A pergunta parece simples e a resposta revela quase toda a mecânica orbital. A Estação Espacial não escolhe a velocidade dela: a altitude escolhida determina a velocidade necessária, e a velocidade determina o tempo de volta. Não há acelerador, não há como ir mais devagar sem cair. A posição atual da estação, com altitude, velocidade e a região do planeta sobrevoada, está em onde está a ISS agora.
Estar em órbita é errar a Terra
Isaac Newton propôs a explicação mais clara que já se produziu sobre isso, e ela vem num desenho. Imagine um canhão no alto de uma montanha muito alta, disparando na horizontal. Com pouca pólvora, a bala cai a poucos quilômetros. Com mais, cai mais longe, e a curvatura da Terra começa a importar. Com pólvora suficiente, a bala cai tão rápido para os lados que a superfície curva se afasta na mesma taxa em que ela desce, e a bala nunca chega ao chão.
É exatamente isso que a Estação Espacial faz. Ela está caindo o tempo todo, e erra a Terra porque anda rápido demais para acertá-la. Órbita não é ausência de gravidade: é queda livre com velocidade lateral suficiente.
Daí decorre o esclarecimento mais importante desta guia. A 420 quilômetros de altitude, a gravidade terrestre ainda vale cerca de 88% do valor na superfície. Os astronautas não flutuam porque escaparam da gravidade. Eles flutuam porque tudo ao redor deles está caindo junto, exatamente na mesma taxa, o que elimina qualquer sensação de peso. O nome técnico para essa condição é microgravidade, e não gravidade zero.
A conta que fixa a velocidade
Para uma órbita circular, a força gravitacional precisa fornecer exatamente a força centrípeta necessária. Igualando as duas, a massa do satélite se cancela e sobra uma relação que depende apenas da massa da Terra e da distância ao centro do planeta.
Isso tem duas consequências que valem a pena registrar. A primeira é que a velocidade de órbita não depende da massa do objeto: uma estação de 420 toneladas e um parafuso solto na mesma altitude viajam à mesma velocidade. A segunda é que a velocidade cai conforme a altitude aumenta, o que contraria a intuição de que órbitas mais altas seriam mais rápidas.
| Altitude | Velocidade | Período orbital | Exemplo |
|---|---|---|---|
| 420 km | 27.600 km/h | 93 minutos | Estação Espacial Internacional |
| 550 km | 27.300 km/h | 96 minutos | Satélites de internet em órbita baixa |
| 20.200 km | 13.900 km/h | 12 horas | Satélites de navegação por satélite |
| 35.786 km | 11.070 km/h | 23 h 56 min | Satélites geoestacionários |
| 384.400 km | 3.680 km/h | 27,3 dias | A Lua |
A linha dos 35.786 quilômetros é especial. Nessa altitude o período orbital coincide com o dia sideral da Terra, então o satélite acompanha a rotação do planeta e parece parado no céu. É por isso que antenas parabólicas ficam fixas apontando para um ponto, e é por isso que essa altitude específica é um recurso disputado.
Dezesseis amanheceres por dia
Com 93 minutos por volta, a estação completa cerca de 15,5 órbitas em 24 horas. Como aproximadamente metade de cada órbita é passada no lado iluminado e metade na sombra da Terra, a tripulação atravessa 16 amanheceres e 16 entardeceres por dia.
Isso torna impossível regular o sono pelo ciclo natural de luz, então a estação opera no Tempo Universal Coordenado, com horários de trabalho e descanso definidos por cronograma e com iluminação interna controlada. Persianas nas janelas e rotinas rígidas substituem o que o Sol faz aqui embaixo.
Cada travessia da sombra dura cerca de 35 minutos, e é nela que a estação some subitamente do céu para quem está observando do solo. O fenômeno está descrito na guia sobre como ver a ISS a olho nu.
Por que a órbita é inclinada 51,6 graus
A órbita da estação faz um ângulo de 51,6 graus com o equador, o que significa que ela sobrevoa qualquer ponto entre 51,6 graus de latitude norte e 51,6 graus de latitude sul. Todo o território brasileiro está confortavelmente dentro dessa faixa.
A escolha desse ângulo é histórica e prática. Foguetes russos partem do cosmódromo de Baikonur, no Cazaquistão, a cerca de 46 graus de latitude norte, e uma órbita de menor inclinação exigiria manobras caras ou sobrevoo de áreas povoadas com estágios descartados. Os 51,6 graus foram o compromisso que permitiu acesso a partir tanto da Rússia quanto dos Estados Unidos.
A inclinação também explica por que a estação passa em horários e direções diferentes a cada dia. Como o plano da órbita permanece aproximadamente fixo enquanto a Terra gira embaixo, cada volta cruza uma longitude diferente, e o padrão de passagens sobre um mesmo lugar se repete apenas de forma aproximada em ciclos de alguns dias.
O ar que ainda existe a 420 quilômetros
A altitude da estação fica dentro da termosfera, e ali ainda há gás. É pouquíssimo, com densidade da ordem de um trilionésimo da atmosfera ao nível do mar, mas a estação atravessa esse gás a 7,7 quilômetros por segundo, e o arrasto acumulado é significativo.
O resultado é perda contínua de altitude, da ordem de 2 quilômetros por mês em média. Sem correção, a órbita decairia até a reentrada em cerca de um a dois anos. Por isso a estação recebe manobras periódicas de reimpulso, geralmente executadas pelos motores de naves de carga acopladas.
A taxa de decaimento não é constante. Ela depende da densidade da alta atmosfera, que por sua vez depende da atividade solar: em períodos de Sol ativo, o aquecimento faz a termosfera se expandir e o arrasto aumenta bastante. Essa é a ligação direta entre clima espacial e operação em órbita baixa, tratada na guia sobre tempestade geomagnética e índice Kp.
Manobras de desvio de detritos
Além do reimpulso, a estação executa manobras de desvio quando algum objeto catalogado tem probabilidade de aproximação perigosa. A decisão é tomada com base em uma caixa de segurança em torno da trajetória e numa probabilidade de colisão calculada com antecedência de horas a dias.
A necessidade dessas manobras cresceu com a quantidade de detritos em órbita baixa. Um fragmento de poucos centímetros a velocidade orbital carrega energia cinética comparável à de um veículo em alta velocidade, e a blindagem da estação protege apenas contra partículas bem menores.
Quando não há tempo para manobrar, a tripulação se abriga nas naves acopladas, que funcionam como veículos de escape. É um procedimento raro, mas já executado mais de uma vez.
Por que descer é mais difícil do que parece
A energia envolvida em colocar algo em órbita não está principalmente na altitude, e sim na velocidade. Subir 420 quilômetros é a parte barata; ganhar 7,7 quilômetros por segundo de velocidade horizontal é a parte cara.
Na volta, essa energia toda precisa ser dissipada, e a solução é usar a própria atmosfera como freio. O aquecimento da reentrada não vem de atrito com o ar no sentido comum: vem da compressão do gás à frente do veículo, que é comprimido tão rápido que chega a milhares de graus. É por isso que cápsulas têm escudo térmico ablativo em vez de superfícies lisas.
A própria estação terá esse destino. As agências parceiras planejam encerrar a operação no início da década de 2030, com uma reentrada controlada sobre região oceânica remota, conduzida por um veículo dedicado. Estruturas grandes não podem simplesmente decair sozinhas, porque partes sobrevivem à reentrada.
Limites desta guia
Os valores de altitude, velocidade e período são aproximações para uma órbita circular média. A órbita real da estação é levemente elíptica e a altitude oscila conforme os reimpulsos, então velocidade e período variam um pouco ao longo do tempo.
A taxa de decaimento citada é média de longo prazo e muda bastante com a fase do ciclo solar. Para os números atuais, com altitude e velocidade medidas a partir de dados de rastreamento, use a página de onde está a ISS agora, e para ver outros objetos em órbita cruzando o seu céu, a de satélites visíveis hoje.