astronomia

Relação entre a astronomia e os elementos químicos.

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concepção artística do espaço - fonte: nasa
Concepção artística de asteroides troianos, asteroides que seguem a mesma órbita de Júpiter ao redor do Sol.

Rochas no espaço! Sim, sabemos que o espaço está cheio de rochas, mas até agora ninguém tinha planos de minerá-las por seus metais.

Por Sam Kean
A Terra não é um grande representante da tabela periódica. Noventa por cento de todos os átomos do universo são átomos de hidrogênio, o que obviamente não é verdade aqui. E há também uma distorção elementar mais sutil: vários metais de transição no meio da tabela periódica – platina, ouro, ródio, paládio, irídio, ósmio e outros – são bastante raros em todo o cosmos, mas são ainda mais raros na crosta terrestre. Esses elementos não se ligam bem ao carbono, oxigênio, enxofre e outros elementos formadores de rochas. Em vez disso, eles são siderófilos – amantes do ferro – e eles em sua maioria ficaram enfurnados no núcleo de ferro fundido da Terra a muito tempo. Os altos preços que esses elementos atingem – a platina vale US $ 20 mil por libra [0,45kg] – refletem sua raridade e refletem o fato de que estamos sempre em busca de mais.

Nós podemos ter encontrado. Por causa da devoção servil de metais siderófilos ao ferro, existe outra fonte lá fora – bem longe, dentro de asteroides ricos em ferro. Asteroides podem parecer tão inacessíveis quanto o núcleo da Terra, mas algumas novas empresas – apoiadas por bilionários da tecnologia e apoiadas pelo recente sucesso de voos espaciais privados – anunciaram planos de minerar asteroides e tomar a recompensa, especialmente a platina, de volta à Terra. Alguns asteroides têm concentrações de platina vinte vezes mais ricas do que minério extraído da Terra, o que poderia gerar um lucro de bilhões. Uma empresa calculou que mesmo um modesto asteroide (1.600 pés de largura [487 metros]) poderia liberar mais platina e alguns outros metais do que os seres humanos jamais exploraram na história.

(E – pssst – não conte aos investidores, mas mesmo no caso provável de que esse esquema fracasse, o resto de nós deve encorajá-lo, porque a tentativa de extrair asteroides seria um benefício imensurável para a ciência.)

Primeiro, a logística. Nos próximos dois anos, pelo menos uma dessas empresas de astromineração planeja lançar telescópios (por modestos US$ 10 milhões cada) para vasculhar os céus por candidatos promissores entre as dezenas de milhares de asteroides conhecidos em um raio de 30 milhões de quilômetros da Terra. “Promissor” aqui significa asteroides em órbitas fáceis de alcançar e ricos em platina. As empresas iriam, então, lançar sondas multiuso até esses candidatos para começarem a consumir o minério e realizar fundição. Os cruzadores espaciais presumivelmente se encontrariam com eles mais tarde e transportariam o minério para a Terra.

Alguns dos detalhes permanecem obscuros, no entanto. Uma questão é se devemos minerar e realizar fundição no espaço profundo, ou arrastar o asteroide de volta para a Terra primeiro (talvez com ímãs) e estacioná-lo em um “ponto de Lagrange”, onde o puxão gravitacional da Terra e da Lua os manteriam firmes. Também não sabemos se a fundição ou outros processos difeririam em gravidade zero. Assim, talvez as sondas precisem transmitir as análises químicas, permitindo que os cientistas encontrem rochas similares entre nossos estoques terrestres de meteoros e os lancem ao espaço para testes. Finalmente, os defensores do esquema parecem estar evitando uma lei básica da economia, que a escassez determina o preço. Inundar o mercado mundial com platina diminuiria os lucros.

Mas a beleza do empreendimento é que os investidores estão arriscando seu próprio dinheiro: o resto de nós arrisca zero e só pode se beneficiar. Como disse um escritor, “esse empreendimento de mineração de espaço será um sucesso espetacular ou um fracasso espetacular. De qualquer forma, a ênfase será no espetáculo”. E mesmo um fracasso completo de uma perspectiva empreendedora ainda pode levar a uma ciência espetacular.

Sondas humanas já pousaram em asteroides duas vezes, em 2001 e 2005. Uma espaçonave trouxe até amostras – mas apenas alguns grãos de poeira. Qualquer operação de mineração traria de volta ordens de magnitude a mais material, até mesmo como produtos residuais. Essa recompensa beneficiaria especialmente os geoquímicos: os asteroides formados ao mesmo tempo e da mesma poeira espacial que a Terra forneceriam informações valiosas sobre as matérias-primas desse processo. Os bioquímicos também poderiam examinar as rochas espaciais em busca de aminoácidos e outras substâncias químicas vitais para a vida.

Além do mais, muitos asteroides contêm cargas de gelo, e as empresas também estão considerando como desenvolver esse recurso. Analisando que o gelo poderia fornecer pistas sobre se os asteroides e cometas originalmente encheram nossos oceanos com água. Uma possibilidade ainda mais excitante seria não necessariamente trazer água para a Terra, mas aprender como explorá-la no espaço. Os astronautas poderiam beber a água ou dividi-la em oxigênio e hidrogênio, ambos potentes combustíveis de foguetes. Similarmente, poderíamos usar ferro asteroidal para construir espaçonaves já em órbita, reduzindo o custo de lançamento do poço de gravidade da Terra.

Quase por acidente, a corrida louca por ouro, prata e outras riquezas do Novo Mundo estimulou uma revolução científica e tecnológica alguns séculos atrás. A corrida por lucros no espaço profundo poderia estimular avanços similares (esperamos que desta vez sem toda a pilhagem colateral e morte). Se assim for, estudar as propriedades químicas dos asteroides – uma vez uma busca rara – poderia levar a humanidade para longe de sua calmaria pós-Apolo.

Sam Kean é autor dos best-sellers “O Duelo dos Neurocirurgiões” e “A Colher Que Desaparece“.

Este texto é uma tradução autorizada oficialmente – do original ‘Rocky Roads’ publicado na revista Distillations Magazine.

Traduzido por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle, professor na Universidade Federal do Pampa – Bagé ( luisbrudna@gmail.com ).

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A tabela periódica é composta por 114 elementos químicos bem conhecidos e caracterizados – e prestes a ganhar até o final deste ano (2016) a confirmação definitiva de mais 4 elementos químicos sintetizados artificialmente.
Mas… como surgiram todos esses elementos químicos?
Antes de tudo é bom ressaltar que os processos que envolvem o surgimento de elementos químicos não são reações químicas convencionais. São processos de fusão e fissão nuclear. Ou seja, processos em que átomos podem ser fundidos (fusão) ou divididos (fissão). De um modo geral tais eventos são conhecidos como nucleossíntese.
As nucleossínteses podem ser realizadas artificialmente pelo homem, por meio de reatores nucleares (de fissão ou fusão) ou em equipamentos destinados especificamente à nucleossíntese usando aceleração e colisão de partículas nucleares.
O primeiro processo de nucleossíntese natural foi o Big Bang, com uma produção massiva de elementos (e seus isótopos) químicos que estão ali no início da tabela periódica – hidrogênio e hélio. Tendo algum resquício de formação de lítio, berílio e boro. Sendo esses últimos 3 elementos com quantidade mais significativa em processos de fragmentação de elementos mais pesados pela ação de raios cósmicos durante os bilhões de anos de existência do Universo.
Elementos a partir do carbono podem ser formados em processos que ocorrem em estrelas. Seguindo pela tabela periódica; alguns elementos podem ser formados em estrelas não muito maiores do que o nosso Sol, enquanto que outros elementos com mais prótons e nêutrons precisam de condições mais drásticas, encontradas em estrelas mais massivas.
E o show final fica por conta da explosão de estrelas – Supernovas – que possuem massas maiores do que 10 vezes o nosso Sol. Com a possibilidade de dar vazão a vários processos nucleares de alta energia com a criação de diversos elementos presentes na tabela periódica.

Para organizar um pouco estas informações decidi adaptar uma tabela encontrada na Wikipédia.

tabela periódica com cores indicando a provável origem dos elementos químicos
– Clique para ampliar

Baixe a versão em PDF desta tabela (tamanho de folha A4)

Na verdade os processos de nucleossíntese são muito mais complexos e detalhados do que o explicado neste texto. Indico a leitura destas fontes:
http://www.revistas.usp.br/revusp/article/download/13342/15160
https://pt.wikipedia.org/wiki/Nucleoss%C3%ADntese_estelar

Leia também
O telúrio nas estrelas
Luz, elementos e astronomia

Texto escrito por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle.
OBS: Atualizado em 07 de dezembro de 2016.

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representação gráfica do interrior do planeta Terra
De acordo com a pesquisa publicada na revista Geochemical Perspectives Letters, a quantidade de enxofre presente no núcleo da Terra é cerca de 10x mais do que no seu exterior. Cerca de 8,5×10^18 toneladas – isso mesmo! – e para efeitos de comparação, esta quantidade significa 10% da massa total da (nossa) Lua.
Para realizar este estudo foi necessário utilizar métodos geoquímicos indiretos para sondar o interior do núcleo da Terra; pois é impossível investigá-lo diretamente, devido à grande profundidade da região investigada.

Por muito tempo o núcleo da Terra era conhecido basicamente por conter elementos como ferro e níquel, mas presumia-se que o núcleo conteria também elementos mais leves, como: enxofre, silício, oxigênio e carbono.

Pesquisadores dizem que quando a Terra colidiu com um imenso corpo celeste (em um passado distante), arrancando parte do nosso planeta dando origem a nossa Lua, ocorreu a fenômeno relacionado com esta grande quantidade de enxofre, pois as evidências demonstram que provavelmente o impacto da colisão derreteu parte do manto da Terra, permitindo que um líquido rico em enxofre advindo do núcleo da Terra revestisse uma vasta camada entre o núcleo e a crosta terrestre.

Paulo Savage, do Departamento de Ciências da Terra da Universidade Durham, Reino Unido, investigador deste estudo, diz: “Estimamos que a quantidade de enxofre no núcleo é muito grande, em torno 8,5×10^18 toneladas Além disso, o trabalho reforça a teoria de que a Lua foi formada durante uma colisão entre a Terra e outro corpo celeste.”

Professor Graham Pearson, co-editor da Geochemical Perspectives Letters, comenta também: “A presença e a identidade de outros elementos no núcleo da Terra tem sido um dos problemas mais duradouros em geoquímica. Savage e colegas fornecem evidências muito elegantes, usando isótopos de cobre como traçadores, da realocação de grandes quantidades de enxofre do manto primitivo da Terra para o núcleo. Assim, o núcleo acaba por ser um bom lugar para se esconder quantidades muito substanciais de outros elementos além do ferro e níquel. Este estudo certamente irá incentivar outras pessoas a persistir na busca de evidências de outros elementos no núcleo – dados que são extremamente necessários para completar a nossa compreensão de como a Terra se formou e qual é o balanço de massa geoquímico da nossa Terra.”

Fonte: Earth’s core contains lots of sulphur

Artigo original em
Copper isotope evidence for large-scale sulphide fractionation during Earth’s differentiation

Texto escrito por Bruna Lauermann.

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imagem da sonda new horizons da nasa
A sonda espacial New Horizons passou por Plutão, o planeta-anão, em julho deste ano (2015) após 9 anos e 8 meses de viagem. E o elemento químico plutônio faz parte dessa história.

O distanciamento cada vez maior do Sol impedia que a NASA usasse painéis solares como uma fonte de energia na manutenção dos equipamentos de comunicação. Além de significar um peso extra na sonda no transporte de uma gigante estrutura de painéis. A solução foi utilizar o isótopo radioativo plutônio-238.

A elevada radioatividade dos quase 10 quilogramas de plutônio utilizados na sonda produziam uma quantidade de calor que foi convertida em eletricidade por meio de um sistema de termopares. Tendo a equipe do projeto todo o cuidado para dimensionar o uso de energia com a constante diminuição do calor fornecido pelo sistema devido ao decaimento radioativo dos isótopos de plutônio-238.

A curiosidade é que o o elemento plutônio recebeu esse nome em homenagem ao planeta (atualmente um planeta-anão) Plutão. E foi um poético reencontro!

O Professor Sir Martyn Poliakoff, da Universidade de Nottingham na Inglaterra, revela mais detalhes no vídeo abaixo.

Vídeo com legendas em português. Ative as legendas pelo botão CC que aparecerá no vídeo.

Não é necessário ter preocupação com o uso desse tipo de material radioativo em sondas especiais. Não existe perigo de uma explosão nuclear durante o lançamento, ‘apenas’ o risco de contaminação radioativa do local da queda do foguete em caso de falha no lançamento.

Texto escrito por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle.

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jipe usado na missão apollo 17
Jipe usado na Lua durante a missão Apollo 17 (1972)

A Lua normalmente era considerada como um bom exemplo de um local livre de substâncias voláteis. No entanto, a história geológica do nosso satélite natural revela um passado vibrante e com semelhanças terrestres.

Em estudo publicado recentemente na revista científica Nature Geoscience um grupo de pesquisa, liderado por Diane T. Wetzel, investigou novamente as concentrações de carbono presentes em vidro vulcânico de amostras coletadas nas missões Apollo 15 e 17. As técnicas analíticas mais modernas permitiram um aprofundamento das informações que podem ser obtidas nessas amostras, e com isso foi possível perceber que as antigas erupções vulcânicas que ocorreram na Lua foram impulsionadas também por um processo de degaseamento (saída de gases) de monóxido de carbono (CO).

Em 2008, um artigo publicado por Alberto E. Saal e colaboradores já detalhava a presença de água nesse tipo de vidro vulcânico lunar em erupções que ocorreram a 3 bilhões de anos. Além disso demonstraram a presença dos elementos flúor, hidrogênio, enxofre e cloro em níveis condizentes com magma que possui uma similaridade em concentrações de voláteis com aqueles encontrados no manto superior na Terra.

Os dados obtidos por Wetzel também indicam que a quantidade de gases liberados durante as erupções lunares foram o suficiente para criar um efeito de ‘fontes de fogo’ (fire fountain) semelhantes aos vistos em erupções vulcânicas na Terra.

“Embora mais dados ajudariam a confirmar nossa hipótese, as evidências apresentadas sugerem uma origem em comum nos voláteis na Terra e Lua, e resulta em um importante reforço nos modelos de formação e evolução lunar”, conclui o artigo.

Artigo original em
Volatile content of lunar volcanic glasses and the presence of water in the Moon’s interior.
SAAL, Alberto E. et al. – Nature, v. 454, n. 7201, p. 192-195, 2008.

Texto escrito por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle.

Veja também
Titânio na Lua

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mosaico de imagens de plutão
Plutão, o (ex-)planeta gelado (atualmente um planeta anão), tem como seu principal componente na atmosfera o gás nitrogênio (N2). De acordo com o estudo recente feito pela NASA, por meio da sonda espacial New Horizons, foi visto que centenas de toneladas de nitrogênio da atmosfera de Plutão são perdidos hora após hora para o espaço, tendo isso origem no aquecimento causado pela luz ultravioleta proveniente do Sol.

Dr. Kelsi Singer, pesquisador de pós-doutorado no Southwest Research Institute, e seu mentor Dr. Alan Stern, vice-presidente da associação SwRI assumiram a liderança na pesquisa por meio da New Horizons para se entender a “Origem do nitrogênio de Plutão”, e a grande questão é: de onde vem todo esse nitrogênio? Pois cada vez que o nitrogênio é liberado de Plutão, há uma necessidade que ele seja reabastecido para manter uma atmosfera ao seu redor.

Singer e Stern analisaram inúmeras maneiras diferentes que como o nitrogênio poderia ser suprido. Questionaram se seria possível cometas conduzir nitrogênio suficiente para Plutão. Foram analisadas as crateras feitas pelos cometas que atingem a superfície, e que poderiam liberar o nitrogênio preso no solo – mas isso exigiria uma camada muito profunda de gelo de nitrogênio na superfície, o que não é comprovado. A equipe também estudou se crateras poderiam ser mais fundas, atingindo o “interior” de Plutão.
“Descobrimos que todos estes efeitos, sendo o principal a formação de crateras, não parecem fornecer nitrogênio suficiente para abastecer a atmosfera que está escapando ao longo do tempo”, continuou Singer. “Embora seja possível que a taxa de fuga não era tão alta no passado como agora, pensamos que a atividade geológica está ajudando a trazer o nitrogênio que está no interior de Plutão.”

“Nossa previsão é que é o mais provável que Plutão seja reabastecido ativamente com o nitrogênio do seu interior para sua superfície, possivelmente significando então uma presença de gêiseres ou criovulcanismo em curso”, disse Stern.

Fonte: Astrobiology Magazine

Veja o artigo em
On the Provenance of Pluto’s Nitrogen
Kelsi N. Singer and S. Alan Stern 2015 ApJ 808 L50 doi:10.1088/2041-8205/808/2/L50

Texto escrito por Bruna Lauermann.