Os desafios de explorar além do Sistema Solar

Título: Numerical constraints on the size of generation ships from total energy expenditure on board, annual food production and space farming techniques

Autores: F. Marin, C. Beluffi, R. Taylor, L. Grau

Instituição do primeiro autor: Université de Strasbourg, CNRS, França

Status: aceito para publicação no Journal of the British Interplanetary Society (JBIS), [acesso aberto]

Menos de trinta anos atrás, não sabíamos se existiam outros planetas além do sistema solar. O primeiro exoplaneta foi descoberto apenas em 1992, ao redor do pulsar PSR B1257+12. Outros três anos foram necessários para que o primeiro exoplaneta orbitando uma estrela comum, como o Sol, fosse descoberto: 51 Pegasi b. Fizemos muito, muito progresso desde então. Graças em especial ao satélite Kepler, hoje temos mais de 3000 exoplanetas detectados. Uma pergunta que vem a mente, em especial para os fãs de ficção científica, é: seremos algum dia capazes de ver algum desses planetas de perto? Não há razão para não levarmos essa pergunta a sério. Pelo contrário: foguetes, submarinos e até cartões de débito apareceram na ficção científica antes de tornarem-se realidade. O artigo que vamos discutir no astroponto de hoje revisa alguns passos necessários para que possamos explorar além do Sistema Solar algum dia.

Em uma galáxia muito, muito distante

O principal problema em explorar outros sistemas planetários é a distância. Mesmo o sistema mais próximo de nós, ao redor de Proxima Centauri, está a cerca de quatro anos-luz de distância. Isso significa que, viajando à velocidade da luz, levaríamos quatro anos para chegar lá. Mesmo que atingir tal velocidade fosse fisicamente possível, nossa atual tecnologia é limitada a velocidades de menos de 50.000 km/h (as missões Apollo, por exemplo, viajavam a velocidades ao redor de 40.000 km/h). Isso é apenas 0.005% da velocidade da luz. Ou seja, considerando a tecnologia atual, levaríamos mais de 20.000 anos para chegar ao sistema solar mais próximo. Mesmo melhorando nossa tecnologia e utilizando estilingues gravitacionais, é inquestionável que não é possível que os mesmos seres humanos que deixaram a Terra cheguem ao destino final. A solução para isso é simples: a missão deve durar múltiplas gerações. A população inicial envelhece e morre, e seus descendentes continuam a viagem.

Em um artigo anterior, os autores de hoje estudaram a viabilidade de tal missão com um código chamado HERITAGE (“Herança” em inglês). Esse código é baseado no método de Monte Carlo, uma ferramenta matemática que usa um grande número de simulações com condições iniciais aleatórias (dentro de um conjunto de suposições) para testar todos os possíveis resultados de um dado evento. Os principais desafios de uma missão com múltiplas gerações são evitar a depressão por endogamia (redução da aptidão da população devido a reprodução entre indivíduos com parentesco) e limitar a população total na nave. Os autores encontraram que é possível evitar esses problemas, desde que princípios adaptativos de engenharia social, revisados a cada ano, sejam levados em conta. Eles também obtiveram que uma tripulação inicial com não menos de 98 pessoas é necessária. Com isso, surge o próximo problema: como alimentar toda essa gente? Isso é o que os autores exploram no artigo de hoje.

Colocar mais água no feijão não é suficiente

Os astronautas a bordo da Estação Espacial requerem cerca de 1.8 kg de comida (incluindo o peso das embalagens) por dia. Se fôssemos utilizar o mesmo método para alimentar uma missão multi-gerações, milhares de toneladas seriam necessárias. Isso por si só já torna a ideia questionável, mas, além disso, a quantidade de vitaminas na comida decai com o tempo, independente de como a armazenamos. É necessário, portanto, produzir comida durante a viagem, ou seja, desenvolver agricultura espacial. Neste artigo, os autores buscam estimar o espaço necessário para produzir alimento suficiente para que a população da aeronave tenha uma dieta balanceada.

Caracterizando a população

A nossa necessidade calórica depende de diversos fatores, entre eles idade, peso e altura. Nas simulações iniciais feitas pelos autores, tais características da população não foram levadas em conta. Portanto, eles precisaram primeiro adaptar o código HERITAGE para prever também essas características. Para isso, eles utilizaram diversos estudos na literatura relacionando altura e peso de uma pessoa à sua idade. Combinando esses estudos, eles obtiveram as relações mostradas na Figura 1. Como é de se esperar, altura e peso aumentam com a idade até atingirem um valor estável. Para levar em conta variações de altura na população, os autores introduziram uma variação aleatória de 10% no quanto cada indivíduo simulado deveria crescer por ano, obtendo assim uma população heterogênea com pessoas baixas, medianas e altas. O mesmo foi feito para o peso, mas levando que o peso pode diminuir de um ano para outro.

Figura 1: peso (esquerda) e altura (direita) como função da idade conforme modelado pelos autores. A diferença entre homes e mulheres é levada em conta. Figuras 6 e 8 no artigo.

Uma vez que idade, peso e altura da população são conhecidos, podemos partir para estimar quanta energia (ou quantas calorias) são necessárias para manter tal população. Gastamos energia de duas maneiras diferentes: (i) processos metabólicos para manter o funcionamento do corpo (respiração, digestão, etc.) e (ii) esforço físico relacionado a qualquer atividade (caminhar, levantar um copo de cerveja). A primeira depende essencialmente de idade, altura e peso, logo é fácil de estimar. A segunda é complicada, e depende, entre outros fatores, da profissão de cada indivíduo. Alguém que trabalha em um escritório necessita muito menos energia do que um atleta olímpico. Assumindo um certo padrão de atividade para a tripulação (não muito ativa na infância e velhice, mas ativa entre 25 e 45 anos), e combinando isso com a energia necessária para manter as funções básicas do corpo dadas as características da população, os autores estimaram o gasto total de calorias por ano em função do tamanho da população da nave, como mostrado na Fig. 2.

Figura 2: gasto total de energia por ano em função do tamanho da tripulação da nave. O intervalo de 95% de confiança é mostrado em cinza. Figura 11 no artigo.

Produzindo comida

Uma vez que sabemos quanta energia a população irá consumir, podemos levar em conta o conteúdo energético de cada alimento (que você pode encontrar facilmente em qualquer embalagem) para estimar a quantia de comida necessária para a tripulação. Também existem estimativas da área necessária para produzir uma certa quantia de cada tipo de alimento, o que nos dá a área de cultivo necessária para a população. Isso varia, é claro, com o tipo de agricultura implementada. Os autores consideram agricultura convencional, hidropônica e aeropônica. A Fig. 3 mostra a área de cultivo necessária em função do tamanho da tripulação. Uma dieta com um único alimento, como por exemplo batata doce, necessita uma área consideravelmente menor; contudo, não forneceria todos os nutrientes necessários a uma dieta balanceada. Essa estimativa leva em conta também a área necessária para a criação de animais (em condições de vida decentes) para produção de laticínios, mel e como fonte de proteínas. Pode-se concluir que, para uma tripulação de 500 pessoas, 0,45 km2 de área seriam necessários, ou cerca de 60 campos de futebol.

Figura 3: área de cultivo necessária em função do tamanho da tripulação para três diferentes métodos: agricultura convencional (azul), hidroponia (rosa) e aeroponia (laranja). À esquerda, considera-se uma dieta com um único alimento (batata doce); à direita, uma dieta balanceada. Figuras 12 e 13 no artigo.

Outros desafios

Mesmo sem entrar no mérito da viabilidade uma nave com o tamanho de 60 campos de futebol, o artigo menciona outros desafios de tal empreendimento. O principal deles é água. Para manter a população hidratada e para permitir a produção de alimentos, centenas de milhares de litros de água seriam necessários por ano. Na estação espacial, água é obtida da urina, suor e até do ar expelido pelos astronautas. Isso é uma possível fonte, mas provavelmente não seria suficiente.

O artigo de hoje mostra que explorar outros sistemas é uma tarefa nada simples e parece muito longe da nossa realidade. Por enquanto, só podemos especular. E continuar assistindo ficção científica.

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