UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

Instituto de Astronomia e Geofísica

IAG-USP

Estudo Dirigido:

Plutão – A Estrela Rei do Submundo

Profª. Dra. Silvia Rossi

Fundamentos de Astronomia

Disciplina: AGA00215

Alunos:

Hugo Prazeres - Número USP: 7160687

José Nuñes – Número USP: 8466582

Mariana Mazzi – Número USP:XXXXXXX

Rudger – Número USP:YYYYYYY

São Paulo, 01 de Julho de 2013.

Introdução

Plutão na mitologia romana é o deus mortos, e era o senhor da felicidade ou da desgraça pós a

morte. Pluto, era, na verdade, o epíteto de Hades, a terra dos mortos da mitologia grega e o próprio nome

do deus dos mortos nessa cultura. Ficou conhecido, Pluto, como o submundo, aquele que era inseguro,

desconhecido, inóspito, e, principalmente, tal qual é a morte, o lugar mais distante dos homens; desejado e

igualmente temido.

Seu nome, também, foi sugerido para acompanhar uma cultura popular, pois a divulgação cientifica

estava em seus bons momento brilhantes; com a sugestão conforme o personagem Pluto da Disney, par que

se torne anda mais popular a descoberta do nono planeta.

Os planetas do Sistema Solar recebem nomes dos deuses da mitologia, e o último dos endoplanetas

recebe o nome de Plutão. Descoberto na década de 1930, com registro feitos pela Harvard College

Observatory, muito após as previsões feitas pelos astrônomos a partir da mecânica newtoniana. Hoje, Plutão

já não é mais considerado um planeta, mas sim um planeta-anão, pois viola as condições da União

Astronômica Internacional.

Existe hoje poucas informações disponíveis sobre Plutão, devida sua distância, e sua pouca

atividade energética. A sonda New Horizons chegará em Plutão em 2015, para confirmar ou redescobrir as

expectativas teóricas a espeito de sua atmosfera, sua composição física e sobre suas luas.

Contrato de Locação

Plutão for alocado ao grupo para que seja administrado. O trabalho se encarregará de descrever o

novo sítio e de tratar das condições físicas do local. O trabalho fará algumas suposições para que seja

possível (quase) todo o corpo da discussão, pois, não admitindo muitas situações ideais, viver em Plutão

seria tão impossível que, provavelmente, não se cogitaria a não ser que não restasse outra solução à

humanidade.

Admitamos que as viagens espaciais estão tão desenvolvidas quanto se precisa que esteja: é possível

ir e vir de Plutão com facilidade; é possível carregar e transportar qualquer qualidade de recurso, por mais

caro que seja essa comunicação. Será igualmente ignorado os gastos com energia: ao propor alguma fonte

de obtenção de energia (como nuclear, química, geofísica), será admitido que além de existir tecnologia

eficiente para isso (ainda que nem na Terra existem mecanismos suficientemente eficientes), seu custo não

será um problema para os novos habitantes deste planeta-anão.

Por fim, admitiremos que as únicas limitações são as próprias características de Plutão que não

puder ser restaurada, adaptada ou, até mesmo, criada com os recursos importados da Terra.

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A Estrela Rei do Submundo

1ª Parte – Descrição de Plutão

A União Astronômica Internacional (UAI) 1 determina que um planeta deve satisfazer as três

condições seguintes para ser classificado como planta:

1. É necessário que o corpo celeste em questão possua órbita ao redor do Sol.

2. O Corpo celeste precisa, necessariamente, atingir o equilíbrio hidrostático a partir de sua própria

gravidade; por consequência, precisa ser suficientemente massivo para que possua dimensões

esféricas.

3. Se 2. É satisfeito, é necessário que, mais que atinja o equilíbrio hidrostático, mas que seja

predominantemente gravitacional – A interação de forças gravitacionais seja o principal mecanismo

de estabilidade do corpo celeste em discussão.

Por esse motivo, Plutão deixa a classificação de planeta (1978-2006) e passa a ser um Planeta-Anão.

Apesar, contudo, deste grupo não querer se desapegar da classificação de Plutão como planeta, partiremos

desta definição para descrever, estudar e gerenciar nosso corpo celeste.

Plutão, este Planeta-Anão, satisfaz a condição um, da UAI, pois possui uma órbita em torno do Sol e

esta tem, aproximadamente, 248 anos terrestres2, dada sua distância média de 32,32 unidades astronômicas

do Sol (cerca de 32 vezes a distância da Terra ao Sol – 4848000 km), e período de rotação em torno do

próprio eixo aproximadamente de 6,4 dias terrestres, por resultado de seu diâmetro, de valor médio, igual

2300 km (75% do diâmetro médio da Lua). A combinação dos dois movimentos rendem a Plutão a condição

de que durante os solstícios, uma vez exposta um de seus hemisférios, este ficará permanentemente dia,

enquanto o outro lado permanecerá permanentemente noite, eliminando as estações do ano, ou criando duas

novas (e únicas) estações que chamaremos: Diurno e Noturno.

Esta longevidade dos dias e noites rende uma temperatura média no planeta de 44K (-229°C), oscilando

entre máximas de 55K e mínima de 33K (-218°C à -240°C), bem como a distância do Sol, quer caracterizam

a atmosfera e a estrutura física do planeta. Além da pouca irradiação térmica do Sol, com um fluxo solar de

cerca de 900 menor3 que o fluxo recebido na Terra, e quando Plutão está distante do Sol, sua atmosfera

congela e cai sobre a superfície, também congelada. Ao aproximar-se novamente do Sol, a temperatura do

planeta se eleva, e sua superfície, até então sólida, tem a temperatura aumentada e o gelo sublima para gás.

Contudo, produz um efeito antiestufa, e inversão térmica, com pressão atmosférica circulante na vizinhança

de 0,3 atmosferas. A composição mais massiva de Plutão é, essencialmente, nitrogênio congelado, gelo de

água, e rocha. Sua composição é, porém, basicamente nitrogênio sólido (ou gelo de nitrogênio), com

ocorrência de metano e monóxido de carbono. Há, ainda, o gelo de metano, numa organização que é,

comparativamente, 1/5 da massa da Lua reunidos em 1/3 de seu volume. A densidade, portanto, flutua

entre 1,8 e 2,1 g/cm³, graças a composição de cerca de 60% rocha e 40% gelo. Sua massa, fica então, na

ordem de 1,31x10²² Kg, ou 0,24% da massa da Terra,

1 UIA – União Astronômica Internacional, http://www.iau.org/ 2 Anexo A - Resultado obtido a partir da Lei Harmônica de Kepler. 3 Anexo D – Campo de Radiação

O efeito antiestufa é, dessa forma, o resultado da solidificação do gás metano e monóxido de carbono.

Contudo, além da sublimação consequente da irradiação térmica dos raios solares, o mesmo processo

pode ser conduzido pela radiólise do metano na superfície de Plutão. Esta radiólise é conduzida pela luz

solar e por partículas carregadas encontradas na atmosfera de Plutão e em seu interior; e promove a

conversão química do metano em etano4.

Explorar esta conversão química é particularmente interessante pois existem mecanismos de

acoplamento oxidativo do metano que, cujo estágios intermediários, geram gases úteis e energéticos. Um

dos subprodutos intermediários é o metanol, que pode ser utilizado como fonte energética e combustível.

Assim com o há a produção de gás hidrogênio, altamente energético e limpo. O mecanismo é

suficientemente simples, em relação a disponibilidade de recursos, e altamente trabalhoso, pela necessidade

de altas energias ou de elementos que promovam a catálise dos reagentes. O problema de obtenção de

energia então é resolvível de maneira bastante direta, pois como estas reações envolvem elementos que

estão majoritariamente presentes em Plutão (gás carbônico e monóxido de carbono, metano, água), então é

necessário fornecer as subcondições para a reação. Estamos admitindo que uma vez tendo tecnologia

suficiente para viagem massiva e expressiva de pessoas e recursos para Plutão, o custeio com catalisadores

não é um problema. Bem como transporte de outros recursos necessários para a gerência5 do planeta.

Outro mecanismo é a decadência de minérios radioativos que produz tanto calor para a sublimação,

quanto para produzir um oceano líquido, consequência da liquefação da superfície gelada. Este oceano,

teria em média, 150 Km de profundidade no núcleo de Plutão.

O resultado dessa sublimação é particularmente interessante, pois resulta na inversão térmica, criando

uma camada de metano a uma altura de cerca de 10km a cima da superfície da superfície congelada e

alterando a temperatura para aproximadamente 36k (-237°C), o que torna a vida humana, sem nenhuma

intervenção da tecnologia terráquea, impossível.

4 Anexo B - Acoplamento Oxidativo do metano, conversão com produtos intermediários. 5 Contrato de Locação, Página XXX – Condições admitidas para execução do trabalho.

2ª Parte – Habitações

O Planeta Azul enfrentará sérios problemas de infraestrutura. Será necessário adequar, basicamente,

dois elementos de sua natureza: baixas temperaturas e nenhum gás respirável. Utilizando apenas recursos

locais, a primeira, e mais abundante disponibilidade de matéria sólida, serão os gases nitrogênio e metano

congelados. As construções poderiam acompanhar a modelagem desse tipo de material, contudo, a

exposição com o meio será inevitável, e portanto, impraticável, visto que não há gases. Entendendo que o

encapsulamento dos gases pode acontecer por câmaras de baixas temperaturas (a construção de um

gradiente de temperatura que separe o meio externo dos protótipos de habitações e o meio atmosférico do

planeta), será possível a construção de “iglus” extraterrestres. Porém, não eliminaria a necessidade de

importar gás oxigênio da Terra (ou de outros lugares da galáxia).

As rochas em seu interior são desconhecidas. Sabe-se, pelo cálculo da densidade, que trata-se de

substância massiva, mas não sua composição precisa. A sonda New Horizons chegará em missão a Plutão

em 2015, até lá, trata-se de expectativas teóricas. Uma vez construída habitações, é necessária a proteção,

majoritariamente, dos ventos solares. A pouca intensidade solar não reflete um perigo de alta exposição à

radiação, ainda que a atmosfera seja mais precária e não possua elementos, além do gases estufa, para reter

e amenizar o efeito da radiação. A Transferência Livre de Energia é suficiente para barrar a radiação, mas

os ventos solares, como a poeira cósmica que vare o planeta, configura um problema real. Diz-se a

estimativa que se Plutão possuísse uma órbita tão próxima a do Sol quanto a Terra, sal configuração e seus

ventos solares proporcionariam uma cauda como a de cometas.

Uma primeira adaptação a ser feita é em relação a pressão atmosférica: da ordem de 0,3 atmosferas, a

pressão local é muito baixa, e o organismo humano não suportaria e colapsaria. O corpo humano fica

submetido a uma pressão e gravidade muito altas durante o lançamento da Terra, e está adaptado a uma

pressão atmosférica muito alta, a chegada em Plutão necessitaria, obrigatoriamente, de uma câmara

hiperbárica, para aumentar a pressão. Os trajes espaciais o fazem, o que significa que em hipótese nenhuma

(mesmo que já não fosse cogitado pois a atmosfera de Plutão não possui os cases necessários para a

sobrevida nem dinâmica de encapsulamento suficientes para manter-se por si só é possível transitar pelo

planeta sem proteção especial.

Porém as dificuldades são tão maiores por motivos gravitacionais. A baixa massa de Plutão tem a

consequência de fazê-lo um plante de gravidade6 baixa, g = 0,65, ou seja, 0,06 vezes que a gravidade na

Terra. A construção de estruturas fica prejudicada e restrita a pequenos portes, sem, é claro, o uso de

tecnologia, tanto para sustentação das edificações, quanto para a sustentação dos organismos vivos

acostumados a atmosfera terráquea. É necessário a construção, no mínimo, de bases que sejam parecidas,

em lógica de funcionamento, com a Estação Espacial Internacional, quanto o aumento da gravidade e o

confinamento dos gases essenciais.

6 Anexo B – O cálculo de Newton da Gravidade

3ª Parte – Características Físicas

Possivelmente a composição química de Plutão, apesar de não conhecia, seja parecido com os

demais planetas sólidos do Sistema Solar, pensando, exclusivamente, no princípio da simetria. Contudo,

ainda que os planetas Mercúrio, Vênus, Terra e Marte, sejam todos compostos basicamente e

predominantemente por silicatos e basaltos, Plutão, por hipótese, não poderia ser composta por basaltos,

pois necessitaria de uma fonte ígnea que a transformasse. Contudo, silicato, é uma constituição plausível

pois está em acordo com a teoria da formação por metano, etano, hidrocarbonetos que poderiam formar

silicatos.

Silicatos, contudo, só serão boas bases para as edificações na falta de outros tipos de estruturas

sólidas. Pois, ainda que apresentem-se nesse estado sob condições ambientes favoráveis na atmosfera de

Plutão, e essas rocha minerais possuem baixa inclinação para forças de cisalhamento (tensão de corte) dada

sua estrutura cristalina, a sua maleabilidade é baixa, e seriam necessários grandes sólidos para serem

esculpidos, tornando impraticável grandes construções ou grandes aplicações.

A Formação rochosa de Plutão pode, ainda, estar alicerçada sob os principais grupos não –silicatos,

como as magnetitas, uma associação do elemento Ferro e oxigênio. Essa hipótese é equiprovável quando

se pensa na evolução estrelar quando elementos sofrem decadência radioativa e caem para Ferro.7

A forte presença de silicatos pode fornecer outra fonte de obtenção de energia, que é a utilização

do metano como queima. Obviamente, utilizar o oxigênio importado para respiração na mesma combustão

do metano é antiprático, pois seria pouco eficiente importar um recurso e consumi-lo em outra atividade

senão a da respiração dos moradores de Plutão. Desta forma, o oxigênio pode ser obtido pela extração dos

silicatos (através do processo de Born-Haber)8, ou dos próprios gases carbônicos presentes na composição

do planeta-anão. Processo muito custoso e que consome, também, muita energia. Mas é uma das soluções.

Torna-se contraproducente a medida que para obtenção de oxigênio para utilizar na queima de metano para

obtenção de energia, consome mais energia que seu saldo final9, ainda assim é uma hipótese, caso fontes

alternativas, como nucleares estejam disponíveis, ou que seja reciclada outras fontes de energia, como a

partir de energia térmica de outros mecanismos.10

Seria, portanto, necessário a importação de recursos de quaisquer outros planetas, e, inclusive, da

Terra.

7 Hipótese do Tunelamento Quântico. Hipótese só verdadeira se provado que o próton não sofre decaimento radioativo. Referência 7, Bibliografia. Não será discutido por ser um processo muito complexo e que foge ao objetivo deste trabalho. 8 Processo de Born-Haber, referência 7, Bibliografia. Não será discutido pela sua complexidade e fuga dos objetivos do trabalho. 9 A reação Química entre metano e monóxido de carbono fornece uma energia de 12kcal/mol. Rídiculo. Anexo C. 10 Este grupo achou que seria inapelavelmente forçado dizer que neste futuro próximo quando habitarmos Plutão, os Demônios de Maxell já terão sido dominados, as Leis da Termodinâmica vencidas, e o Moto Contínuo criado. Desta Forma, o processo proposto é inviável de maneira bastante evidente.

4ª Parte – Ecossistema

O ecossistema mais próximo do conhecido na Terra é o da taiga, contudo, em Plutão a taiga deveria

ser uma taiga muito mais rigorosa, pois as temperaturas características, na Terra, são por volta de no

máximo -54°C e as temperaturas de Plutão oscilam próximas à-229°C. Contudo, estas baixas temperaturas

tornam inviáveis qualquer mecanismo metabólico conhecido na Terra. Então, se existirem algum tipo

vegetal, será totalmente extraterrestre, dificilmente tão próximo ao encontrado aqui. Contudo a falta de

disponibilidade imediata de água em Plutão pode ser “facilmente” revertida com a exploração de seu satélite,

Caronte. Que é, segundo dados observacionais do observatório Gemini, o principal elemento formato do

satélite: o gelo de água e cristais de água. Obviamente, esta água é provavelmente carente de muitos sais

indispensáveis ao metabolismo animal, e, inclusive, seja imprópria para consumo não só por, possivelmente,

possuir uma carga radioativa imprópria, mas ausência de certas substâncias que tornariam a água tóxica ao

organismo.

Caronte é igualmente ruim para ser habitada por possuir condições ambientais semelhantes a de

Plutão: baixas temperaturas, baixas pressões atmosféricas, e baixa gravidade (0,02g).

A existência de vida que não seja importada da Terra deverá, necessariamente, sobreviver e suportar

condições extremas de temperatura, pressão, e recursos minerais, necessários no metabolismo. Pensando,

é claro, além do tipo de respiração, que for uma espécie dativa de Plutão, não poderá depender do oxigênio,

bem como poderia depender na Terra. Mesmo os organismos extremófilos possuem condições mínimas pa

seu metabolismo. As temperaturas baixas seriam, provavelmente, o fator mais limitando, pois muitos

processos necessariamente endotérmico, naturais do metabolismo celular, não seriam possíveis nessas

condições.

Infelizmente, Plutão é um planeta totalmente simples em relação a composição biótica: Não existe.

Não há mecanismos de sustentação de uma cadeia de vida sobre as condições naturais do planeta nem de

seus satélites. Os ventos altamente radioativos também não permitiriam a vida “saudável” e sem mutação

de nenhuma estrutura que não utilizasse proteção, ou que não fosse resistente; não é conhecida estruturas

assim na Terra, contudo, a sonda New Horinzons quando chegar em seu solo, deverá reconhecer algum

organismo.

Considerações Finais

Plutão, o nono planeta do Sistema Solar e agora rebaixado à planeta-anão, é um planeta extremamente

inóspito. Suas condições físicas não sugerem facilidade em obtenção de recursos essenciais ao

desenvolvimento da vida no local: falta elementos estruturais, faltam recursos minerais, estabilidade do

solo e da atmosfera (ora rarefeita, ora inexistente dada a sua sublimação); falta irradiação, e, a princípio,

até a confirmação pela Sonda New Horizons, faltam meios de obtenção de água líquida e gases essenciais.

Embora todos esses recursos possam ser “facilmente” levados do planeta Terra para lá – Uma vez

suposta que a tecnologia para a viagem espacial é dominada, e que não faltariam recursos para custear esses

transportes – tornar-se-ia inviável fazê-lo, pois os ganhos seriam muito menores que os investimentos: é

um trabalho bastante caro manter a vida em Plutão, e as condições de vida não seriam nada favoráveis, e

deverão ser, quase que em sua totalidade, artificializadas pelos homens.

Contudo, ainda tratar-se-á de um planeta simpático e bastante interessante para se explorar.

Anexo A – Lei Harmônica de Kepler

A formulação newtoniana da Terceira Lei de Kepler é obtida a partir da Lei da Gravitação Universal.

Supomos que dois corpos de massas M e m que possuam respectivamente velocidades de translação

em suas órbitas iguais a V e v, possuam raios de órbita, também respectivamente, iguais a R e r. A Atração

Gravitacional entre esses corpos é dado por:

𝐹𝐺 =𝐺. 𝑀. 𝑚

(𝑅 + 𝑟)2

Como para que seja descrita a órbita, é necessário que cada força, individualmente em cada corpo, seja

tomada como uma força do tipo Força Central, e portanto dada geneticamente (para determinador corpo “i”

qualquer) por:

𝐹𝑖 =𝑚𝑖𝑣𝑖²

𝑟𝑖

Da mesma maneira que a velocidade pode ser tomada arbitrariamente por:

𝑣𝑖 =2𝜋𝑟𝑖

𝑃𝑖

De maneira que:

𝑣𝑖 =2𝜋𝑟𝑖

𝑃𝑖→ 𝑣𝑖² =

4𝜋²𝑟𝑖²

𝑃𝑖²

Então é possível encontrar a relação:

𝐹𝐺 = 𝐹1 = 𝐹2 =𝐺. 𝑀. 𝑚

(𝑅 + 𝑟)2=

𝑀𝑉²

𝑅=

4𝜋²𝑀𝑅

𝑃²=

𝑀𝑣²

𝑟=

4𝜋²𝑚𝑟

𝑃²

E facilmente obtemos:

𝑃2 =4𝜋2(𝑅 + 𝑟)³

𝐺(𝑀 + 𝑚)

Cuja comparação com o enunciado de Kepler rende o resultado:

𝑃2 = 𝐾. 𝑎3 → 𝐾 =4𝜋²

𝐺(𝑀 + 𝑚)

Anexo B – O cálculo de Newton da Gravidade

A lei da Gravitação de Newton é obtido pelas leis da Mecânica Clássica, a partir de uma força do

tipo dependente do inverso do quadrado da distância. Na formulação analítica, é dada por:

𝐹(𝑟) = −𝐾

𝑟²

Que no caso da Gravitação Universal, K é expressão em função das massas interagindo:

K = G M m

E portanto tem-se:

𝐹(𝑟) = −𝐺 𝑀 𝑚

𝑟²

Que, suficientemente próximo da Terra, onde apenas a Força Peso pode ser relevante, é possível a

equiparação dos módulos das forças de atração gravitacional e a própria resultante de forças, dessa maneira:

|�⃗�| = |𝐹(𝑟)⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ | → 𝑚�̈� =𝐺 𝑀 𝑚

𝑟2→ �̈� =

𝐺 𝑀

𝑟²→ �̈� = 𝑔 =

𝐺 𝑀

𝑟²

O que torna possível a comparação das gravidades cm a gravidade conhecida na Terra da seguinte

forma:

𝑔𝑃

𝑔𝑇=

𝐺 𝑀𝑃 𝑟²𝑃

𝐺 𝑀𝑇

𝑟²𝑇

→ 𝑔𝑃 =𝑀𝑃

𝑀𝑇(

𝑟𝑇

𝑟𝑃)

2

. 𝑔𝑇

Anexo C – Acoplamento Oxidativo do Metano

Os mecanismos de oxidação do metano envolvem reações intermediárias que, se controladas,

podem servir para o gerenciamento do planeta Plutão enquanto manutenção das fontes de energia. Se

Metano é um dos gases em abundância, a radiação ionizante, seja a eletromagnética do Sol ou obtida a

partir da decadência dos minérios radioativos de Plutão, pode converter o Metano em vários estágios com

subprodutos diferentes, e interessantes para a vida do homem no planeta. Seguem as reações intermediárias

do acoplamento oxidativo do Metano:

𝐶𝐻4 + 𝐶𝑂 + 𝐻2 → 𝐶𝐻3𝑂𝐻 → 𝐶𝐻2𝑂(𝑖)

𝐶𝐻4 + 2𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2𝑂(𝑖𝑖)

𝐶𝐻3 +1

2𝑂2 → 𝐶𝑂 + 𝐻2(𝑖𝑖𝑖)

2𝐶𝐻4 +1

2𝑂2 → 𝐶2𝐻6 + 𝐻2𝑂(𝑖𝑣)

𝐶𝐻4 +1

2𝑂2→𝐶𝐻30𝐻(𝑣)

𝐶𝐻4 + 𝑂2 → 𝐶𝐻2𝑂 + 𝐻2𝑂(𝑣𝑖)

𝐶𝐻2𝑂 +1

2𝑂2 → 𝐶𝑂 + 𝐻2𝑂(𝑣𝑖𝑖)

Anexo D – Campo de Radiação

Uma característica importante para a análise da compatibilidade da vida em Plutão (ou e qualquer

outro corpo celeste) é a radiação. Supondo que as condições da Terra são ideais pra a vida, uma vez que

os seres vivos terráqueos estão bem adaptados a essa disponibilidade de energia irradiada, a comparação

dos fluxo de energia é bastante interessante, pois se o fluxo no local desejado tiver grandeza apropriada e

em torno da vizinhança das características na Terra, este será um bom candidato a habitação.

Para uma estrela distante r do Sol, o fluxo na sua superfície será dado pela expressão:

𝐹(𝑟) =𝐿

4𝜋𝑟²

Onde L é a Luminosidade do Sol, e é energia total emitida por unidade de tempo. Dessa forma, se

L é uma constante, é fácil observar que a dependência do Fluxo e a relação em comparação entre dois

corpos é:

𝐹1

𝐹2=

𝐿4𝜋𝑟1

2

𝐿4𝜋𝑟2

2

→𝐹1

𝐹2= (

𝑟2

𝑟1)

2

Bibliografia

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