Todos já vimos vídeos do interior da Estação Espacial, com os astronautas a flutuar, ou a pegar num objecto e deixá-lo a pairar na sua frente, situações que indiciam a ausência de peso. Ao contrário do personagem do conto de H. G. Wells “The truth about Pyecraft”, que perdeu peso – embora, contra a sua expectativa, não tenha perdido volume – usando uma receita mágica, os astronautas flutuam porque estão sujeitos a uma gravidade residual, geralmente designada por microgravidade.

Ao contrário do que se possa pensar, não é pela distância a que se encontram da Terra que os astronautas estão “livres” da gravidade que conhecemos, mas pelo facto de estarem a “cair”, eles e a Estação onde se encontram, em volta da Terra.
Esta página da NASA explica em pormenor a relação entre “cair em direcção a” e “cair em volta de”.

Um ambiente praticamente sem gravidade é útil para a ciência por várias razões, e tem também consequências para os astronautas que têm de ser previstas e prevenidas. Uma delas tem a ver com a respiração.

Sem nos darmos conta, o ar à nossa volta, mesmo dentro das nossas casas, está sempre em movimento. A velocidade é muito baixa, por isso esse movimento nos passa despercebido. Se pensarmos na nossa respiração, o ar que inspiramos tem 78% de nitrogénio, 20,9% de oxigénio, quase 1% de árgon e vestígios de outros gases. Nos alvéolos pulmonares, uma parte do oxigénio é absorvido pela hemoglobina que existe nos glóbulos vermelhos do nosso sangue, e é libertado dióxido de carbono resultante do metabolismo celular. Assim, o ar que sai dos nossos pulmões contém cerca de 16% de oxigénio e 4 a 5% de dióxido de carbono, bem como algum vapor de água, além do nitrogénio e do árgon que não são alterados no processo de respiração.

Para referência, considera-se geralmente que uma atmosfera é deficiente em oxigénio se contiver menos de 19,5% deste gás. Se a percentagem de oxigénio vier abaixo desse valor não há risco de vida imediato para a pessoa exposta, mas a sua funcionalidade, quer cognitiva quer motora, vai diminuir de forma considerável.
Se o ar que expiramos se mantivesse na vizinhança da nossa face, ao inspirar estaríamos a introduzir uma parte dele novamente nos pulmões e, portanto, a respirar uma atmosfera deficiente em oxigénio. Isto só não acontece porque o ar que expiramos está a uma temperatura superior ao ar ambiente – sendo, portanto, menos denso do que este – e fica sujeito a forças de impulsão que o fazem subir. Chamamos convecção natural a este movimento ascendente do ar menos denso.

Movimento do ar em torno da chama de uma vela

Esta tendência natural do ar quente para subir corresponde ao princípio de Arquimedes, cuja descoberta levou o famoso cientista, segundo a lenda, a correr nu pelas ruas de Siracusa, gritando “Eureka!” (“Encontrei!”), quando no banho descobriu a forma de saber se a coroa do rei Hierão II era toda de ouro, ou se tinha prata misturada. Embora a formulação original fale num sólido mergulhado num líquido, o conceito é o mesmo quando consideramos uma porção de ar mais quente do que a vizinhança – tende a subir – ou mais fria do que a vizinhança – tende a descer.

Mas estas forças de impulsão só existem porque existe peso. Na ausência de peso, o único mecanismo capaz de afastar o dióxido de carbono da vizinhança da boca e nariz é a difusão molecular, resultante do movimento aleatório das moléculas, que é um processo mais lento do que a convecção natural. Então um ambiente em microgravidade necessita de um sistema de ventilação que promova o movimento do ar, levando o ar expirado a afastar-se da face da pessoa que respira. Se esta ventilação não existisse, os astronautas corriam o risco de serem asfixiados pela sua própria respiração.

Experiências em microgravidade

Combustão Microgravidade Fogo
Créditos: NASA / Instalação para experiências com velas em microgravidade

 

Experiências científicas feitas na Terra estão sempre sujeitas à gravidade, que pode “mascarar” os efeitos produzidos por outras causas. Um dos fenómenos onde o efeito da gravidade é mais notório é a combustão.

Por que razão a chama de uma vela tem a forma de gota que todos conhecemos? Essa forma resulta da interacção entre os gases quentes que sobem devido às forças de impulsão e o ar que se desloca ao encontro do combustível para participar na reacção. A Figura 1 mostra esse movimento do ar em torno da chama da vela.

Como as forças de impulsão são uma consequência da gravidade – só há impulsão porque há peso – o que acontecerá à chama da vela na ausência de gravidade?

Esta foi uma questão discutida durante anos pelos cientistas que estudam combustão. Uma das posições nessa discussão era que a vela não poderia arder, como pode ver-se numa citação de um livro publicado há alguns anos no nosso país [A Física do Quotidiano, Istvan Berkés, editorial Gradiva, Lisboa, 1992], onde o autor, depois de fazer a pergunta “Porque nenhum astronauta soprou as suas velas de aniversário numa nave espacial?”, responde “… pela simples razão de que é impossível acendê-las dentro da nave espacial.” E acrescenta: “A combustão na Terra é baseada na convecção térmica do ar (…) a base da chama é constantemente alimentada por ar fresco. Sem gravidade, a chama acesa durante um curto instante tomaria a forma de uma bola, mas, na ausência de aprovisionamento de ar fresco, apagar-se-ia muito depressa depois.”

Experiências realizadas, primeiro no Space Shuttle e depois na estação espacial MIR mostraram o contrário: na instalação representada na Figura 2, vária velas arderam com tempos de combustão entre 100 segundos e 45 minutos.

O oxigénio chega à chama, não por convecção do ar, como seria na Terra, mas através da difusão molecular: as moléculas de combustível difundem num movimento centrífugo até à superfície da chama, e o oxigénio num movimento centrípeto, encontrando-se na zona de reacção, onde são gerados os produtos, que também se afastam radialmente. A Figura 3 compara duas velas a arder, com e sem gravidade (ou mais precisamente, em microgravidade).

Como a difusão molecular é um mecanismo mais lento do que a convecção, a velocidade de queima é reduzida, o fornecimento de oxigénio e combustível à chama é menor, o que faz com que a temperatura da chama diminua até um ponto em que praticamente não se formam partículas de fuligem. Daí a chama não ser amarela, como estamos habituados a ver, mas azul.

A cor amarela da chama resulta da incandescência das partículas de fuligem formadas após fragmentação das moléculas do combustível (pirólise). A cor azul tem origem na excitação electrónica dos radicais C2 e CH presentes na zona de reacção, que se libertam do excesso de energia emitindo fotões. A este processo chama-se quimioluminescência.

A motivação para os estudos de combustão em microgravidade não tem apenas a ver com a investigação em ciência fundamental. Os aspectos práticos de propagação do fogo no interior da Estação Espacial têm uma importância crítica para a segurança dos astronautas. O estudo do comportamento do fogo conduz a medidas de prevenção mais efectivas.

Porque se ocorrer um incêndio a bordo, e ao contrário do que acontece nas nossas casas, eles não têm possibilidade de chamar os bombeiros!

Créditos: Quora.com – Chama “normal” e em microgravidade

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João Ventura é engenheiro mecânico e fez um doutoramento em Combustão na Universidade de Sheffield, Reino Unido. É professor aposentado do Instituto Superior Técnico, onde leccionou cadeiras da área da Termodinâmica Aplicada no Departamento de Engenharia Mecânica. Coordenou e/ou participou em diversos projectos de investigação em Fogos Florestais e Fogos Urbanos. Foi também formador na área da Segurança contra Incêndios. Um dos seus interesses sempre foi (e continua a ser) a divulgação científica. Mantém com alguma irregularidade o blogue Ciência de todos os dias (comcienciajv.wordpress.com). Numa vida paralela escreve ficção curta, de cunho fantástico, tendo participado em diversas antologias: Contos Fantásticos (1983), A Sombra sobre Lisboa (2006), Universe Pathways 2 (2006), Por Universos Nunca Dantes Navegados (2007), Contos de algibeira (2007), Grageas – 100 Cuentos Breves de Todo el Mundo (2007), Universe Pathways 4 (2007), Brinca Comigo! (2009), Almanaque do Dr. Thackery T. Lambshead de Doenças Excêntricas e Desacreditadas (2010), VaporPunk (2010), Antologia de Ficção Científica Fantasporto (2012), Vollüspa (2012), Lisboa no Ano 2000 (2013), O Resto é Paisagem (2018), Lisboa Oculta (2018), Winepunk, Ano 1/A Guerra das Pipas (2019). Publicou também em 2018 um livro de contos: "Tudo Isto Existe" (Editorial Divergência). A sua ficção curta pode ser lida no blogue Das palavras o espaço (fromwords.blogspot.com).