Eletricidade a partir de “fotossíntese”
Massachusetts Institute of Technology
Pesquisadores do MIT criam uma tecnologia fotovoltáica auto-combinante capaz de se auto-reparar
As moléculas podem transformar a luz solar em eletricidade e podem ser quebradas e rapidamente remontadas
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CAMBRIDGE, Massachusetts. — As plantas são boas em fazer o que cientistas e engenheiros tem lutado para fazer por décadas a fio: converter a luz solar em energia armazenada e fazê-lo de maneira confiável, dia após dia, ano após ano. Agora, alguns cientistas do MIT conseguiram imitar um aspecto chave deste processo.
Um dos problemas com o aproveitamento da luz solar é que os raios do Sol podem ser altamente destrutivos para muitos materiais. A luz solar leva a uma degradação gradual de muitos dos sistemas desenvolvidos para capturá-la. No entanto, as plantas adotaram uma estratégia interessante para resolver esse problema: as moléculas encarregadas de capturar a luz solar se fracionam constantemente e as plantas as remontam a partir dos pedaços resultantes, de forma que as estruturas básicas que capturam a energia solar são, por assim dizer, sempre novas em folha.
Esse processo foi agora imitado por Michael Strano, o Professor Associado Charles & Hilda Roddey de Engenharia Química e sua equipe de estudantes de pós-graduação e pesquisadores. Eles criaram um novo conjunto de moléculas auto-combinantes que podem transformar a luz solar em eletricidade. As moléculas podem ser repetidamente quebradas e rapidamente remontadas, mediante a simples adição ou remoção de uma solução adicional. O artigo sobre este trabalho foi publicado na edição de 5 de setembro da Nature Chemistry.
Strano diz que a ideia lhe ocorreu inicialmente quando ele estava estudando a biologia das plantas. “Eu fiquei realmente impressionado com o fato das plantas terem esse mecanismo extremamente eficaz de reparar suas células”, diz ele. E acrescenta que, em pleno Sol de Verão, “uma folha de árvore recicla suas proteínas a cada 45 minutos, embora se possa pensar que ela é uma célula fotovoltáica estática”.
Um dos objetivos de longo prazo da pesquisa de Strano sempre foi descobrir modos para imitar os princípios encontrados na natureza com o uso de nano-componentes. No caso das moléculas usadas pelas plantas para fotossíntese, a forma reativa de oxigênio produzida pela luz solar faz com que as proteínas se decomponham de uma maneira muito precisa. Nas palavras de Strano, o oxigênio “desata uma amarração que mantém as proteínas unidas”, mas as mesmas proteínas são rapidamente remontadas para recomeçar o processo.
Toda essa atividade acontece dentro de pequeninas cápsulas chamadas cloroplastos que existem dentro de cada célula vegetal — e é onde acontece a fotossíntese. Strano diz que o cloroplasto é “uma máquina formidável. É um notável motor que consome dióxido de carbono e usa a luz para produzir glucose”, a substância química que fornece energia para o metabolismo.
Para imitar esse processo, Strano e sua equipe – financiados pela MIT Energy Initiative e pelo Departamento de Energia – produziram moléculas sintéticas chamadas fosfolipídeos que formam discos; esses discos fornecem o suporte estrutural para as outras moléculas que realmente respondem à luz, em estruturas chamadas de centros de reação, os quais liberam elétrons quando atingidos por partículas de luz. Os discos que portam os centros de reação, ficam em uma solução onde eles se afixam espontaneamente a nano-tubos de carbono — tubos ocos de átomos de carbono que tem bilionésimos de metro de espessura e são, no entanto, mais fortes do que aço e capazes de conduzir a eletricidade mil vezes melhor que o cobre. Os nano-tubos mantém os discos de fosfolipídeo em um alinhamento uniforme, de forma que os centros de reação podem ficar todos expostos à luz solar de uma só vez e também funcionam como condutores para coletar e canalizar o fluxo de elétrons liberados pelas moléculas reativas.
O sistema produzido pela equipe de Strano é feito de sete compostos diferentes que incluem os nano-tubos de carbono, os fosfolipídeos e as proteínas que compõem os centros de reação, os quais, nas condições corretas, se montam espontaneamente em uma estrutura para a coleta da luz solar e produzir uma corrente elétrica. Strano diz acreditar que isso estabelece um novo recorde quanto à complexidade de um sistema auto-combinante. Quando um surfatante — similar àqueles lançados no Golfo do México para dissolver o petróleo derramado — é adicionado à mistura, os sete componentes se separam e formam uma espécie de “sopa”. Então, quando os pesquisadores removeram o surfatante, forçando a solução através de uma membrana, os componentes se remontaram de novo em uma fotocélula perfeitamente formada e rejuvenescida.
“Nós basicamente estamos imitando os truques que a natureza descobriu ao longo de milhões de anos” — em particular, “reversibildade, a capacidade de desmontar e remontar”, declara Strano. A equipe que incluiu o pesquisador pós-doutorado Moon-Ho Ham e o estudante de pós-graduação Ardemis
Boghossian, chegou ao sistema com base em uma análise teórica, mas que então decidiu construir uma célula-protótipo para testá-la. Eles passaram a ´célula-protótipo por repetidos ciclos de montagem e desmontagem ao longo de um período de 14 horas, sem qualquer perda de eficiência.
Strano argumenta que, ao desenvolver novos sistemas para gerar energia elétrica a partir de luz, os pesquisadores frequentemente não estudam como os sistemas se modificam ao longo do tempo. Nas células fotovoltáicas convencionai com base no silício, a degradação é pequena, porém, no caso de vários sistemas novos que se encontram em desenvolvimento —
seja buscando um custo menor, maior eficiência, flexibilidade ou outras características melhoradas — a degradação pode ser muito significativa. “Frequentemente se vê a eficiência cair, depois de 60 horas, a 10% do original”, afirma ele.
As reações individuais dessas novas estruturas moleculares apresentam uma eficiência de cerca de 40%, ou cerca do dobro da eficiência das melhores células solares comercialmente disponíveis agora. Teoricamente, a eficiência das estruturas poderia ficar próximo dos 100%, diz ele. Mas, no trabalho inicial, a concentração das estruturas na solução era baixa, de forma que a eficiência geral do dispositivo — a quantidade de energia elétrica produzida por uma dada área de superfície — foi muito baixa. Agora eles estão trabalhando para encontrar maneiras para aumentar em muito a concentração.
Quebras de simetria e supercondutividade
[Traduzido de: Asymmetric Electron Behavior Discovered in High-temperature Superconductors ]
Original em inglês por:
| Bobbie Mixon, |
| Holly Martin |
A descoberta pode levar eventualmente à redução dos custos da energia elétrica
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Super-condutores à temperatura ambiente ficam mais perto da realidade e podem levar a redes de distribuição de energia elétrica mais econômicas. |
31 de agosto de 2010
Os cientistas da Universidade Cornell, em conjunto com uma equipe internacional de pesquisadores, descobriram recentemente que os elétrons em um material super-condutor, óxido de cobre, assumem espontaneamente uma orientação de spin.
Esta descoberta pode conduzir à longamente almejada meta de conduzir eletricidade à temperatura ambiente sem perdas, abrindo o caminho para seu emprego em larga escala em uma rede de distribuição de energia elétrica econômica.
Os super-condutores são materiais que perdem toda a resistência elétrica quando resfriados abaixo de uma certa temperatura. Os primeiros super-condutores descobertos pelos cientistas, tinham que ser resfriados a uma temperatura próxima do zero absoluto (cerca de -273º C) para que transmitissem eletricidade sem qualquer perda de potência.
Porém a necessidade de resfriar tanto os materiais, antes que eles pudessem se tornar super-condutores, tornava impraticável usá-los em tecnologias, há muito prometidas, tais como computadores ultra-rápidos, meios de transporte de alta velocidade e redes de energia elétrica sem perdas.
Em meados dos anos 1980, foi descoberta uma nova classe de materiais super-condutores em “alta temperatura”, bem acima do zero absoluto, embora ainda bem abaixo da temperatura ambiente.
Entre esses materiais, existe um grupo chamado cupratos, que se tornam super-condutores em temperaturas tão “altas” como -123ºC. O cristal de óxido de cobre usado pelos cientistas da Cornell, é um cuprato super-condutor.
Normalmente, os átomos de oxigênio e cobre deste material se agrupam em unidades simétricas e os cientistas esperavam que os elétrons em cada unidade se comportassem de modo também simétrico. Isso significa que cada elétron tenha um spin aleatoriamente escolhido “acima” ou “abaixo”. Mas quando cada elétron individual assume a mesma direção, isso constitui uma quebra de simetria e é sinal de que aconteceu uma mudança significativa ocorreu no material.
Exemplos dessas mudanças, também chamadas de transição de fase, incluem a água líquida se congelar em gelo ou fervendo em vapor. Um material que passa de um estado não condutor para um estado super-condutor é um outro tipo de transição de fase.
“Pense no ímã de uma porta de uma geladeira”, explica Eun-Ah Kim, professor assistente de física em Cornell. “Esse tipo de ímã funciona porque todos os spins dos elétrons apontam em uma mesma direção, em lugar de fazê-lo aleatoriamente. Uma “escolha” espontânea dessa natureza é chamada de quebra de simetria”.
No caso da equipe que trabalhou com o material de óxido de cobre, a quebra de simetria apareceu nas imagens de cupratos feitas por um microscópio de escaneamento por tunelamento operado pelos pesquisadores no Laboratório Nacional Brookhaven em Nova York.
Kim diz que a descoberta apresenta “uma oportunidade para todo um novo estágio de pesquisas. Nós obtivemos um mapa dessa quebra de simetria; agora podemos estudar experimentalmente como ela afeta a super-condutividade”. A descoberta aponta ainda para um modelo teórico que pode explicar o mecanismo de super-condutividade de alta temperatura.
Chegar ao fundo dessa quebra de simetria nos cupratos pode eventualmente auxiliar os cientistas a criarem novos materiais que exibam super-condutividade a temperaturas cada vez mais altas.
“Resolver o mistério de como alguns materiais pode exibir super-condutividade em algo próximo da temperatura ambiente, é importante”, diz Kim. “Mas também existe um elemento de genuína curiosidade. Descobrir os segredos de um comportamento coletivo de um número astronômico de elétrons, é como descobrir uma nova galáxia”.
Para esta pesquisa, contribuíram cientistas da Universidade Cornell; Laboratório Nacional Brookhaven; Universidade Binghamton,
Binghamton, NY; Universidade de Tokyo; Laboratório de Materiais Magnéticos,
Saitama, Japão; Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coréia; Instituo Avançado de Ciência e Tecnologia Industrial, Ibaraki, Japão; e Universidade de St. Andrews, Fife, Escócia.
O relatório da pesquisa foi publicado na edição de 15 de julho da Nature.
A pesquisa teve o apoio da Divisão de Pesquisa de Materiais da NSF.
Vendo os cristais crescerem
Traduzido de: Watching Crystals Grow May Lead to Faster
Electronic Devices
Uma pesquisa que pode melhorar a manufatura das películas finas e livres de defeitos, necessárias para a fabricação de semicondutores
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Os átomos se depositam uns por cima dos outros, criando pontos ásperos nas finas películas usadas para produzir os semicondutores.
Crédito e imagem ampliada |
21 de janeiro de 2010
Observe o crescimento de um cristal neste vídeo.
A busca por dispositivos eletrônicos mais rápidos esbarrou recentemente em um verdadeiro calombo. Os cientistas da Univesidade Cornell, Ithaca, N.Y., descobriram que as películas cristalinas finas e lisas para a fabricação de semicondutores, que são a base dos computadores modernos, podem ser feitas ainda mais lisas se controlarmos os rápidos movimentos aleatórios das partículas atômicas que afetam a maneira como os cristais crescem.
Segundo Charles Ying, diretor de programa da Divisão de Pesquisas de Materials da Fundação Nacional de Ciências (NSF), “O principal benefício de películas cristalinas lisas para dispositivos eletrônicos é que os elétrons podem ir de um lugar a outro dentro do dispositivo com um mínimo de disrupção. Isso, por sua vez, permite dispositivos eletrônicos mais rápidos e um menor consumo de energia”.
A pesquisa é parcialmente financiada pelo Centro Cornell de Pesquisa de Materiais, que tem o apoio da NSF. As descobertas estão sendo publicadas na edição online de hoje da Science.
Liderados pelo professor assistente de física Itai Cohen da Cornell, os pesquisadores recriaram as condições de crescimento de um cristal camada por camada, usando partículas muito maiores do que átomos, porém pequenas o bastante ainda para se comportarem como átomos. Da mesma forma que se usa bolas de praia para modelar o comportamento da areia, os cientistas
usaram uma solução de pequenas esferas de plástico 50 vezes menores do que um fio de cabelo para reproduzir as condições que levam à cristalização na escala atômica. Com esta modelagem precisa, eles puderam observar como as camadas cristalinas crescem.
Usando um microscópio eletrônico, os cientistas puderam observar exatamente o que seus “átomos” – na verdade partículas de sílica de tamanho medido em mícrons, suspensas em um fluido – faziam ao se cristalizarem. Além disso, eles ainda foram capazes de manipular partículas individuais, uma de cada vez, e testar as condições que levam ao crescimento de uma película cristalina lisa.
“Essas partículas são grande e lentas o bastante para podermos ver o que acontece em tempo real”, explica o estudante de pós-graduação Mark Buckley. Com essa observação, os pesquisadores descobiram que os rápidos movimentos aleatórios de uma partícula são um fator chave que afeta o modo como os cristais crescem.
Enquanto alguns materiais crescem em cristais lisos, outros tendem a desenvolver calombos e defeitos – o que é um sério problema para a manufatura de películas finas. Os pesquisadores estão tentando melhorar o processo na escala atômica, mas a principal dificuldade para a fabricação de películas lisas é que os átomos frequentemente formam aleatoriamente pilhas, em lugar de se cristalizarem em finas películas.
Isto acontece porque , quando os átomos são depositados em um substrato, eles formam inicialmente pequenos cristais, chamdos “ilhas”. Quando se despeja mais átomos por cima desses cristais, os átomos tendem a ficar no topo das ilhas, em lugar de escorrerem pelas bordas. Isso cria os indesejados pontos ásperos e, segundo Cohen, se a ideia é criar uma película lisa, isso é “game over”.
A teoria convencional diz que os átomos que pousam no topo das ilhas sofrem um “puxão” energético dos outros átomos que os impede de rolar pelas bordas. No sistema usado na experiência, os pesquisadores eliminaram esse puxão, encurtando as ligações entre as partículas. No entanto, eles ainda observaram que suas partículas hesitavam nas bordas das ilhas.
Uma análise mais profunda, com o uso de pinças ópticas que manipulavam partículas individuais, permitiu aos pesquisadores medir quanto tempo as partículas levavam para sair das ilhas de cristal. Como as partículas estavam em suspensão em um fluido que as fazia se moverem, elas exibiam moviemtno browniano. Na medida em que as partículas se moviam e se difundiam de uma área para outra, os pesquisadores notaram que a distância que uma partícula tinha que percorrer para “cair” da borda de uma ilha era três vezes maior do que para se mover lateralmente de um ponto da ilha para outro. E, como essa distância tinha que ser percorrida em movimento browniano, o percurso podia ficar até nove vezes mais comprido até a “queda”. Essa diferença explica porque os pesquisadores ainda observavam uma “barreira” nas borda das ilhas.
Os átomos em uma película cristalina atômica se movem de uma maneira semelhante ao movimento browniano, uma vez que as vibrações do cristal subjacente, chamadas fonons, tendem a empurrá-los de cá para lá. Os pesquisadores supõem que, além das ligações interatômicas, esse movimento aleatório também possa contribuir para a barreira na borda das ilhas do cristal e, desta forma, para a aspereza da película de cristal.
“Se os princípios que descobrimos puderem ser aplicados na escla atômica, os cientistas serão capazes de controlar melhor o crescimento das finas películas usadas na manufatura de componentes para nossos computadores e celulares”, afirma Cohen.
Os autores do artigo são o antes doutor-associadohe Rajesh Ganapathy, agora membro do corpo docente do Centro Jawaharlal Nehru para Pesquisa Científica Avançada em Bangalore, Índia, assim como Sharon Gerbode e Mark Buckley, estudantes de pós-graduação no laboratório de Cohen na Cornell.
Além da NSF,
o trabalho foi finanaciado por King Abdullah University of Science and
Technology e Cornell Nanoscale Science and Technology Facility.
Enxergando células antes invisíveis
[Livremente traduzido de: Seeing Previously Invisible Molecules for the First Time ]
Uma nova técnica de microscopia revela moléculas, antes invisíveis, em cores
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Imagens de células sanguíneas individuais dentro de um vaso capilar na orelha de um rato. |
22 de outubro de 2009
Uma equipe de quimicos de Harvard, liderada por X. Sunney Xie, desenvolveu uma nova técnica de microscopia para visualizar, em cores, moléculas com fluorescência indetectável. O processo, de temperatura ambiente, permite aos pesquisadores identificar moléculas que antes não podiam ser vistas, em organismos vivos e pode ter vastas aplicações em imageamento diagnóstico e pesquisas biomédicas.
Os resultados obstidos pelos cientistas foram publicados na edição de 22 de outubro da Nature. A pesquisa foi parcialmente financiada pela Fundação Nacional de Ciências (NSF).
A fluorescência é o fenômeno onde um elétron que faz parte de uma molécula, absorve a energia da luz e passa para um nível quântico acima – fica em estado excitado – sendo esse quantum de energia igual à da partícula portadora da energia eletromagnética, o fóton. Após uma breve permanência nesse estado excitado, o elétron volta a seu nível de energia anterior, ou estado fundamental, emitindo um novo fóton. A energia do fóton liberado está na faixa de comprimento de onda da luz visível, durando apenas uns poucos bilionésimos de segundo.
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Imagem do envio de “azul de toluidina” até a camada mais externa da pele da orelha de um rato |
Muitas moléculas coloridas e biologicamente importantes, tais como a hemoglobina – uma proteína portadora de oxigênio nos glóbulos vermelhos do sangue – absorvem a luz, porém não ficam fluorescentes. Em lugar disso, elas liberam a energia transitória em comprimentos de onda não visíveis (calor).
Como diz Xie: “Já que essas moléculas não ficam fluorescentes, elas foram literalmente ignoradas pelos modernos microscópios ópticos”.
Então, para detectar essas moléculas não fluorescentes nos sistemas biológicos, Xie e sua equipe desenvolveram uma nova técnica de microscopia com base na emissão estimulada.
A emissão estimulada foi primeiramente descrita por Albert Einstein em 1917 e é a base dos lasers atuais. Em resumo, é um processo pelo qual um elétron em estado excitado, perturbado por um fóton com a energia adequada, decai para seu estado fundamentas produzindo um fóton adicional.
A nova técnica de microscopia de Xie gera e grava um sinal de emissão estimulada mediante o uso de dois pulsos, cuidadosamente escalonados, um de excitação e outro de estimulação. Cada pulso tem uma duração incrivelmente curta de aproximadamente 200 femtossegundos e uma frequência de 76 MHz. Um femtossegundo é um bilionésimo de um milionésimo, ou 10-15, de segundo. Um modulador comuta a intensidade dos pulsos de excitação, ligando e desligando a cinco MHz. Essa modulação cria um sinal de emissão estimulada na mesma frequência. O sinal produzido pelas moléculas não fluorescentes fornece uma imagem de alta sensibilidade das moléculas antes “invisíveis”.
Uma dentre várias possíveis aplicações da invenção dos cientistas é o mapeamento a cores do suprimento de drogas não fluorescentes às células-alvo. Outro possível emprego é o imageamento de pequeninas estruturas, tais como vasos sanguíneos, até de células vermelhas sanguíneas individuais e capilares singelos (vide imagens).
A estrutura e a dinâmica da hemoglobina nos vasos sanguíneos têm um improtante papel em vários processos biomédicos. Dois exemplos desses processos são a transição de estado de tumores, de latente para maligno, e a oxigenação no cérebro.
As técnicas atualmente estabelecidas de imageamento, tais como ressonância magnética e tomografia computadorizada, ou não têm a definição necessária para identificar capilares individualmente, ou precisam de agentes de contraste externos.
Agentes de realce, tais como a proteína fluorescente verde (green fluorescent protein = GFP), vêm sendo extensivamente empregados para observar a atividade de biomoléculas e para distinguir as moléculas-alvo em uma célula. A técnica de realce com GFP fornece imagens com boa definição, porém a proteína, por ter uma molécula demasiadamente grande, pode perturbar os delicados caminhos bilógicos, especialmente quando ela é maior do que a biomolécula que está realçando.
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Imagem do envio de “azul de toluidina” à camada mais externa da pele da orelha de um rato. |
A equipe de Xie mapeou a entrega de uma molécula de droga não fluorescente e imageou vasos sanguíneos sem o uso de agentes de realce fluorescentes. A nova técnica é também capaz de imagear proteínas não fluorescentes em células de bactérias Escherichia coli vivas.
Zeev Rosenzweig, diretor de programa na Divisão de Química da NSF, diz: “Enquanto estudos anteriores fizeram uso de experimentos de sondagem por injeção de energia para obter imagens de moléculas fluorescentes com uma resolução espacial comparável à da microscopia de fluorescência confocal e alta resolução temporal, este estudo usa, pela primeira vez, microscopia de emissão estimulada para obter imagens de moléculas não fluorescentes”.
Embora os potenciais danos causados pela forte luz e a complexidade e o custo do sistema ainda sejam objeto de futuros aperfeiçoamentos para que a técnica obtenha ampla aplicabilidade, “não há dúvida de que o estudo indica um caminho ímpar para imagear uma ampla gama de moléculas, atualmente inacessível aos atuais microscópios de ponta”, como observa Rosenzweig.
“Isso é apenas o começo”, acrescenta Xie. “Muitas aplicações interessantes dessa nova modalidade de imageamento estão por vir”.
Os demais autores do artigo na Nature incluem Wei Min, Sijia Lu, Shasha Chong, Rahul Roy e Gary R.
Holtom. Min e Roy são doutores; Lu e Chong são estudantes de pós-graduação; e Holtom é cientista pesquisador, todos membros do grupo de pesquisas de Xie.
Memórias de uma espuma metálica
[Traduzido de: Metallic Shape-Memory Foam Shows Giant Response to Magnetic Fields ]
Original em inglês de Holly Martin, National Science Foundation
Liga “inteligente” se estica e se contrai em quase 10%
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Espumas metálicas porosas são feitas em um processo de duas etapas. |
16 de outubro de 2009
Por coincidência, dois amigos, entre os 3.000 cientistas que compareceram ao Encontro de Outono da Sociedade de Pesquisas de Materiais em 2006 em Boston, se encontraram no lado de fora do Hynes Convention Center. Peter Müllner e David Dunand se formaram ambos no Instituto Federal de Tecnologia da Suíça (ETH) em Zurich.
Müllner, agora na Boise State University, estava pesquisando ligas magnéticas que mudavam de formato na presença de um campo magnético. Enquanto isso, Dunand, na Northwestern University em Chicago, ganhou experiência com espumas metálicas – materiais porosos de baixo peso que, algumas vezes, se parecem com uma esponja – particularmente sobre esponjas de ligas com memória de formato que mudam de formato com a temperatura.
Müllner recorda: “David estava com pressa para apanhar seu avião, mas tiramos alguns minutos para conversar sobre nossos trabalhos em curso. David me perguntou: ‘O que você pensa que poderia acontecer se nós fizéssemos uma espuma dessa sua liga com memória de formato magnética?’ Eu respondi que isso poderia resolver o problema dos policristais”.
Ligas com memória de formato magnéticas (Magnetic shape-memory alloys = MSMAs), são cristais sólidos feitos de uma combinação de materiais que reagem a campos magnéticos se esticando ou se contraindo, de forma não muito diferente de um músculo. Esses materiais são úteis para diversos empregos onde um dispositivo de comutação mecânico tem que ser acionado por um sinal elétricos e vice versa.
A quantidade de esticamento ou encolhimento exibido por essas ligas é chamado de deformação induzida por campo magnético (magnetic field-induced strain = MFIS). Então, por exemplo, com uma MFIS de 10%, uma haste com um pé (33 cm) de comprimento pode esticar ou encolher por mais de uma polegada (2,56 cm). Em algumas ligas, quando o campo magnéticos é retirado, o material volta a seu formato original: em outras, o campo tem que ser invertido.
A MFIS de uma liga depende de como os átomos se cristalizam quando o material fundido se resfria e solidifica. Existem dois tipos básicos de cristais: monocristais, que se parecem com grandes pedras preciosas, e policristais que contém milhões, ou até mesmo bilhões, de pequenos cristais, chamados grãos.
Müllner explica que “os átomos em um monocristal ficam organizados em padrões estritamente periódicos, algo como lajotas assentadas no mesmo padrão sobre o piso de toda uma casa”.
“Em um policristal, a orientação do padrão dos átomos muda de um lugar para outro, com as fronteiras os contornos de grãos [obrigado, Felipe!] formando linhas ou planos entre os pequenos cristais”, continua ele. “Pense no mesmo tipo de lajota instalado por toda a casa, mas desta vez com uma orientação diferente em cada cômodo, com as juntas correndo em direções diferentes”.
Os monocristais demoram mais para serem fabricados e custam mais do que os policristais. Müllner explica: “Quando se funde policristais, a liga só precisa ser mantida por poucos minutos em temperaturas muito altas (acima dos 1.000 °C). Já os monocristais precisam ser mantidos nessas temperaturas extremas por dias, o que consome uma enorme quantidade de energia elétrica”.
Segundo Müllner, todas as ligas feitas por processos convencionais, tais como fundição e forjamento, são policristais, o que leva a um problema: as MSMAs não reagem aos campos magnéticos tão bem como os monocristais.
Mas o comentário de Dunand fez Müllner compreender que poderia ser possível criar um material policristalino com uma MFIS maior, se o convertesse em espuma metálica.
Criando Espuma Metálica
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Ligas magnéticas com memória de forma reagem a campos magnéticos se expandindo ou se contraindo. |
O termo “espuma metálica” parece uma contradição. No entanto, ligas metálicas fundidas, tanto com bolsões preenchidos por gás, como com poros abertos, têm sido levadas em conta para muitas aplicações, tais como aeronaves, que necessitam de resistência combinada com peso leve.
De acordo com Dunand, espumas metálicas porosas são feitas em um processo com duas etapas. Primeiro, os pesquisadores criam um molde negativo, aquecendo uma cerâmica em pó, até que ela forme um corpo rígido com vários poros abertos. Em seguida, eles derramam uma liga metálica fundida bem dentro dos poros. Depois que a liga se solidifica em forma cristalina, a forma de cerâmica é dissolvida por uma solução ácida, deixando um arranjo de finas hastes metálicas que lembram uma esponja.
Após criar a esponja, os cientistas precisam “adestrar” a mesma para realizar seus truques magnéticos. Müllner relata: “Nós aplicamos repetidamente um campo magnético e uma carga mecânica, à medida em que aquecemos e resfriamos o material. Como resultado, o material começa a se deformar cada vez com mais facilidade e em maiores quantidades. Durante esse processo, a micro-estrutura interna do material se modifica, o que quer dizer que o número, a orientação e a mobilidade de certas fronteiras especiais dos grãos – as assim chamadas “fronteiras gêmeas” “maclas” [obrigado Felipe!] – se modificam”.
Resultados Promissores
Dunand e Müllner decidiram-se por cooperar neste problema, coemçando com espuma feita de Ni-Mn-Ga, uma liga de níquel, manganês e gálio. Dunand relata: “Três meses depois, nós tínhamos os primeiros resultados: uma patente, uma verba-prêmio da Fundação Nacional de Ciências e um artigo publicado em Physical Review Letters“.
No entanto, a deformação total da espuma obtida ainda era relativamente pequena. Para a próxima fase de suas pesquisas, eles decidiram fazer a espuma com dois tamanhos diferentes de poros: alguns de cerca do tamanho dos grãos cristalinos e outros menores que os grãos. “Para produzir espuma, tanto com poros grandes como pequenos, misturamos dois pós cerâmicos para criar um correspondente molde negativo”, lembra Dunand.
Os resultados, publicados em Nature Materials, foram melhores do que os pesquisadores esperavam. Com os poros de um único tamanho, eles obtiveram uma MFIS de apenas 0,12%, o que equivale a uma haste de um pé (33 cm) capaz de esticar cerca de um centésimo de polegada (0,256 mm). Porém, com dois tamanhos diferentes de poros, a MFIS aumentou para algo entre 2,0 a 8,7 %, o que significa a mesma haste esticando de 1/4 de polegada (6,4 mm) a uma polegada (25,6 mm).
Pondo a Espuma para Trabalhar
Ligas com memória de formato tem sido usadas em sensores e controladores mecânicos de todos os tipos. No entanto, ainda não existem no mercado dispositivos comerciais que empreguem espumas de MSMAs, segundo Dunand.
Ele diz: “Posso imaginar que a refrigeração magnética pode se tornar a primeira aplicação tecnológica da espuma magnética com memória de forma. Quando a espuma se torna magnetizada, ela se aquece. Inversamente, quando ela é desmagnetizada, se resfria”.
“Os vários poros na espuma fornecem uma grande área de superfície, o que acelera a troca de calor e, dessa forma, a eficiência. E, como a energia magnética pode ser facilmente produzida com energia elétrica, isso torna a espuma atraente para uma tecnologia verde de refrigeração”.
A equipe de pesquisadores também incului Markus Chmielus e C. Witherspoon, da Boise State University, e X.X. Zhang, da Northwestern University.
Melhoramentos para as células solares
09 de julho de 2009
A partir de substratos de folhas de alumínio de baixo custo, os pesquisadores do Laboratório Berkeley montaram densos arranjos de semi-condutores do tipo negativo em cristal singelo, em um dispositivo em forma de pilares nanométricos. Quando os nano-pilares são combinados com um semi-condutor transparente, do tipo positivo, que serve como janela, isso resulta em uma célula fotovoltáica eficiente, barata e flexível.
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Um substrato de alumínio forma a base para uma floresta de nano-pilares de sulfeto de cádmio e serve também como eletrodo inferior. Quando inserido em telureto de cádmio transparente dotado de um eletrodo superior de cobre e ouro, forma uma célula solar eficiente e barata. |
BERKELEY, Califórnia — Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia e da Universidade da Califórnia em Berkeley apresentar uma nova maneira de fabricar células solares eficiente a partir de materiais baratos e flexíveis. Este novo projeto cria semi-condutores opticamente ativos em um arranjo de pilares de dimensões nanométricas (1 nanômetro = 1 bilionésimo de metro), cada um deles um único cristal.
Ali Javey, cientista da Divisão de Ciência dos Materiais do Laboratório Berkeley e professor de engenharia elétrica da UC Berkeley, diz: “Para podermos aproveitar a abundante energia solar, temos que achar maneiras para produzir em massa elementos fotovoltáicos eficientes. Os semi-condutores de cristal singelo são muito promissores, mas as maneiras padrão para produzí-los não são economicamente viáveis”.
O trabalho básico de uma célula solar é converter a energia da luz em elétrons e “buracos” (a ausência de um elétron) portadores de carga que fluem através de eletrodos para produzir uma corrente. Diferentemente de uma célula solar plana típica, um arranjo em nano-pilares oferece uma superfície muito maior para coletar a luz. Simulações em computador indicam que, comparados a superfícies planas, os arranjos de semi-condutores em nano-pilares devem ser mais sensíveis à luz, ter uma maior capacidade de separar os elétrons dos buracos e serem um coletor mais eficiente desses portadores de carga.
“Infelizmente, as tentativas anteriores de fabricar células fotovoltáicas com base em semi-condutores em forma de pilar, criados de baixo para cima, levaram a resultados desapontadores. A eficiência na transformação de luz para eletricidade foi de menos do que um a dois porcento”, explica Javey. “O processo de crescimento epitaxial de substratos mono-cristalinos era usado com frequência, mas isso é caro. As dimensões dos nano-pilares não podiam ser controladas, a densidade e o alinhamento dos pilares eram fracos e a qualidade da interface entre os semi-condutores era ruim”.
Javey usou uma nova maneira, controlada, de empregar o processo “vapor-líquido-sólido” para fabricar módulos em larga escala de arranjos densos e altamente ordenados de nano-pilares mono-cristalinos. Sua equipe criou, dentro de uma fornalha de quartzo, pilares de sulfeto de cádmio, rico em elétrons, sobre uma folha de alumínio na qual poros geometricamente distribuídos, feitos através de anodização, serviam como gabarito.
Dentro dessa mesma fornalha, eles embeberam os pilares formados em uma fina camada de telureto de cádmio, rico em buracos, que funciona como uma janela para coletar a luz. Os dois materiais em contato formam uma célula solar na qual os elétrons fluem através dos nano-pilares para o contato de alumínio por baixo e os buracos são conduzidos para finos eletrodos de cobre-ouro colocados na superfície da janela por cima.
A primeira célula-piloto testada apresentou um rendimento medido de apenas 6%, inferior aos 10 a 18% das células solares comerciais – mas muito melhor do que as outras células nanométricas feitas até hoje, justamente por seu arranjo em forma de nano-pilares. O fato do contato superior ser feito de cobre-ouro – materiais não transparentes – por si só já tirou uns 50% da eficiência. Outro problema é obter uma maior densidade dos pilares e diminuir a área destes que fica em contato com a janela. Esses problemas parecem ter soluções simples que serão testadas em breve.
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Uma célula solar flexível é obtida pela remoção do substrato de alumínio e sua substituição por um eletrodo inferior de irídio. O dispositivo é, então, envolto em plástico flexível transparente. |
Com um olho nas aplicações práticas, além do desempenho teórico, os pesquisadores fabricaram uma célula solar flexível com o mesmo projeto, removendo quimicamente o substrato de alumínio e o substituindo por uma fina camada de irídio para criar o eletrodo inferior. Toda a célula solar resultante é recoberta com plástico transparente (polidimetilsiloxano) para criar um dispositivo dobrável, que pode ser flexionado com um efeito apenas marginal sobre o desempenho – e sem qualquer perda de desempenho após sucessivas dobragens.
Javey finaliza: “Existem várias maneiras de melhorar o desempenho dos dispositivos fotovoltáicos tridimensionais em nano-pilares, assim como maneiras de simplificar os processos de fabricação, mas o método já é altamente promissor como forma de diminuir os custos de células solares eficientes. Obtivemos a capacidade de criar estruturas mono-cristalinas diretamente sobre grandes folhas de alumínio. E a configuração tridimensional significa que os requisitos de qualidade e pureza dos materiais empregados podem ser relaxados, portanto menos custosos. Os arranjos em nano-pilares são um novo caminho para módulos solares mais versáteis”.
O artigo “Three-dimensional nanopillar-array photovoltaics on low-cost and
flexible substrates”, por Zhiyong Fan, Haleh Razavi, Jae-won Do, Aimee
Moriwaki, Onur Ergen, Yu-Lun Chueh, Paul W. Leu, Johhny C. Ho,
Toshitake Takahashi, Lothar A. Reichertz, Steven Neale, Kyoungsik Yu,
Ming Wu, Joel W. Ager e Ali Javey, será publicado na edição de agosto de Nature Materials e está disponível online em http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/abs/nmat2493.html.
Supercondutores
Pesquisa que emprega duas técnicas complementares melhora a compreensão sobre materiais supercondutores
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Os pesquisadores empregaram duas técnicas para estudar materiais supercondutores em altas temperaturas. |
15 de junho de 2009
A supercondutividade é um estado peculiar onde os elétrons se movem livremente dentro de um material sólido. Essa completa ausência de resistência elétrica pode se traduzir em cabos de transmissão de energia elétrica incrivelmente eficientes, assim como em várias outras tecnologias promissoras.
Mas há um probleminha. A maior parte dos materiais supercondutores só fica supercondutora em temperaturas extremamente baixas, frequentemente nas vizinhanças do zero absoluto (em torno de -273°C). Para resfriar um material o bastante para que seus elétrons se tornem “descolados” de seus átomos, os cientistas precisam banhá-lo continuamente em hélio líquido, uma tarefa dispendiosa e complicada.
Nos anos 1980, os pesquisadores decobriram grupos de materiais que perdem a resistência elétrica em temperaturas bem mais quentes, de até -218°C. Muitos desses supercondutores de “alta-temperatura” podem ser resfriados com nitrogênio líquido,
que ferve a escassos -196°C e é muito mais barato e fácil de usar do que o hélio líquido.
Mas o Santo Graal da supercondutividade seria um material que perdesse a resistência à temperatura ambiente. A fim de descobrir tal prêmio, no entanto, os pesquisadores precisam compreender melhor de que maneira funcionam os supercondutores de alta-temperatura atuais.
As duas técnicas complementares
Um grupo de cientistas, financiado pela Divisão de Pesquisa de Materiais da Fundação Nacional de Ciências (National Science Foundation = NSF), realizou uma pesquisa que abordou a supercondutividade em altas temperaturas por dois caminhos diferentes. Os professores Vidya
Madhavan e Hong Ding do Boston College, juntamente com uma equipe internacional de pesquisadores, usou tanto a microscopia de tunelamento (scanning tunneling microscopy = STM), como a espectroscopia fotoelétrica de resolução angular (angle-resolved photo-electron spectroscopy = ARPES) para estudar o mesmo material, uma cerâmica feita de camadas de óxidos de cobre. Os resultados obtidos foram relatados em Physical Review Letters.
“A STM nos informa acerca das propriedades eletrônicas do material no nível atômico”, explica Madhavan. “Enquanto isso, a ARPES nos dá informações acerca do momento dos elétrons, ou seja, suas velocidades e direções. Empregando essas duas técnicas complementares, podemos obter um quadro mais completo do que acontece”.
De acordo com Madhavan, a STM é simples em conceito: “Se aproxima a ponta de um fio metálico bem para perto da superfície do material em estudo e então se aplica uma pequena voltagem”, ela descreve. Por causa da proximidade entre o material e o fio, no intervalo de poucos Ångstroms entre si, a mecânica quântica entra em cena.
“Embora os elétrons não tenham energia suficiente para saltar da superfície para o fio e vice-versa, a mecânica quântica diz que existe uma possibilidade finita de descobrir um elétron do outro lado”, explica
Madhavan. “Isto se chama tunelamento quântico e nós usamos isso para conduzir um sinal elétrico que pode ser medido como uma corrente”.
Portanto, a corrente elétrica é sensível à distância entre a amostra e a ponta. “Se houver calombos causados por átomos individuais, a distância muda enquanto se escaneia”, diz Madhavan. “Podemos medir essas mudanças e plotar a topografia do material. É como se passassemos o dedo por uma superfície áspera”.
Medindo o Momento
A STM busca a posição de grande número de elétrons no espaço real. Em contraste, a ARPES obtem informação sobre a média das velocidades e direções de um grande número de elétrons no espaço.
A ARPES funciona segundo o princípio fotoelétrico. Uma corrente de fótons atinge a superfície do material, empurrando para fora elétrons, de forma que se pode medir sua energia e momento. Os pesquisadores podem empregar esses dados para calcular o momento dos elétrons dentro do material.
“Pense em uma bola rolando por uma rua”, explica Madhavan. “Ela tem uma velocidade, o que implica em uma direção de movimento. O momento é a velocidade de um objeto vezes sua massa, de forma que o momento da bola tem uma direção, já que sua velocidade tem uma direção”.
A mesma coisa se verifica para elétrons que se movem em um sólido, de acordo com Madhavan. “Se pudermos definir a direção e a velocidade com que os elétrons estão se movendo, conheceremos o momento”, disse ela.
“Uma vez que o material é cristalino, seus átomos ficam dispostos em um padrão ordenado que se repete”, prossegue
Madhavan. “Cada um deles atrais ou repele os elétrons negativos, de forma que estes “sentem” coisas diferentes quando se movem em diferentes direções. Seus momentos – ou seja, como eles se comportam em diferentes direções – é realmente muito importante”.
Gaps e Pseudogaps
Os cientistas usaram tanto STM como ARPES para estudar o Bi 2201 (Bi2Sr2-xLaxCuO6+d),
um óxido de bismuto-cobre com alguns átomos de estrôncio substituídos por lantânio. Eles encontraram indícios de dois gaps de energia diferentes no material.
Um gap de energia é uma faixa de energias que os elétrons não podem ter, segundo as regras da mecânica quântica. Para os supercondutores, esse gap é bem conhecido e diretamente relacionado com a TC, a temperatura crítica, abaixo da qual o material perde a resistência.
“Acima da TC não se espera, normalmente, encontrar outro gap de energia”, diz Madhavan.
“Mas em alguns materiais, se encontra um segundo gap que exclui parte dos elétrons – isso é chamado de pseudogap, porque não é um gap completo”. Com esta pesquisa, a equipe estava tentando compreender os pseudogaps.
“Por longo tempo, as pessoas imaginavam que se poderia começar com um material em alta temperatura e ir o resfriando até a fase de pseudogap”, relata
Madhavan. “Então, na medida em que se resfriasse mais ainda, até a TC, o material entraria em uma fase onde só se observaria supercondutividade”.
Porém, tanto a STM como a ARPES mostraram sinais de que existe uma fase de pseudogap dentro da fase de supercondutividade. “Isso significa que as duas fases estão, de alguma forma, competindo e coexistindo”, observa Madhavan. “É possível que os mesmos princípios físicos que levam ao pseudogap, tambem levem à supercondutividade, caso no qual não se pode ter uma sem o outro”.
Em busca dos Pseudogaps
No futuro, a equipe espera procurar por pseudogaps na fase supercondutora de outros materiais de óxidos de cobre. “Eu não quero afirmar que a compreensão do pseudogap vai nos ajudar a desenvolver supercondutores de temperatura ambiente”, acautela Madhavan. “Por outro lado, isso pode nos ajudar a projetar um tipo diferente de material que possa se tornar, eventualmente, um supercondutor de temperatura ambiente”.
Porém Madhavan não está motivada pela utilidade de sua pesquisa. “As aplicações caem do céu inesperadamente a partir desse tipo de descoberta”, diz ela. ”Quando não se está buscando nada em particular, se pode, de repente, descobrir uma maneira completamente diferente de usá-la”.
“A razão pela qual estamos tão interessados em compreender o que acontece com esses materiais, é curiosidade acerca do mundo real. É bonito quando se descobre como alguma coisa funciona na natureza”.
| -Artigo original (em inglês) de |
Holly Martin, National Science Foundation |
Pesquisadores
Hong Ding
Ziqiang Wang
Vidya Madhavan
Instituições e Organizações Relacionadas
Departamento de Física do Boston College
Centro de Radiação Synchrotron do Winsconsin
Laboratório de ARPES da Universidade Tohoku
Instituto de Física e Laboratório Nacional de Matéria Condensada, Beijing
Metal capilar (o Dr. Guo ataca novamente)
Pois é… A Universidade de Rochester está anunciando outra descoberta bombástica da equipe do Dr. Guo: um metal que faz o líquido subir contra a gravidade, como se fosse um pavio. Se você tem o FlashPlayer instalado em seu navegador, aproveite para ver o filme.
A idéia é até simples: escavar micro-canais na superfície de um metal com o tal laser. Os campos magnéticos (mais fortes) dos átomos do metal se tornam capazes de atrair as moléculas do líquido com mais força/rapidez do que as outras moléculas do próprio líquido e o metal preparado suga o líquido.
A idéia inicial é aplicar esse metal a dispositivos de diagnóstico médico, por exemplo, micro-analisadores de sangue.
Resta saber que outros “segredos” o Dr. Chunlei Guo (e seu assistente, Anatoliy Vorobyev) continuam guardando para futuras publicações na Applied Physics Letters.
Monitoramento de plataformas “offshore” – tecnologia vinda do espaço
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Usando tecnologia espacial para monitorar campos de petróleo e gás “offshore”
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| Controle por satélite para o monitoramento de instalações de prospecção de petróleo e gás “offshore”
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2 de junho de 2009
Com o auxílio da tecnologia da ESA empregada no monitoramento e controle de satélites, uma nova companhia no Centro de Incubação de Negócios da ESA desenvolveu um sistema para o monitoramento remoto de instalações de prospecção de petróleo e gás “offshore”.
“Nosso sistema batizado de Remote Intuitive Visual Operations system (RIVOPS) (Sistema de Operações Remoto Visual Intuitivo) é baseado em anos de experiência da ESA no monitoramento de satélites e na administração de situações de emergência. É um sistema de alarme e monitoramento que se sobrepõe aos sistemas de controle convencionais comercializados e usados pelas companhias de exploração “offshore” de pertróleo e gás”, explica Alexandre Van Damme da companhia franco-holandesa EATOPS.
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| Plataforma de pretróleo “offshore”
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Em uma instalação “offshore”, milhares de parâmetros têm que ser monitorados continuamente. Combinando os parâmetros monitorados em conglomerados e aplicando uma série de algorítimos de filtragem, a EATOPS fornece uma visão geral limpa, gráfica e intuitiva de todas as situações de emergência que podem ocorrer em uma plataforma de petróleo ou outra estrutura “offshore” similar.
O sistema RIVOPS da EATOPS acrescenta funcionalidade aos sistemas de monitoramento já em uso para a supervisão das instalações e auxiliar os operadores das instalações de petróleo e gás a detectar e identificar os problemas de modo mais rápido e eficiente.
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| Controle de satélites
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A tecnologia espacial aumenta a segurança
Na ESA, o conceito de agrupar parâmetros em conglomerados principais para monitoramento foi desenvolvido e refinado ao longo dos anos para o controle de satélites. O modo de organizar o monitoramento dos parâmetros dos satélites e o emprego de técnicas de visualização intuitiva se provou ser uma metodologia segura que permite uma tomada de decisões mais rápida.
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| Envisat
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Isso tornou possível operar e monitorar continuamente uma grande gama de parâmetros com um número relativamente pequeno de operadores. Para o Envisat, o maior satélite europeu, os operadores têm que monitorar continuamente mais de 20 000 parâmetros, o que é um número comparável ao de uma grande instalação “offshore” de petróleo e gás.
“Dentro de segundos, o operador consegue identificar de onde estão se originando os alarmes e, o que é mais importante, como eles se relacionam entre si. O RIVOPS pode supervisionar constantemente grandes instalações, tais como os campos de pretróleo e gás, e proporcionar aos operadores uma clara compreensão do cenário de uma emergência em tempo real, o que aumenta a segurança geral das instalações”, explica Van Damme.
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| Operação do sistema RIVOPS
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Van
Damme é um dos inventores do RIVOPS. Este sistema foi desenvolvido a partir do emprego de tecnologia comprovada da ESA com controles ergonômicos para o controle de seus satélites que consiste de um console que fornece uma visão geral inteligente das situações de alarme. Ele foi desenvolvido no Centro de Incubação de Negócios da ESA no European Space Research and Technology Centre (ESTEC) (Centro Europeu de Pesquisa e Tecnologia Espaciais) em Noordwijk, Holanda, com o apoio dos controladores de voo da ESA, assim como da perícia dos centros de controle de petróleo e gás “offshore” do Mar do Norte localizados em Den Haag
e Den Helder na Holanda, e em Stavanger na Noruega.
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| O RIVOPS apresenta o status em displays em três dimensões.
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Um novo display tridimensional para uma melhor supervisão
Outro aspecto inovador do sistema RIVOPS, em comparação com muitos sistemas convencionais de monitoramento industrial, é que ele usa representações em três dimensões para exibir o estado de todos os parâmetros. Isso foi desenvolvido para o controle de satélites a fim de melhorar a visibilidade. Transferido para o RIVOPS, ele foi melhorado com toda uma nova gama de recursos especificamente projetados para instalações “offshore” de petróleo e gás.
O sistema RIVOPS está, atualmente, passando por avaliações or parte de várias instalações no Mar do Norte em águas holandeseas e norueguesas. Van Damme antevê que o sistema RIVOPS poderia dar uma segurança extra para as futuras prospecções planejadas para o Mar Ártico, onde o frágil ecossistema polar, combinado com condições climáticas extremamente rudes, exige um monitoramento extra-cuidadoso, como, por exemplo, o vasto campo de gás de Shtokman no Mar de Barents, que se estima ser um dos maiores campos de gás do mundo.
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| Plataforma de exploracão de petróleo “offshore”
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“Localizado a
600 km ao Norte da Peninsula de Kola, os icebergs, ondas de 27 metros e temperaturas de até -50°C, fazem exigências extremas sobre as tecnologias e sistemas necessários a uma extração e transporte seguros desse gás até os litorais da Europa, Rússia e América do Norte”, diz Van Damme.
“Para tais instalações, nosso sistema RIVOPS poderia prover uma segurança extra”.
Fruto do Centro de Incubação de Negócios da ESA
“Este é um excelente exemplo de como a tecnologia espacial pode trazer benefícios para a sociedade”, explica Bruno Naulais, Gerente de Incubação de Negócios da ESA.
“A EATOPS baseou seu sistema em tecnologia bem comprovada que usamos na ESA para
monitorar todos os nossos satélites. Ficando localizada no Centro de Incubação de Negócios da ESA no ESTEC, a EATOPS conseguiu acelerar a aplicação da tecnologia para os negócios de “offshore”. Nossos especialisras em monitoramento de satélites auxiliaram a EATOPS a transferir a comprovada funcionalidade de nossas aplicações para seu novo sistema”.
Escritório do Programa de Tranferência de Tecnologia da ESA (Technology Transfer Programme Office = TTPO)
A principal missão do ESA-TTPO é facilitar o uso de tecnologia espacial e sistemas espaciais para aplicações não espaciais, e demonstrar de forma cabal os benefícios do programa espacial europeu para os cidadãos europeus. O TTPO é responsável pela estratégia geral de transferência de tecnologias espaciais, inclusive a incubação de núcleos de companhias e seu financiamento.
Lâmpada incandescente “envenenada”
Regular light bulbs made super-efficient with ultra-fast laser
Um processo com laser duplica a luminosidade de uma lâmpada comum com a mesma quantidade de energia
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Chunlei Guo em frente de seu laser de femtossegundo que pode duplicar a eficiência de uma lâmpada incandescente comum. Foto da Universidade de Rochester. |
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Um laser ultra-poderoso pode tornar uma lâmpada incandescente comum em uma lâmpada altamente econômica, segundo os pesquisadores da Universidade de Rochester. Com o processo, se pode criar uma lâmpada com a luminosidade de uma de 100 W, com um consumo inferior ao de uma de 60 W, de fabricação mais barata e com uma luz mais agradável do que as lâmpadas fluorescentes.
O processamento com laser cria um arranjo de estruturas em nano e micro-escala na superfície de um filamento de tungstênio comum — aquele fiozinho dentro da lâmpada — e essas estruturas tornam o tungstênio muito mais eficiente na irradiação de luz.
As descobertas serão publicadas em uma próxima edição de Physical Review Letters.
Chunlei Guo, professor associado de óptica na Universidade de Rochester, diz: “Nós vínhamos fazendo experiências com lasers ultra-rápidos para modificar as propriedades de metais e imaginamos o que poderia acontecer se aplicássemos o laser em um filamento. Nós disparamos o laser através do bulbo de vidro e alteramos uma pequena área no filamento. Quando acendemos a lâmpada, podemos ver que realmente aquele pedacinho estava brilhando mais do que o resto do filamento, mas o consumo de energia da lâmpada não se alterou”.
A chave para a criação desse super-filamento é um feixe de luz, ultra-breve e
ultra-intenso, chamado de pulso laser de femtossegundo. O jato de laser dura apenas poucos quadrilhonésimos de segundo. Para ter uma idéia sobre esse tipo de velocidade, considere que um femtossegundo está para um segundo o que um segundo está para 32 milhões de anos. Durante esse breve jato, o laser de Guo libera a mesma potência que toda a rede elétrica da América do Norte sobre um pontinho do tamanho da ponta de uma agulha. O impacto intenso força a superfície do metal a formar nano e micro-estruturas que alteram dramaticamente o quão eficientemente o filamento pode irradiar luz.
Em 2006, Guo e seu assistente, Anatoliy Vorobeyv, usaram um processo a laser similar para tornar qualquer metal totalmente preto. As estruturas criadas na superfície do metal eram incrivelmente eficazes em capturar as radiações, tais como a luz.
“Existe uma lei da natureza muito interessante, do tipo ‘quanto mais absorve, mais emite’, que governa as quantidades de luz absorvidas e emitidas por um material”, explica Guo. Já que o metal enegrecido era extremamente bom em absorver luz, ele e Vorobyev decidiram estudar o processo reverso — se o filamento enegrecido irradiaria luz mais eficientemente também.
“Nós sabíamos que, em teoria, devia funcionar. Mesmo assim, ficamos surpresos quando ligamos a lâmpada e vimos o quanto o ponto processado era mais luminoso”, conta Guo.
Além de aumentar a luminosidade de uma lâmpada, o processo de Guo pode ser usado para ajustar a cor da luz, também. Em 2008, sua equipe usou um processo similar para mudar a cor de praticamente todos os metais para azul, dourado e cinzento, além do preto que eles já tinham obtido. Guo e Vorobyev usaram esse conhecimento sobre como controlar o tamanho e o formato das nanoestruturas — e, assim, quais cores essas estruturas irão absorver e irradiar — para modificar as quantidades de luz irradiada pelo filamento em cada comprimento de onda. Embora Guo ainda não seja capaz de fazer com que uma lâmpada comum emita apenas luz azul, por exemplo, ele pode modificar o espectro irradiado em geral de forma a que o tungstênio, que normalmente irradia uma luz amarelada, possa irradiar uma luz mais puramente branca.
A equipe de Guo conseguiu até que um filamento irradiasse luz parcialmente polarizada, o que até agora tinha se mostrado impossível de faze sem filtros especiais que reduzem a eficiência da lâmpada. Criando nano-estruturas em fileiras estreitas paralelas, parte da luz emitida pelo filamento se torna polarizada.
A equipe está agora trabalhando para descobrir outros aspectos de uma lâmpada comum que eles possam controlar. Felizmente, apesar da incrível intensidade envolvida, o laser de femtossegundo pode ser alimentado por uma simples fonte de parede, o que significa que, quando o processo for refinado, ampliá-lo de forma melhorar lâmpadas comuns deve ser algo relativamente simples.
Guo também está anunciando neste mês em Applied Physics Letters
uma técnica que usa um processo com laser de femtossegundo similar para fazer um pedaço de metal movimentar automaticamente um líquido em torno de sua superfície e até fazer o líquido subir contra a gravidade.
Esta pesquisa teve o apoio do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA.
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