito da atmosfera, não diminuem simplesmente com o aumento da altitude em relação à Terra.
• Outros efeitos:
  • Atividades rotineiras da tripulação: devido à conservação do momento linear, quando um tripulante se impulsiona contra uma parede, a espaçonave se move no sentido oposto.
  • Vibrações estruturais: esforços aplicados à estrutura da espaçonave provocam deformações e acelerações aparentes.

As pequenas acelerações residuais que variam com o tempo, produzidas por vibrações, movimentos da tripulação e outras perturbações, são estudadas sob a denominação g-jitter. Elas podem afetar experimentos de processamento de materiais mesmo quando não são percebidas pelos ocupantes da nave.

Imponderabilidade no centro de um planeta

Se um objeto pudesse chegar ao centro de um planeta esfericamente simétrico sem ser impedido pelos materiais que o compõem, encontraria um ponto de campo gravitacional nulo no centro do núcleo planetário. A massa do planeta ao redor desse ponto exerce atração em todas as direções, de forma que as contribuições se cancelam.

Ausência de gravidade

Um campo gravitacional fraco e a imponderabilidade não são a mesma condição. A queda livre pode produzir imponderabilidade mesmo em um campo intenso. Para reduzir a atração de um astro isolado, é necessário aumentar a distância até ele. Fora de um corpo esfericamente simétrico, a aceleração gravitacional é dada por $g=GM/r^{2}$, em que $G$ é a constante gravitacional, $M$ é a massa do astro e $r$ é a distância ao seu centro.

Para que a aceleração produzida apenas pela Terra seja um milionésimo da gravidade padrão na superfície terrestre, é preciso estar a aproximadamente 6,4 milhões de quilômetros de seu centro. Para reduzir a atração do Sol ao mesmo valor, a distância necessária é de cerca de 3,7 bilhões de quilômetros do centro solar. Para reduzir somente a atração terrestre a um milésimo da gravidade padrão, a distância é de aproximadamente 200.000 km.

As sondas interestelares Voyager 1 e Voyager 2, do Programa Voyager, e Pioneer 10 e Pioneer 11, do Programa Pioneer, ultrapassaram a distância de 3,7 bilhões de quilômetros do Sol. A New Horizons também a ultrapassou. À velocidade da luz, essa distância é percorrida em cerca de três horas e meia.

A tabela apresenta estimativas da aceleração gravitacional, não do peso aparente de um ocupante de uma nave. As parcelas terrestre e solar foram calculadas pela lei do inverso do quadrado. A contribuição galáctica foi aproximada por 230 pm/s², a partir da aceleração do Sistema Solar estimada com os dados Gaia EDR3, publicados em 2020.

Localização	Aceleração gravitacional devida a			Módulo resultante estimado
	Terra	Sol	Restante da Via Láctea
Superfície terrestre	9,81 m/s²	6 mm/s²	230 pm/s²	Cerca de 9,81 m/s²
Órbita terrestre baixa, a aproximadamente 400 km de altitude	8,7 m/s²	6 mm/s²	230 pm/s²	Cerca de 8,7 m/s²
A 200.000 km da Terra	10 mm/s²	6 mm/s²	230 pm/s²	Até cerca de 16 mm/s²
A 6 milhões de quilômetros da Terra	11 μm/s²	6 mm/s²	230 pm/s²	Cerca de 6 mm/s²
A 3,7 bilhões de quilômetros da Terra	29 pm/s²	10 μm/s²	230 pm/s²	Cerca de 10 μm/s²
A 17 bilhões de quilômetros da Terra, distância já ultrapassada pela Voyager 1	1,4 pm/s²	460 nm/s²	230 pm/s²	Cerca de 460 nm/s²
A aproximadamente 946 bilhões de quilômetros da Terra	450 am/s²	150 pm/s²	230 pm/s²	Até cerca de 380 pm/s²

Nas órbitas próximas da Terra, a gravidade continua atraindo os objetos em direção ao planeta. Em uma órbita circular, a combinação da velocidade tangencial com a aceleração gravitacional mantém constante a distância ao centro da Terra. Um observador e os objetos próximos parecem flutuar uns em relação aos outros porque estão em queda livre com acelerações muito semelhantes, e não porque tenham alcançado um local sem gravidade.

Esses valores podem ser comparados com o potencial gravitacional nos mesmos locais.

Comportamento de líquidos e gases

As experiências com fluidos fazem parte da pesquisa científica na Estação Espacial Internacional, inclusive da pesquisa europeia na estação.

Animação de gotas que se desprendem de uma torneira. A queda livre também ocorre em situações cotidianas.

Na imponderabilidade, a tensão superficial não desaparece. Quando a deformação produzida pelo peso aparente é muito pequena, ela pode manter uma gota livre aproximadamente esférica. Uma gota perturbada pode oscilar antes de recuperar essa forma.

A capilaridade pode conduzir líquidos por canais e recipientes com formatos apropriados, inclusive copos que permitem beber sem canudos ou bombas. A separação entre líquidos e gases também muda quando o empuxo se torna desprezível. Durante a ebulição, as bolhas podem crescer mais e se mover mais lentamente que na Terra, alterando a transferência de calor.

A redução da convecção natural provocada pelo empuxo modifica a forma das chamas. Na Terra, os gases quentes sobem e ajudam a produzir o formato alongado de uma chama de vela. Em microgravidade, uma chama pode adquirir forma arredondada e coloração azulada. O oxigênio ainda pode alcançar a região de combustão por difusão molecular ou pelo escoamento produzido por ventiladores. A ausência de convecção natural não impede toda convecção nem elimina o risco de incêndio.

O comportamento dos líquidos exige cuidados no armazenamento e na alimentação de propelentes. Sem uma aceleração que os mantenha junto à saída do tanque, os líquidos podem se afastar do ponto de captação. Foram desenvolvidas divisórias internas para controlar sua posição e técnicas que aplicam uma pequena aceleração à nave. No estágio S-IVB do Saturno V, por exemplo, um pequeno propulsor alimentado por hidrogênio vaporizado mantinha o líquido no fundo do tanque durante o voo sem funcionamento do motor principal.

Efeitos sobre a saúde

Ver artigos principais: Adaptação humana ao voo espacial e Medicina espacial

O astronauta Clayton Anderson observa uma grande gota de água flutuando à sua frente no Discovery. Os efeitos da coesão tornam-se mais evidentes em condições de imponderabilidade.

Com o surgimento de estações espaciais que podem ser habitadas por longos períodos, demonstrou-se que a exposição à imponderabilidade pode ter efeitos prejudiciais à saúde humana. Os seres humanos estão bem adaptados às condições físicas da superfície terrestre. Em resposta a períodos prolongados de imponderabilidade, diversos sistemas fisiológicos começam a se modificar e a sofrer atrofia. Embora essas alterações sejam geralmente temporárias, podem ocorrer problemas de saúde duradouros.

O problema mais comum nas primeiras horas de imponderabilidade é a síndrome de adaptação ao espaço, frequentemente chamada de enjoo espacial. Seus sintomas incluem náuseas, vômitos, vertigem, dores de cabeça, letargia e mal-estar geral. O primeiro caso foi relatado pelo cosmonauta Gherman Titov, em 1961. Estimativas anteriores indicavam que aproximadamente 45% das pessoas que viajaram ao espaço apresentaram essa condição. A duração varia, mas os sintomas geralmente se concentram nos primeiros dias, à medida que o organismo se adapta ao novo ambiente. A NASA utiliza informalmente a "escala Garn", em referência ao senador dos Estados Unidos Jake Garn, cujo enjoo durante a missão STS-51-D foi descrito como excepcionalmente intenso. Nessa escala humorística, um "Garn" corresponde ao caso mais grave imaginável.

Entre os principais efeitos adversos da imponderabilidade prolongada estão a atrofia muscular e a deterioração do esqueleto, ou osteopenia do voo espacial. A perda muscular é abordada em maior detalhe em Redução da massa, força e desempenho muscular no espaço. Esses efeitos podem ser reduzidos por uma rotina de exercícios, como pedalar em uma bicicleta ergométrica. Também foram utilizadas calças com faixas elásticas entre a cintura e as barras, destinadas a aplicar carga aos ossos das pernas e reduzir a osteopenia. Outros efeitos importantes incluem a redistribuição de líquidos, responsável pela aparência arredondada e inchada do rosto de astronautas em imponderabilidade, alterações no sistema cardiovascular, com mudanças da pressão e da velocidade do fluxo sanguíneo, alterações na massa de hemácias, distúrbios do equilíbrio e alterações no sistema imunológico. Sintomas menos graves incluem perda de massa corporal, congestão nasal, distúrbios do sono, excesso de flatulência e inchaço facial. A reversão de muitos desses efeitos começa após o retorno à Terra.

Além disso, astronautas podem apresentar alterações na visão após missões espaciais prolongadas. Esses problemas representam uma preocupação para futuras missões ao espaço profundo, inclusive um voo tripulado a Marte. Entre outros riscos do ambiente espacial, a exposição a altos níveis de radiação pode influenciar o desenvolvimento de aterosclerose. Também foram identificados coágulos na veia jugular interna durante voos espaciais.

Em 31 de dezembro de 2012, foi publicado um estudo apoiado pela NASA no qual camundongos geneticamente modificados, utilizados como modelo da doença de Alzheimer, foram irradiados em laboratório com íons de ferro-56. Esses íons simulavam um componente da radiação cósmica galáctica. Foram observados comprometimento cognitivo e, nos machos avaliados, maior acúmulo de placas de beta-amiloide. O experimento não foi realizado em microgravidade nem demonstrou que o voo espacial cause Alzheimer em seres humanos. Em outubro de 2015, o Escritório do Inspetor-Geral da NASA publicou um relatório sobre os riscos à saúde associados ao voo espacial tripulado, inclusive em uma missão tripulada a Marte.

Enjoo espacial

Ver também: Síndrome de adaptação ao espaço

Seis astronautas que treinavam havia quase um ano no Centro Espacial Lyndon B. Johnson experimentam um ambiente de microgravidade.

O enjoo espacial é considerado um subtipo de cinetose e afeta uma parcela significativa dos astronautas que viajam ao espaço, estimada em aproximadamente metade em alguns estudos. Juntamente com congestão facial causada pelo deslocamento de líquidos em direção à cabeça, dores de cabeça e dores nas costas, integra o conjunto mais amplo de sintomas da síndrome de adaptação ao espaço. Foi descrito pela primeira vez em 1961, durante a segunda órbita do quarto voo espacial tripulado, quando Gherman Titov, a bordo da Vostok 2, relatou desorientação e sintomas físicos compatíveis, em grande parte, com a cinetose. Embora seja um dos problemas fisiológicos mais estudados do voo espacial, continua representando uma dificuldade importante para muitos astronautas. Em alguns casos, pode ser tão incapacitante que exige o afastamento de atividades programadas, inclusive caminhadas espaciais para as quais houve meses de treinamento. Na maioria dos casos, porém, os astronautas continuam trabalhando apesar dos sintomas e da redução de desempenho.

Mesmo astronautas experientes, acostumados a manobras físicas muito rigorosas e exigentes na Terra, podem apresentar náusea intensa, vômitos em jato, fadiga, mal-estar e dor de cabeça. Os sintomas podem surgir tão abruptamente que o viajante vomita sem tempo para conter o material expelido, espalhando líquidos e odores pela cabine e afetando outros tripulantes. Também podem ocorrer alterações nos movimentos oculares. Os sintomas geralmente duram de um a três dias após o início da imponderabilidade, mas podem reaparecer com o retorno à gravidade terrestre ou pouco depois do pouso. O enjoo espacial difere da cinetose terrestre porque a sudorese e a palidez costumam ser discretas ou ausentes, enquanto o exame gastrointestinal frequentemente revela ausência de ruídos intestinais, indicativa de redução da motilidade gastrointestinal.

Mesmo após o desaparecimento das náuseas e dos vômitos, podem persistir sintomas do sistema nervoso central que prejudicam o desempenho. Em 1976, Graybiel e Knepton propuseram o termo "síndrome sopite" para descrever a letargia e a sonolência associadas à cinetose. A definição foi posteriormente revista para abranger "um conjunto de sintomas que se desenvolve em consequência da exposição ao movimento real ou aparente e se caracteriza por sonolência excessiva, lassitude, letargia, depressão leve e redução da capacidade de concentração em uma tarefa". Em conjunto, esses sintomas podem representar uma ameaça significativa, embora temporária, para astronautas que precisam permanecer atentos a situações críticas.

A explicação mais comum considera o enjoo espacial um distúrbio do sistema vestibular, decorrente de um conflito entre informações visuais, proprioceptivas, relacionadas à postura e à posição do corpo, e sinais dos canais semicirculares e dos órgãos otolíticos da orelha interna. Essa explicação, conhecida como teoria do conflito neural, foi proposta por Reason e Brand em 1975. Outra hipótese relaciona o problema à redistribuição de líquidos: a imponderabilidade reduz o gradiente de pressão hidrostática na parte inferior do corpo, deslocando líquidos em direção à cabeça. Segundo essa hipótese, as mudanças poderiam elevar a pressão do líquido cefalorraquidiano, a pressão intracraniana e a pressão dos líquidos da orelha interna, contribuindo, respectivamente, para dores nas costas, dores de cabeça e disfunção vestibular.

Apesar dos numerosos estudos em busca de uma solução, o enjoo espacial continua sendo um problema nas viagens espaciais. A maioria das medidas não farmacológicas, como treinamentos e manobras físicas, apresentou benefícios limitados. Thornton e Bonato observaram que os esforços de adaptação antes e durante o voo, alguns obrigatórios e a maioria trabalhosa, foram, em grande parte, malsucedidos do ponto de vista operacional. Entre os medicamentos utilizados está a prometazina, um anti-histamínico injetável com propriedades antieméticas, embora a sedação possa ser um efeito adverso problemático. Outras opções incluem metoclopramida e escopolamina, administrada por via oral ou transdérmica, também associadas a sonolência e sedação.

Efeitos musculoesqueléticos

No ambiente espacial, os efeitos da redução de carga variam consideravelmente entre os indivíduos. A participação de diferenças relacionadas ao sexo nessa resposta ainda não está esclarecida. A duração das missões e o pequeno número de astronautas que participam de uma mesma missão também dificultam a comparação dos distúrbios musculoesqueléticos observados no espaço. Além da perda muscular, a microgravidade provoca aumento da reabsorção óssea e redução da densidade mineral óssea, o que pode aumentar o risco de fraturas. A reabsorção eleva a eliminação urinária de cálcio, o que pode aumentar o risco de cálculos renais.

A redução da carga sobre a coluna vertebral também permite que ela se alongue e perca parte de sua curvatura habitual. A altura de um astronauta pode aumentar até cerca de 3% durante o voo espacial.

Nas primeiras duas semanas em que os músculos deixam de sustentar o peso do corpo durante o voo espacial, começa a ocorrer atrofia muscular. Os músculos posturais apresentam maior proporção de fibras de contração lenta e são mais suscetíveis à atrofia que os grupos musculares não posturais. A perda de massa muscular resulta de um desequilíbrio entre a síntese e a degradação de proteínas. Ela é acompanhada por perda de força, observada após apenas dois a cinco dias de voo nas missões Soyuz 3 e Soyuz 8. Também foram identificadas reduções da força contrátil e da potência muscular em resposta à microgravidade.

Para combater esses efeitos, são empregados exercícios aeróbicos, frequentemente realizados em bicicletas ergométricas. Os exercícios resistidos proporcionam uma medida adicional importante. Outras estratégias estudadas incluem o traje conhecido como "pinguim", com faixas elásticas costuradas que mantêm uma carga de tração sobre os músculos antigravitacionais, a centrifugação e a vibração. A centrifugação pode produzir gravidade artificial para ajudar a prevenir a atrofia muscular. Entre as propostas estão o uso de centrífugas ou o deslocamento de uma bicicleta pela parede interna de uma estrutura espacial. Em um estudo terrestre com dez homens, a aplicação de vibrações ao corpo inteiro reduziu um marcador de reabsorção óssea em um dos regimes avaliados, mas não melhorou as medidas de função muscular. O estudo não avaliou astronautas em voo. A vibração pode ser aplicada por aparelhos com deslocamentos verticais alternados em torno de um ponto de apoio ou por plataformas que oscilam verticalmente. Também foram propostas medidas farmacológicas e nutricionais, como agonistas adrenérgicos beta-2 para aumentar a massa muscular e aminoácidos essenciais associados a exercícios resistidos.

Efeitos cardiovasculares

A astronauta Tracy Dyson fala sobre estudos de saúde cardiovascular a bordo da Estação Espacial Internacional.

Assim como os sistemas esquelético e muscular, o sistema cardiovascular é submetido a uma carga menor em condições de imponderabilidade e pode sofrer descondicionamento durante estadias prolongadas no espaço. Na Terra, a gravidade estabelece um gradiente hidrostático vertical. Quando uma pessoa está em pé, parte dos líquidos se acumula nos vasos e tecidos das pernas. Em microgravidade, a perda desse gradiente hidrostático provoca uma rápida redistribuição de líquidos para o tórax e a parte superior do corpo, que pode ser percebida pelo organismo como um excesso de volume sanguíneo circulante. Seguem-se ajustes na distribuição de líquidos, com redução do volume de plasma sanguíneo. A redução da massa de hemácias também participa da chamada anemia espacial, mas seus mecanismos não podem ser resumidos à diminuição da produção dessas células. Em um estudo com 14 astronautas, Guy Trudel e colaboradores interpretaram o aumento do monóxido de carbono expirado como sinal de maior destruição de hemácias durante missões de cerca de seis meses. Giampaolo Minetti e colaboradores questionaram essa interpretação, pois o monóxido de carbono também pode resultar da degradação de outras proteínas que contêm heme. A redistribuição inicial de sangue em direção ao átrio direito pode aumentar o volume sistólico. Essas alterações tornam-se particularmente importantes no retorno à gravidade terrestre, quando os líquidos voltam a se deslocar para a parte inferior do corpo, mas o volume circulante e a massa de hemácias estão reduzidos. A diminuição da pressão de enchimento cardíaco e do volume sistólico durante o esforço de permanecer em pé contribui para a intolerância ortostática. Essa condição pode provocar perda temporária de consciência e do tônus postural devido à perfusão cerebral insuficiente. Algumas espécies animais desenvolveram características fisiológicas e anatômicas, como pressão sanguínea elevada e coração mais próximo da cabeça, que ajudam a enfrentar os efeitos da gravidade sobre a circulação. Formas crônicas de intolerância ortostática também podem incluir náusea, problemas de sono e outros sintomas vasomotores.

Muitos estudos sobre os efeitos fisiológicos da imponderabilidade no sistema cardiovascular são realizados em voos parabólicos, uma das poucas formas de combinar a investigação experimental em seres humanos com períodos reais de queda livre sem viajar ao espaço. Esses estudos contribuíram para compreender a intolerância ortostática e as alterações do fluxo sanguíneo periférico observadas após o retorno à Terra. A redução do trabalho cardíaco motivou investigações sobre possível atrofia do coração, mas a perda global de massa cardíaca não é inevitável. Um estudo com 13 astronautas que realizaram exercícios durante missões na ISS não encontrou redução da massa dos ventrículos após o voo. Um estudo de 2025 com nove cosmonautas encontrou redução da massa dos músculos papilares do ventrículo esquerdo, sem redução da massa global desse ventrículo. Também foram observadas arritmias cardíacas em astronautas, embora nem sempre seja possível determinar se decorrem de condições preexistentes ou do ambiente espacial. Uma das medidas utilizadas antes do retorno é a ingestão de água e sal, destinada a aumentar ou preservar o volume plasmático e reduzir a intolerância ortostática. Outra medida estudada é a administração de midodrina, agonista seletivo dos receptores adrenérgicos alfa-1, que provoca vasoconstrição arterial e venosa e pode elevar a pressão sanguínea. A resposta pode envolver ajustes compensatórios mediados pelo barorreflexo.

Efeitos sobre organismos não humanos

Ver artigos principais: Adaptação humana ao voo espacial, Infecção, Tratamento médico durante o voo espacial, e Medicina espacial

Em 2008, o pesquisador russo Dmitri Atiakshin relatou que baratas concebidas durante o voo da missão Foton-M3 cresceram mais rapidamente que suas equivalentes terrestres e apresentaram maior velocidade e resistência.

No experimento com ovos de galinha levado pela missão STS-29, em 1989, os 16 embriões com dois dias de incubação no lançamento estavam mortos no pouso, enquanto os 16 com nove dias de incubação chegaram vivos ao fim do voo. Dos embriões mais velhos, oito foram deixados para eclodir na Terra e produziram pintinhos sem malformações macroscópicas. A análise microscópica, porém, encontrou diferenças no sistema vestibular em comparação com os controles terrestres.

Um experimento realizado em 2006 em um ônibus espacial constatou que Salmonella typhimurium, bactéria capaz de causar intoxicação alimentar, tornou-se mais virulenta quando cultivada no espaço. Em 29 de abril de 2013, pesquisadores do Instituto Politécnico Rensselaer, financiados pela NASA, relataram que, em experimentos realizados a bordo do ônibus espacial Atlantis, microrganismos formaram biofilmes com características não observadas nos controles terrestres. O estudo mostrou alterações no crescimento e na organização de Pseudomonas aeruginosa em condições de voo espacial.

Em determinadas condições experimentais, observou-se que microrganismos podem proliferar na imponderabilidade aproximada do espaço e sobreviver ao vácuo do espaço exterior.

Aplicações comerciais

Ver também: Comercialização do espaço e Fabricação no espaço

Chama de uma vela na Terra, à esquerda, e em condições orbitais, à direita.

Cristais de alta qualidade

O crescimento de cristais em microgravidade, em estações espaciais ou satélites artificiais automatizados, é estudado por meio da engenharia de processos em baixa gravidade com o objetivo de reduzir defeitos na rede cristalina. Trata-se de uma possibilidade de aplicação comercial investigada experimentalmente. Cristais com menos defeitos podem ser úteis em determinadas aplicações microeletrônicas e na cristalografia de raios X.

Em 2017, foi realizado na ISS um experimento de cristalização do anticorpo monoclonal terapêutico pembrolizumabe. Os resultados mostraram partículas cristalinas mais uniformes e homogêneas que as dos controles terrestres. Essa uniformidade pode permitir formulações de anticorpos mais concentradas e de menor volume, potencialmente adequadas à administração subcutânea, menos invasiva que a administração intravenosa utilizada como referência no estudo.

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  Comparação da ebulição da água sob a gravidade terrestre, 1 g, à esquerda, e em microgravidade, à direita. A fonte de calor está na parte inferior da fotografia.
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  Comparação da combustão de uma vela na Terra, à esquerda, e em um ambiente de microgravidade, como o da Estação Espacial Internacional, à direita.
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  Cristais de proteínas cultivados por cientistas estadunidenses na estação espacial russa Mir, em 1995.
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  Comparação do crescimento de cristais de insulina no espaço, à esquerda, e na Terra, à direita.
• Os líquidos também podem se comportar de maneira diferente da observada na Terra, como demonstra este vídeo.

Processamento sem recipientes

Desenho de pessoas e objetos flutuando em órbita, feito em 1933 por Konstantin Tsiolkovski, um dos pioneiros da ciência espacial.

No experimento mental do canhão de Newton, o aumento da velocidade de lançamento permite que o projétil percorra distâncias maiores e entre em órbita.

A microgravidade permite processar materiais fundidos sem que uma parede de recipiente precise sustentá-los. No módulo Kibō da Estação Espacial Internacional, o forno de levitação eletrostática da Agência Japonesa de Exploração Aeroespacial mantém pequenas amostras suspensas por forças eletrostáticas e as aquece com lasers. A ausência de contato com um cadinho reduz a contaminação da amostra e permite medir propriedades de líquidos a temperaturas elevadas. O controle eletrostático mantém a amostra na posição desejada durante o aquecimento e o resfriamento.

História

Isaac Newton estabeleceu, no século XVII, os fundamentos necessários para explicar a imponderabilidade. No experimento mental do canhão de Newton, um projétil é lançado horizontalmente do alto de uma montanha, sem resistência do ar. Quanto maior a velocidade de lançamento, mais longe ele chega antes de atingir o solo. Com velocidade suficiente, a curvatura de sua trajetória acompanha a curvatura terrestre, e o projétil permanece em queda livre ao redor do planeta.

Konstantin Tsiolkovski descreveu a imponderabilidade orbital.

Na década de 1950, os irmãos Fritz Haber e Heinz Haber propuseram o uso de voos parabólicos para simular a imponderabilidade.

Em 24 de maio de 1962, Scott Carpenter levou a bordo da cápsula Aurora 7, do Projeto Mercury, um experimento sobre o comportamento de líquidos em microgravidade. O dispositivo continha água colorida em uma esfera de vidro com um tubo cilíndrico interno. Durante o voo, o líquido preencheu o tubo por capilaridade. O resultado ajudou a testar métodos para manter propelentes junto aos pontos de captação nos tanques de espaçonaves.

Ver também

• Gravidade artificial, produção de acelerações que simulam a sensação de peso.
• Queda livre, movimento responsável pela imponderabilidade em órbita e nos voos parabólicos.
• Clinostato, dispositivo utilizado para simular determinados efeitos da microgravidade.
• Medicina espacial, estudo da saúde humana e das adaptações fisiológicas durante os voos espaciais.
• Peso aparente, força de apoio que se anula na queda livre ideal.
• Princípio da equivalência, relação local entre gravitação, aceleração e queda livre.

Ligações externas

Media relacionados com Imponderabilidade no Wikimedia Commons

• Verbetes weightlessness, microgravity e zero gravity no Wikcionário em inglês.
• Centro de Microgravidade da PUCRS (em inglês; cópia arquivada).
• How Weightlessness Works, no HowStuffWorks (em inglês).
• NASA - Human Physiology Research and the ISS: Staying Fit Along the Journey (em inglês; cópia arquivada).
• Why are astronauts weightless?, vídeo que explica o equívoco da expressão "gravidade zero" (em inglês).
• Visão geral das aplicações e dos métodos de microgravidade (em inglês; cópia arquivada).
• Crítica aos termos "Zero Gravity" e "Microgravity", publicação no grupo sci.space em defesa de uma terminologia fisicamente mais precisa (em inglês).
• Coleção de microgravidade dos Arquivos e Coleções Especiais da Universidade do Alabama em Huntsville (em inglês).
• Pesquisa em biologia espacial no AU-KBC Research Centre (em inglês).
• Sítio oficial da Associação Europeia de Pesquisa em Baixa Gravidade (em inglês).
• Jhala, Dhwani V.; Kale, Raosaheb K.; Singh, Rana P. (2014). «Microgravity Alters Cancer Growth and Progression». Current Cancer Drug Targets. 14 (4): 394–406. PMID 24720362. doi:10.2174/1568009614666140407113633 
• Tirumalai, Madhan R.; Karouia, Fathi; Tran, Quyen; Stepanov, Victor G.; Bruce, Rebekah J.; Ott, C. Mark; Pierson, Duane L.; Fox, George E. (23 de maio de 2017). «The adaptation of Escherichia coli cells grown in simulated microgravity for an extended period is both phenotypic and genomic». npj Microgravity. 3 (1): 15. PMC 5460176. PMID 28649637. doi:10.1038/s41526-017-0020-1