As montanhas flutuantes de Pandora são possíveis?

Quando você ama a análise científica tanto quanto eu, mesmo os elementos mais fantásticos das histórias de fantasia de ficção científica despertam sua curiosidade. Recentemente, fui seduzido enquanto assistia a Avatar, cujo mundo, Pandora, abriga montanhas flutuantes de tirar o fôlego. Eles são uma visão incrível de se ver no filme, mas poderíamos vê-los na vida real? O que a física e outras ciências planetárias nos dizem sobre esse conceito?

Para responder a essas perguntas, vamos olhar para a força creditada por suspender as montanhas de Pandora no filme que encontrei nesse site de filmes torrent: magnetismo. Empurrando essa força tanto quanto sabemos, podemos ver se um planeta ou lua com montanhas flutuantes poderia existir e definir suas características.

O que você vê acima é um mapa do campo magnético da Terra retirado da Smithsonian Magazine. Este campo é criado pela agitação do metal derretido no núcleo da Terra, e é a razão pela qual a superfície da Terra não foi esterilizada por radiação mortal. O campo geomagnético é literalmente o campo de força da Terra. No entanto, no que diz respeito aos ímãs, é relativamente fraco.

A força de um ímã é normalmente medida em tesla. Um tesla é o campo magnético no qual um condutor elétrico de um metro de comprimento carregando um ampere de corrente experimentaria 1 newton de força. Um ímã de geladeira típico tem um campo magnético de 0,001 tesla, mas o campo magnético da Terra em sua superfície é de apenas 0,00005 tesla. Isso é muito fraco e totalmente terrível para levitar montanhas. Também não há chance real do campo geomagnético de Pandora levitar montanhas. Mesmo os maiores e mais energéticos gigantes gasosos do universo possuem apenas campos magnéticos de 0,012 Tesla.

OK. Se o campo magnético do núcleo de Pandora não pode levitar montanhas, poderia haver grandes depósitos de ímãs naturais em sua superfície? Talvez. O problema é que a levitação magnética depende do diamagnetismo. Esse tipo de magnetismo surge quando os campos magnéticos criados pelos elétrons que zunem ao redor dos átomos se alinham em oposição a um campo magnético externo.

Isso cria uma repulsão entre o material diamagnético e a fonte do campo magnético. Todos os materiais exibem algum grau de diamagnetismo, então, em princípio, um campo magnético forte o suficiente poderia levitar qualquer coisa. O diamagnetismo é mais forte em materiais que se destacam na condução de eletricidade, porque os campos magnéticos criados pelos elétrons que fluem dentro deles realmente expelem os campos magnéticos externos, e os melhores diamagnetos, de longe, são supercondutores.

Supercondutores são os únicos materiais que conduzem eletricidade com resistência zero. Portanto, eles podem permanecer suspensos em campos magnéticos indefinidamente. Os supercondutores do tipo II são especialmente relevantes para nossos propósitos porque suas impurezas permitem que algumas linhas de campo magnético os penetrem, agindo como pinos invisíveis para manter o supercondutor no lugar enquanto está suspenso acima de um ímã. Este fenômeno é semelhante a como as montanhas de Pandora ficam mais ou menos no mesmo local.

Então, nossas montanhas flutuantes poderiam conter materiais supercondutores? Depende das condições planetárias ou lunares sob as quais eles existem. A teoria quântica nos diz que a maioria dos materiais precisa estar extremamente fria ou sob extrema pressão para operar como supercondutores. O lado da extrema pressão das coisas é um beco sem saída para nossos propósitos porque varia de milhões de vezes a pressão atmosférica na superfície da Terra a três quartos da pressão no núcleo da Terra.

Essas pressões vão muito além do que a atmosfera de um planeta rochoso ou lua como Pandora pode produzir. No entanto, há uma chance de que supercondutores de baixa pressão e temperatura ambiente possam existir se eles incorporarem os compostos de carbono corretos. Você pode ler sobre isso aqui:

Se não podemos contar com a pressão do ar de Pandora para sustentar grandes supercondutores, talvez possamos ajustar sua temperatura. Supercondutores do tipo II normalmente têm temperaturas de transição acima de 10 K, ou -263,15 ° C. A temperatura mais baixa já registrada na Terra foi -98 ° C, mas a temperatura mais baixa registrada em qualquer planeta rochoso foi -240 ° C, ou pouco mais de 30 K. Isso sugere que um planeta ou lua pode ser frio o suficiente para certos supercondutores do Tipo II existir, mas também significa que um planeta ou lua com montanhas flutuantes seria muito menos parecida com isso …

No entanto, estar na temperatura certa não faz sentido, a menos que haja uma maneira de grandes rochas supercondutoras surgirem em um planeta ou lua. É aí que entram os meteoritos. Os cientistas descobriram vários meteoritos com materiais supercondutores dentro deles.

Pensa-se que estes materiais foram criados pelas pressões extremas que os meteoritos experimentaram quando se formaram. A quantidade de material supercondutor nesses meteoritos era pequena, mas é concebível que em um universo tão grande como o nosso possam existir mais meteoritos supercondutores. Se eles encontrassem o caminho para um planeta ou lua extremamente fria com grandes depósitos de ímãs naturais, eles poderiam ficar permanentemente suspensos em um campo magnético. Além disso, esses supercondutores conteriam muitas impurezas que os permitiriam permanecer presos no local dentro do campo magnético.

A questão é quão forte esses ímãs precisam ser. O ímã de ocorrência natural mais comum na Terra é uma forma de magnetita conhecida como magnetita. A magnetita tem uma magnetização de massa de cerca de 92 Am² / kg, que podemos inserir nesta fórmula para determinar a intensidade do seu campo magnético a diferentes distâncias do centro do referido campo:

Combinando esta equação com uma que encontramos anteriormente para a força do campo magnético criado por nosso planeta hipotético ou magnetita da lua, podemos relacionar diretamente a quantidade de peso que está sendo levitado a uma certa altura com a quantidade de magnetita abaixo dela. No entanto, essa fórmula só funcionará se tratarmos nossos meteoritos flutuantes como supercondutores cilíndricos.

M = Massa de magnetita sob uma montanha flutuante (kg) | µ0 = Constante de Permeabilidade Magnética (4π 10–7 Tm / A) | d = Distância do Centro do Campo Magnético à Montanha Flutuante (m) | R = Raio da Montanha Flutuante (m) | σ = magnetização em massa de magnetita (Am² / kg) | W = Peso da Montanha Flutuante (N)

De acordo com essa matemática, levitar uma “montanha” que pesa apenas 1 tonelada americana com um raio de 5 pés de 300 pés no ar exigiria cerca de 2,3 bilhões de quilogramas de magnetita. Isso é cerca de sete vezes a massa do Empire State Building para suspender uma “montanha” do peso de um carro pequeno! Sinta-se à vontade para usar essas fórmulas para encontrar diferentes combinações de altura, raio e peso da montanha. Não importa como você ajuste os números, é claro que nossas montanhas flutuantes precisariam existir em um planeta ou lua com uma grande abundância de magnetita. Mas isso é realista?

A magnetita é um mineral muito comum em rochas ígneas e sedimentares. Sua estrutura única permite o fluxo contínuo de elétrons entre os íons de ferro presentes nele. Esses vetores elétricos são alinhados pelo campo magnético da Terra à medida que a magnetita se forma, tornando-a levemente magnética. Para um pedaço de magnetita se tornar um ímã, ela precisa de um campo magnético externo mais forte para alinhar mais perfeitamente seus vetores elétricos. É aí que entra o raio.

O relâmpago é um evento eletromagnético extremo que cria momentaneamente campos magnéticos imensos. Se um raio atinge próximo a um depósito de magnetita, esse intenso campo magnético força os vetores elétricos no alinhamento de que precisam para produzir um forte ímã permanente.

É assim que as magnetitas se formam. No entanto, isso também cria um problema para o nosso planeta ou lua hipotética. O relâmpago é um produto do clima, que é alimentado pelo sol. Como já discutimos, qualquer planeta capaz de sustentar supercondutores naturais precisaria ser incrivelmente frio.

Planetas ultracongelados como o que mencionei orbitam estrelas muito mais fracas do que o nosso Sol, o que significa que recebem menos energia para a ocorrência de eventos atmosféricos, como relâmpagos.

Então é isso? É impossível para um planeta ultrafrio ou lua capaz de sustentar supercondutores ter os depósitos magnéticos necessários para levitá-los. Não necessariamente. Você pode ter ouvido falar de TRAPPIST-1, uma estrela em torno da qual sete planetas semelhantes à Terra foram descobertos. O que você pode não saber é que TRAPPIST-1 é uma estrela muito fraca. Na verdade, é uma anã ultracool, o mesmo tipo de estrela orbitada pelo planeta mais frio já descoberto.

Como pode ser isso? O TRAPPIST-1 não deveria suportar vários planetas potencialmente habitáveis? Sim, mas é por causa da proximidade desses planetas orbitam a estrela. Os planetas em questão orbitam tão perto de TRAPPIST-1 quanto as luas de Júpiter orbitam Júpiter.

É essa proximidade com sua estrela fraca que permite que os planetas do TRAPPIST-1 recebam uma quantidade semelhante de energia que a Terra e Vênus recebem de nosso sol. Se nosso planeta hipotético ou lua se formou muito perto de sua estrela ultracool também, ele poderia ter tido as condições atmosféricas necessárias para que os relâmpagos ocorressem.

Este relâmpago pode ter criado enormes depósitos de magnetitas no planeta ou na superfície da lua antes de algum evento astronômico forçar o planeta (ou o planeta-mãe da lua) a uma órbita mais ampla em torno de sua estrela, resfriando-a extremamente. O planeta ou a lua poderiam até mesmo ter mudado de órbita depois de ser atingido pelos próprios meteoritos que levaria.

Também é possível que nosso planeta ou lua possa ser ejetado de seu sistema solar todos juntos e se tornar um planeta rebelde (ou a lua de um planeta rebelde). Você pode aprender mais sobre esses mundos gelados no vídeo abaixo:

Quer o nosso mundo hipotético seja um trapaceiro ou não, é possível que sua energia geotérmica possa sustentar oceanos líquidos sob suas camadas de gelo. Aqui, é possível que a vida possa surgir. Se for assim, talvez um dia as coisas vivas possam quebrar o gelo e ser as primeiras a testemunhar os magníficos marcos quânticos de seu mundo.

Tudo bem. Vamos revisar quais condições nossas montanhas flutuantes precisariam. Primeiro, seu planeta ou lua teria que começar a orbitar perto o suficiente de sua estrela para que um relâmpago ocorresse e magnetizasse grandes quantidades de magnetita em sua superfície.

Então, o planeta (ou o planeta-mãe da lua) precisaria se mover para uma órbita mais ampla ou ser ejetado de seu sistema solar completamente. Em algum ponto, ele precisaria ser atingido por meteoritos contendo grandes quantidades de substâncias que se tornam supercondutoras em baixas temperaturas, e esses meteoritos precisariam se encontrar diretamente sobre depósitos colossais de magnetita.

Finalmente, algum evento como um terremoto teria que lançar os meteoritos para a atmosfera, onde eles ficariam presos no lugar por linhas de campo magnético. Com isso em mente, eu diria que montanhas flutuantes são improváveis, mas possíveis. Infelizmente, eles não seriam um lugar para uma família de banshees da montanha chamar de lar.

Isto é, a menos que consideremos a possibilidade de que supercondutores legítimos de temperatura ambiente e baixa pressão realmente existam. Então, as montanhas flutuantes de Pandora poderiam se formar em um ambiente quente o suficiente para suportar a flora e a fauna.

Como mencionei antes, os cientistas acreditam que supercondutores de baixa pressão e alta temperatura podem ser possíveis, então não é tão louco para um mundo de ficção científica como Pandora abrigá-los. O filme até nomeia o material em questão, unobtainium.

Além disso, a equipe criativa por trás do Avatar explica como as montanhas de Pandora se tornaram aerotransportadas. Aparentemente, o gigante gasoso que Pandora orbita cria forças de maré fortes o suficiente para quebrar o solo e puxar as rochas para o ar. Forças de maré como essas existem e são conhecidas por elevar a terra na lua de Júpiter Io cinco vezes mais do que a nossa lua levanta a água no oceano da Terra.

A Terra também experimenta uma forma diminuta dessas marés que atingem uma altura de 20 centímetros. Em Io, as forças das marés também aquecem o planeta e impulsionam a atividade vulcânica, que é outra maneira pelas quais as forças das marés podem fraturar a superfície de um corpo celeste. Se esses eventos são conhecidos por ocorrer em nosso sistema solar, eles certamente poderiam ocorrer em Pandora.

Levando esses fatores em consideração, as montanhas flutuantes de Pandora poderiam potencialmente existir em nosso universo sob condições muito mais próximas do que vemos no Avatar. Que grande exemplo de devoção à exatidão científica na ficção científica!

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