Isaac Newton anuncia em 1686 sua teoria da gravitação universal, que assenta as bases para o uso dos satélites artificiais. Mais tarde, em 1903, o russo Konstantín Tsiolkovski publica o primeiro tratado acadêmico sobre o emprego de foguetes para colocar objetos em órbita ao redor da terra.
O engenheiro esloveno Herman Potocnik descreve em em 1928 o uso de naves orbitais para observação pacificas e militares e como se poderia utilizar as condições do espaço para realizar experimentos científicos, assim como, a possibilidade de satélites geoestacionários.
Em 1945 o escritor britânico de ficção cientifica Artur C. Clarke indica a possibilidade de estabelecer uma rede de satélites de comunicações, afirmando que três satélites geoestacionários situados a 120° cada um, proporcinariam a cobertura completa do planeta.
O lançamento do primeiro satélite artificial da Terra, o Sputnik 1, em 4 de outubro de 1957, marca o início
da Era Espacial. O Sputnik, era uma esfera de alumínio de 58 cm de diâmetro e 84 kg de massa, com instrumentos rudimentares e um transmissor de rádio. Entrou em órbita elíptica entre 230 e 942 km de altura.
Um mês depois a URSS pôs em órbita o segundo Sputnik, de meia tonelada, com uma cadela de nome Laika a bordo,
usando um foguete com empuxo de centenas de toneladas. O primeiro satélite lançado pelos EUA com sucesso foi o pequeno Explorer 1, de 8 kg, em 31 de janeiro de 1958. A vida útil desses primeiros satélites em geral não passava de poucas semanas.
A URSS atingiu a Lua com uma sonda de impacto (Luna 2) em setembro de 1959. No mês seguinte, com a Luna 3, obteve imagens da face da Lua que nunca é vista da Terra.
E a partir desta data, o homem colocou satélites artificiais em órbita de quatro outros astros do sistema solar: em 1959, o Luna I, em torno do Sol; em 1960 os EUA lançaram um satélite meteorológico (Tiros 1), um satélite de navegação (Transit 1B) e um satélite passivo de comunicações (Echo 1).
Este último era um enorme balão esférico inflado no espaço para refletir as ondas de rádio. Ao findar aquele ano já tinham entrado em órbita 44 satélites.em 1966, o Luna X, em torno da Lua; em 1971, o Marine IX, em torno de Marte; e, em 1975, o Venua IX, em torno de Vênus.
Em 1993, o Brasil lançava o seu primeiro satélite, o SCD-1 (Satélite Brasileiro de Coleta de Dados-1).
Na década de 1960, os satélites começaram a influenciar, de maneira efetiva, o nosso cotidiano com o lançamento, em 1962, do satélite TELSTAR e, em 1965, do INTELSAT-1.
Iniciava-se, assim, a rede mundial de comunicação por satélite, a qual possibilitava o envio de imagens de televisão ao vivo.
Desde então, satélites de variados tipos e configurações são colocados orbitando a terra e no âmbito espacial independentemente das condições sócio-politicas a ciência busca responder as perguntas fundamentais, tais como, a origem da vida, novos materiais, entre outras, através de experiências que somente podem ser realizadas em um ambiente com condições especiais, como as encontradas fora da atmosfera terrestre.
Com este propósito foi colocado em orbita, o projeto da Estação Espacial Internacional que um exemplo dos objetos que orbitam ao redor da terra.
O termo “estação espacial” foi cunhado pelo romeno Hermann Oberth em 1923, que a concebeu com a forma popular de um toróide posto em lenta rotação, e já lhe atribuiu objetivo de entreposto para futuras missões para a Lua e Marte. Em 1928 o austríaco Herman Noordung apresentou os primeiros esquemas para uma possível estação, já considerando o lançamento por meio de foguetes e sua divisão em módulos com diferentes funções.
Os passos seguintes foram dados pelo alemão Wernher von Braun, que em 1946 apresentou aos militares americanos planos para uma estação espacial. Após aperfeiçoamentos, ele os publicou em 1952 na forma de artigos e documentários com planos preliminares que incluíam dimensões e órbita.
Neles a estação mantinha a arquitetura toroidal como forma de garantir um ambiente de gravidade artificial. A ela ele atribui as funções de observação da Terra, laboratório, observatório astronômico e entreposto para missões destinadas à Lua e a Marte, basicamente as mesmas funções atribuídas à Estação Espacial Internacional (International Space Station – ISS) dos dias atuais.
Vale assinalar que a primeira estação espacial da historia foi a Salyut 1, lançada em 1971.
Entre 1971 e 2001, a União Soviética, depois a Rússia apenas, desenvolveu lançou e operou três gerações de estações espaciais. A primeira geração incluiu as naves Salyut 1 a 5 e durou de 1971 até 1977.
A segunda incluiu as Salyut 6 e 7 de 1977 a 1991. A terceira geração, a primeira de estações permanentes, foi a nave MIR, que teve sua montagem iniciada em 1986 e que foi operada até 2001, ano de sua retirada
de órbita. Com a sua entrada no programa da ISS, os esforços para o desenvolvimento de uma estação sucessora da MIR foram redirecionados para o desenvolvimento da parte russa da ISS, derivada dos planos originais daquela que seria a MIR 2, que acabou não se realizando.
Os satélites possuem diversas utilidades para a humanidade e estão diretamente relacionados a muitas das tecnologias de informação e comunicação utilizadas pelo homem atualmente, como TV, internet e telefonia celular. Além disso, os satélites dão uma imensa contribuição para o estudo dos fenômenos da natureza no planeta Terra, bem como a observação dos planetas do sistema solar, e até outros astros mais distantes. Existem ainda alguns satélites com finalidades pouco convencionais, como é o caso do satélite Celestis, que carrega cinzas de pessoas cremadas (CORRÊA, 2010).
Satélites de pesquisa em recursos naturais: permitem obter diversos tipos de informações, como pesquisas sobre o magnetismo terrestre, a atmosfera e ionosfera, mapeamento de recursos naturais (oceanos, mares, rios, lagos, terras, florestas) e coleta de dados de morfologia do solo.
Esses satélites tem uma importância em especial para a Geografia, pois os dados coletados por esse tipo de satélite, expressados acima são temas de grande interesse dessa área de estudo (CORRÊA, 2010).
Satélites astronômicos: São basicamente sondas, que fazem a coleta de dados astronômicos de planetas, galáxias, estrelas, meteoros e meteoritos dentre outros. Inicialmente essas sondas orbitam a Terra para só depois se encaminharem ao planeta de destino, por isso consideramos que as mesmas se comportam, durante certo tempo, como satélites (CORRÊA, 2010).
Um dos satélites astronômicos mais conhecidos é o Hubble que é um telescópio óptico lançado pelos Estados Unidos no ano de 1990.
Satélites meteorológicos: são utilizados para estudo e análise do clima do planeta e das suas intempéries. Uma análise bem detalhada e livre de grandes alterações só pode ser feita a partir do espaço, onde o satélite pode coletar dados precisos sobre distribuição das nuvens, correntes marítimas nos oceanos, os principais processos atmosféricos, verificar o nível da irradiação térmica da Terra para o espaço, detectar a formação de furacões, dentre outros (CORRÊA, 2010).
Satélites de telecomunicação: possuem uma importância que merece destaque. Eles são responsáveis pela recepção e envio dos sinais de telefonia celular, algumas modalidades de internet e de TV. O Brasil tem um satélite desse tipo, que foi posto em órbita pela empresa Embratel, chamado Brasilsat (CORRÊA, 2010).
Em 1990 a empresa Motorola colocou em marcha um projeto de nome Iridium que consistiu em colocar em orbita um grande numero de satelites (66 no total, embora no inicio seriam 77), em função da camada atômica do elemento Iridium que deu nome ao projeto). Estes satélites se colocariam em grupos de onze
Iridio
em seis órbitas circumpolares (seguindo os meridianos) a 750 km de altura, repartidos de forma homogénea a fim de constituir um quadriculado que cobriria toda a terra.
Cada satélite tem o perido orbital de 90 minutos, fazendo que em um ponto dado da terra, o satélite mais próximo esteja a distância de 8 minutos.
orbitas da rede Iridium
Os 66 satelites realizam orbitas quase circulares com uma inclinação 86.4 grados a uma altitude de 750 Km da superficie da terra.
Existem 6 planos orbitais separados entre si em 30° com onze satélites em cada plano, como anteriormente mencionado.
A distância N – S entre os satélites dntro de um plano, permanece constante enquanto que a E – O entre os satélites de diferentes planos varia constantemente, diminuindo á medida que se aproximam dos pólos.
E nos pólos, onde se concentram as órbitas, há uma desconexão de células especificas dos satélites para se evitar interferências entre os mesmos.
Também há seis satélites de reserva, sendo um por plano, a uma órbita ligeiramente inferior ( 690 Km).
GPS
Satélites de navegação: têm como principal utilidade possibilitar a localização de um determinado objeto na superfície terrestre, e se divide em dois tipos: os de localização e os de posicionamento.
Os satélites de localização são mais antigos, e necessitam que o objeto que se quer encontrar na superfície da Terra emita um sinal, para que seja captado pelo satélite, e assim este indique a localização. Já o de posicionamento não necessita dessa emissão de sinal.
O segundo tipo é amplamente utilizado nos atuais aparelhos de GPS (CORRÊA, 2010).
Satélites militares: Se destinam, ou pelo menos se destinavam, a realizar o mesmo trabalho que os de navegação e localização, além de outros com caráter especificamente militar. Esse tipo de satélite foi utilizado em especial na época da Guerra Fria, onde Estados Unidos e União Soviética buscavam constantemente desenvolver aparatos militares e tecnológicos mais avançados que os da sua nação rival. Ambas as nações lançaram satélites que tinham objetivo de monitorar a nação
inimiga, e descobrir o que ela estava fazendo, com o intuito de se prepara para eventuais ataques da nação inimiga (CORRÊA, 2010).
Tipos de Satelites
Uma maneira simples de se diferenciar os diversos sistemas de satelites é pela altitude que se encontram.
Que também, é um fator chave para determinar quantos satélites são necessários para conseguir uma cobertura e a potencia necessária para a transmissão. Pois, a certo ângulo de ação da antena do satélite, a área de cobertura do mesmo será muito menor estando em uma órbita de pouca altura que em outra de maior altura.
Por consequencia, a potência necessária para transmissão em uma órbita baixa é muito inferior a necessária em casos de maior altura da órbita.
As órbitas são classificadas da seguinte maneira:
Órbita Geoestacionaria (GEO - Geostationary Earth Orbit)
É uma orbita circular com um periodo de um dia sideral, e para se obter esse periodo a órbita deve ter um raio de 42.164,2 km (desde o centro da Terra).
Órbita de media altura (MEO – Medium Earth Orbit )
Estas órbitas são as que vão desde 9.600 km até a altura dos satélites geoestacionarios, os satélites de órbita media são muito utilizados nas comunicações movéis e televisão.
Órbita de baixa altura (LEO – Low Earth Orbit )
Orbita que abrange uma distancia entre 160-2000 km e os sálites nessa órbita, os satélites nessa órbita viajam com velocidade aproximada de 27.400 km/h ou 8 km/s. Em consequência um satélite nessa órbita leva de 90 minutos para dar uma volta ao redor da Terra.
Estes satélites são usados para proporcionar dados geológicos sobre o movimento das placas terrestres e para a industria de telefonia por satélite. Possuem um ganho de banda extraordinário e uma latência (atraso) reduzida. Se projeta ter “enxames” de centenas de satélites que abarcaria todo o planeta.
A órbita LEO abrange a distância abaixo dos 5035 kilómetros, e a maioria dos satélites encontram-se muito mais abaixo, entre os 600 – 1600 Km. Nesta baixa altitude, a referida latência adquire valores desprezíveis de uns poucos centésimos de segundo.
As comunicações via
satélites possuem algumas características singulares, em primeiro lugar está o
retardo (latência), que é introduzida na transmissão de sinais a longa
distâncias. Para um satélite geoestacionário com 36.000 km de altura orbital, o
sinal necessita viajar uma distância mínima de 76.000 km, fato que introduz um
retardo de aproximados de 240 milisegundos (240 X 10 - ³ ), somente na
transmissão; na pratica o retardo é de 250 a 300 milisegundos segundo a
posição relativa do emissor, do receptor e do satélite.
Em uma comunicação VSAT-VSAT os tempos se duplicam devido a
necessidade da passagem do sinal por um hub (distribuidor) para direcionamento
do mesmo.
A titulo comparativo, em uma
comunicação terrestre por fibra óptica, a 10.000 km de distância, o retardo
pode superar 50 milisegundos (a velocidade das ondas eletromagnéticas no ar é
de 300.000 km/s, enquanto que no vidro e no cobre é de mais ou menos 200.000
km ). Em alguns casos os retardos podem
representar sérios incovenientes, ou degradar de forma apreciável o rendimento
das comunicações, se as regras (protocolos) não estiverem preparados para este
tipo de rede.
Com os satélites na LEO como já
dito, este retardo é menor, resultando em comunicações mais naturais.
Órbitas dos satélites Existe uma altura na qual o período orbital do satélite coincide com o período orbital da terra. Esta altura é de aproximadamente 35.786,04 Km, descontando-se o raio da terra e esta órbita é conhecida como cinturão de Clarke, em homenagem ao famoso escritor de ficção cientifica que foi o primeiro a propor esta idéia no ano de 1945
Vistos à partir da terra, os satélites que giram nesta órbita parecem estar imóveis no céu, e por isso são chamados satélites geoestacionários.
A órbita geoestacionária, conhecida comumente pelo acrônimo GEO (do inglês Geostationary Earth Orbit), é uma órbita circular sobre o plano do Equador da Terra como já mencionado, a 35786.04 km de altitude.
Um satélite posicionado nessa órbita gira na mesma direção e possui a mesma velocidade angular da Terra, portanto, se encontra parado relativamente a um ponto fixo sobre a Terra. Atualmente 435 dos 1071 satélites operacionais (41%) são geoestacionários (Technical Issues: UCS Satellite Database, 2013).
Isto tem duas vantagens importantes nas comunicações: permitem o uso de antenas fixas, pois sua orientação não muda e garante o contato permanente com o satélite.
Cálculo da orbita dos satélites artificiais
É possível calcular de maneira aproximada a altura de um satélite artificial mediante uma simples observação visual.
Para isso deve-se anotar a hora em o satélite desaparece na sombra terrestre e conhecer ou calcular a hora em que o sol desaparece no horizonte ( hora do poente).
Desta maneira, para um observador O, se forma o triângulo CSP da figura abaixo (sendo C, o centro geométrico da terra, o ponto S, a posição do satélite na entrada da sombra da terra (conforme desenho abaixo), e o ponto P, a posição na superfície terrestre aonde o sol se poêm.). O ponto R, é o raio da terra ( valor médio = 6371 km.).
Temos então que, o ângulo C é o produto obtido, à partir da hora de observação, menos a hora em que ocorre o poente do Sol ( ambas em horas e frações), sendo o valor dividido pelas 24 horas da rotação da terra, e o resultado multiplicado por 360°, conforme a formula abaixo:
Então a longitude se calcula mediante:
A altura do satélite será: h = l - r
figura - Orbita_Satelite
Os satélites artificiais orbitando ao redor da Terra para permanecerem girando ao redor da terra devem mover-se a uma velocidade tal que se compense a força da gravidade e não caiam na terra, porém, que não seja excessiva e abandone a órbita escapando do fluxo gravitacional da terra.
A velocidade de lançamento é a velocidade de escape da superfície da terra que é de 11,2 km/s, o que equivale a 40320 km/h.
Para um satélite orbitando a distancia r sua velocidade de translação é:
velocidade translação
Sendo que a o semicírculo maior da elipse que percorre e r o raio de distância ao foco, que neste caso é o centro da terra, e o centro médio da terra é considerado com o valor de 6371 km. G é a constante de gravitação universal que é
assim, o peso é = 
Cada satélite dá uma volta ao redor da terra em um certo tempo, o período é dado pela seguinte formula:
periodo da terra
Os primeiros satélites de comunicações tinham um período distinto de rotação terrestre, o que representava um movimento aparente no céu, isto tornava difícil a orientação das antenas, e quando o satélite desaparecia no horizonte a comunicação se interrompia.
Cada satélite projeta um cone de ação sobre a superfície terrestre, e somente as instalações que ficam dentro deste cone, conhecido como janelas, estabelecem comunicação com o satélite.
Atualmente se realiza o acompanhamento dos milhares de objetos colocados em orbita sobre a terra, estima-se que existam entre 4.000 e 5.000 satélites orbitando a Terra.
Na verdade, acredita-se na existência de aproximadamente 70.000 objetos, entre satélites e sucatas.
E alguns desses objetos podem pesar desde varias toneladas, como restos de foguetes, até alguns quilogramas.
E parte como deste material em orbita já se tornou obsoleto, pois, a vida útil dos satélites é estimada em 4 anos, este material obsoleto é chamado de lixo espacial
O lixo espacial
Segundo (RODRIGUES, José Sinésio)., o conceito de lixo espacial, também chamado de detrito espacial, pode ser descrito como objetos que foram criados pelo homem e postos em órbita, mas que não possuem mais utilidade, como satélites, naves espaciais, pedaços de foguetes que foram utilizados para pôr os satélites em órbita etc. Vale salientar que mesmo depois que sua vida útil acaba estes satélites e outros detritos ainda se mantém em órbita ao redor da Terra com uma velocidade de aproximadamente 30.000 km/h.
Cientistas apontam que a quantidade de lixo espacial, orbitando ao redor da Terra está chegando a valores preocupantes, e que o problema continua se agravando, pois muitos dos satélites e equipamentos desativados que continuam em órbita colidem uns com os outros, gerando grande quantidade de destroços, que por sua vez
podem colidir com satélites ainda em uso ou com naves espaciais, provocando grandes danos a esses equipamentos.
Infelizmente, muitas vezes se esquece de falar sobre o lixo espacial, quando se fala em preservação do planeta e no desenvolvimento de estratégias para corrigir os problemas gerados pela tecnologia utilizada pela humanidade. Muitos países firmam tratados que visam o uso consciente dos equipamentos espaciais e do controle do lixo espacial. Infelizmente muitas vezes esses tratados são desrespeitados pelos próprios países que os firmaram, como foi o caso da China que no ano de 2007 enviou um míssil à atmosfera para destruir um satélite de sua propriedade.
Milhares de destroços do satélite destruído se espalharam pelas órbitas, aumentando as chances de colisões e danos á outros satélites e equipamentos também em órbita.
Outro sério problema é o risco desses objetos atingirem a Terra. Normalmente, após a colisão, esses objetos diminuem de velocidade, e dependendo dessa diminuição, podem chegar a não ter velocidade o suficiente para manter-se em órbita, consequentemente caindo no planeta.
Os objetos de menor extensão normalmente se desintegram na atmosfera. O problema está nos objetos maiores, que podem manter-se com tamanho perigoso e provocar estragos e mortes nos locais onde cair. Alguns objetos já caíram em países como Estados Unidos, Canadá, França, Brasil e Nova Zelândia. Como se já não bastasse o problema da queda dos destroços em si, ainda existe o risco de contaminação por material radioativo, pois muitos satélites utilizam reatores nucleares para fornecer energia para o funcionamento do seu sistema. Uma eventual queda desse tipo de satélite certamente traria grandes consequências, não só pela colisão com o planeta, mas também pela contaminação radiológica que provocaria.
Se o problema não for resolvido, existe a possibilidade de não se poder mais continuar utilizando as comunicações via satélite.
Esse fato ocorrerá porque futuramente não será mais viável colocar satélites em órbita, pois as colisões com o lixo espacial certamente acarretará na destruição dos mesmos.
Existem algumas formas pensadas para tentar se resolver o problema do lixo espacial
Dentre elas estão:
A utilização de lasers instalados na Terra, que poderiam atingir o lixo em órbita e desviá-lo, fazendo com que caíssem na atmosfera da Terra e assim se desintegrasse durante a queda; o uso de redes feitas de material resistente e flexível, que poderiam pegar grandes quantidades de lixo, e logo após trazê-los para o planeta; fios de cobre e materiais magnéticos, que atraindo o lixo espacial e interagindo com o campo magnético da Terra atrairiam esse lixo de volta ao planeta; uso do chamado aerogel, que seria uma liga supergrudenta que colaria destroços e depois seria recolhida e trazida para a Terra; braço coletor que poderia agarrar os equipamentos e colocá-los em recipientes para trazê-los de volta a Terra e "espumas", que seriam corpos extremamente porosos para que os detritos em movimento passassem por dentro deles e reduzissem sua velocidade. Com essa redução de velocidade os detritos cairiam na Terra, e se desintegrariam devido ao atrito com a atmosfera.
De uma forma geral, nenhuma dessas técnicas está ainda sendo colocada em prática, tanto devido à necessidade de mais estudos quando aos valores exorbitantes de seus custos (BIANCHIN, 2008).
Além de todos esses problemas, analistas preveem que se o problema não for resolvido logo, ocorrerá a chamada síndrome de Kessler (video), que consiste no encapsulamento da Terra por uma camada de lixo espacial. Diante desse quadro, faz-se cada vez mais urgente a busca de soluções imediatas e eficazes para solucionar o problema. Abaixo temos uma figura que representa o quadro atual do lixo espacial ao redor da Terra, onde cada ponto branco representa um satélite em uso, estação espacial ou destroço. (RODRIGUES, José Sinésio.).
Representação de satélites e lixo espacial ao redor da Terra
Imagens obtidas dos satélites Landsat 1, 2, 3, 5 e 7 estão disponíveis gratuitamente na internet no endereço: http://www.dgi.inpe.br/CDSR/.
Imagens dos satélites CBERS estão disponíveis gratuitamente ao público no endereço da internet:
www.cbers.inpe.br.
Efemérides para a visibilidade de satélites
É possível atualizar os dados orbitais dos satélites..
Heavens-Above (http://www.heavens-above.com) : O melhor sitio web para obter efemérides para a observação de satélites, incluoindo detalhes de Iridium, passos da ISS e outros dados.
A partir da posição geográfica do observador (introduzida numericamente ou mediante mapas interativos), se acessa a um menú para selecionar o satélite e obter os dados de observação.
Human Space Flight (http://spaceflight.nasa.gov/realdata/tracking/index.html): Acompanhamento da ISS en tempo real, con dados atualizados no momento (NASA).
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