Fusão nuclear: sonho da energia das estrelas continua brilhando

O homem sonha em domar a fusão nuclear desde que Hans Bethe explicou de onde as estrelas tiravam tanta energia.[Imagem: Cortesia de RSC]

Fonte definitiva de energia

Em busca de uma alternativa para a matriz energética mundial, muitos cientistas acreditam que só a energia das estrelas pode representar um passo decisivo para a humanidade.

Às voltas com a sujeira e os riscos causados pela fissão nuclear, ainda debatendo se os biocombustíveisvalem a pena ou não, o mundo se vê às voltas com uma matriz essencialmente baseada no petróleo e seus parentes próximos, o carvão e o gás natural.

Para achar uma saída desse beco, as duas únicas tecnologias com potencial disruptivo são a fotossíntese artificial e a fusão nuclear.

Os experimentos com folhas artificiais estão apenas começando. Mas o homem sonha em domar a fusão nuclear desde que Hans Bethe explicou de onde as estrelas tiravam tanta energia.

Tentativas de produzir a fusão nuclear

A primeira tentativa de produzir a fusão nuclear na Terra não é de boa lembrança: em 1º de Novembro de 1952, os Estados Unidos usaram uma bomba similar à usada em Hiroshima apenas para dar a ignição na primeira bomba de hidrogênio. Funcionou, mas a coisa se mostrou tão perigosamente descontrolada que o projeto foi deixado de lado.

O recorde mundial de fusão nuclear hoje pertence ao reator tokamak do JET (Joint European Torus), no Reino Unido. Com 15 metros de diâmetro e 12 metros de altura, ele consumiu 20 MW para produzir 16 MW - mas a fusão nuclear se sustentou por menos de 10 segundos.

Hoje, todos os esforços para bater esse recorde e gerar energia são pacíficos - ao menos os que se conhece. E os projetos de fusão nuclear não são mais exclusividade dos governos e suas universidades: já há empresas privadas trabalhando na área.

O ITER usará um reator do tipo tokamak, que usa um gigantesco campo magnético para confinar um plasma que deverá atingir uma temperatura de 45 milhões de graus Celsius [Imagem: ITER]

ITER

O maior desses esforços é o ITER, sigla em inglês de Reator Internacional Termonuclear Experimental, que começou a ser erguido em Cadarache, na França.

Com um investimento planejado de US$21 bilhões, o projeto pretende consumir 50 50 megawatts (MW) de energia para dar partida em uma produção de 500 MW. Em 2027, se tudo der certo.

O problema é que ninguém sabe se vai dar certo. Muitos físicos dizem que não vai funcionar. Outros afirmam que o ITER funcionará como um excelente laboratório de física, mas nunca será uma usina de geração de energia eficiente.

• É hora de descobrir como o Universo faz as coisas explodirem

O ITER usará um reator do tipo tokamak, que usa um gigantesco campo magnético para confinar um plasma que deverá atingir uma temperatura de 45 milhões de graus Celsius para dar partida na fusão de deutério-trício.

Se funcionar, um quilograma (kg) de combustível de fusão vai gerar tanta energia quanto 10 milhões de kg de carvão.

Outro experimento já atingiu 25 milhões de graus Celsius, ainda abaixo do ponto de partida da fusão. Mas os projetistas do ITER confiam em seu 18 gigantescos ímãs supercondutores, cada um pesando 360 toneladas, para confinar uma quantidade de plasma suficiente para chegar lá.

Visão interna do reator Ignitor, mostrando a cavidade em formato de anel onde o plasma ficará confinado por campos magnéticos extremamente fortes. A fusão nuclear deverá ocorrer no interior desse plasma. [Imagem: Bruno Coppi]

Ignitor

O Ignitor é um projeto conjunto entre a Itália e a Rússia, bem menos ambicioso que o ITER.

O Ignitor será na verdade uma versão ampliada do Alcator C-Mod, desenvolvido pela equipe do professor Bruno Coppi, do MIT.

O reator, que está sendo erguido nas proximidades de Moscou, terá aproximadamente o dobro do tamanho do Alcator, com uma câmara principal em forma de anel com 1,3 metro de diâmetro - a câmara do ITER terá 6,2 metros de diâmetro.

O Alcator não nasceu para gerar energia, mas como um laboratório para estudar as estrelas.

Ao longo dos anos, os cientistas foram aprimorando seus detalhes técnicos, a ponto de atingirem um estágio no qual eles acreditam ser viável usar a tecnologia para produzir temperaturas suficientes para iniciar a fusão nuclear.

Como estão trabalhando em uma área desconhecida, os cientistas parecem mais interessados em trocar experiências do que em competir. Evgeny Velikhov, responsável pelo lado russo do projeto, também é membro do conselho do ITER.

Mas o Dr. Coppi não se cansa de dizer, entrevista após entrevista, que, mesmo que o Ignitor nunca gere mais energia do que consumir, ainda assim a astrofísica terá muito a ganhar com o experimento.

O desenho complexo e tortuoso do Wendelstein 7-X servirá para demonstrar a utilidade do tipo stellarator de reator de fusão para a geração de energia. [Imagem: Max Planck Institute]

Sterellator

O tokamak não é o único caminho para tentar domar a fusão nuclear.

O projeto Wendelstein 7-X, do Instituto Max Planck, da Alemanha, está construindo um reator de fusão do tipo stellarator - ele será o maior do mundo desse tipo.

Um tokamak é alimentado por uma corrente de plasma. Essa corrente fornece uma parte do campo magnético responsável por isolar o próprio plasma das paredes do reator. O grande problema é evitar as "disrupções", as instabilidades do plasma circulante pelo torus.

Um reator do tipo stellarator não tem corrente, eliminando de pronto o problema das instabilidades do plasma. Esse tipo de reator tem um desenho esquisito, mas também tem seus próprios problemas, como uma tendência a perder energia.

Cada stellarator foge à sua própria maneira do tipo "clássico", fazendo modificações e otimizações que tentam coibir os defeitos o obter um funcionamento contínuo.

O Wendelstein 7-X terá 50 bobinas supercondutoras, medindo 3,5 metros de altura cada uma, para gerar o campo magnético primário. Para completar o sistema de contenção do plasma será usada uma camada adicional com 20 bobinas planares, colocadas sobre as primeiras, que terão o papel adicional de permitir o controle da intensidade do campo magnético.

O conjunto todo é contido dentro de uma estrutura de 16 metros de diâmetro. Uma usina de refrigeração fornecerá 5.000 Watts de hélio líquido para manter asupercondução dos fios que formam as bobinas.

O Wendelstein 7-X será um reator de pesquisa, sem intenção de produzir energia. Na verdade, a intenção é demonstrar a viabilidade da construção de uma usina de fusão nuclear usando um reator do tipo stellarator. Se tudo ocorrer segundo o cronograma, o reator deverá entrar em funcionamento em 2014.

Megalaser tentará criar fusão nuclear para gerar eletricidade [Imagem: Hiper]

Fusão nuclear com laser

O projeto europeu Hiper (sigla em inglês de Pesquisa de Energia Laser de Alta Potência) pretende atingir as altas temperaturas necessárias parainiciar a fusão nuclear usando um equipamento de raio laser do tamanho de um estádio de futebol.

Um laser de alta potência vai comprimir átomos de hidrogênio para conseguir uma densidade 30 vezes maior do que a do chumbo.

Um segundo laser vai aumentar a temperatura do hidrogênio comprimido acima dos 100 mihões de graus Celsius - ao menos é o que os cálculos indicam.

Nessas condições, os núcleos do hidrogênio deverão se fundir para formar hélio.

Iniciado em 2008, o Hiper é financiado pela Comissão Europeia e envolve 26 instituições de dez países.

Em vez de confinar o plasma em uma estrutura toroidal, como no tokamak, o motor de fusão vai acelerar duas pequenas bolas de plasma uma em direção à outra. [Imagem: Helion Energy]

Motor de fusão

Os cientistas da empresa privada Helion Energy são bem mais comedidos do que seus parceiros institucionais.

Seu reator de fusão nuclear é um equipamento cilíndrico de 16 metros de comprimento e pouco mais de um metro de diâmetro.

Chamado de "motor de fusão", o reator não usará supermagnetos supercondutores mantidos em temperaturas criogênicas: ele usará um processo conhecido como configuração de campo reverso.

Em vez de confinar o plasma em uma estrutura toroidal, como no tokamak, o motor de fusão vai acelerar duas pequenas bolas de plasma uma em direção à outra.

Manter o plasma isolado em um aparato linear é muito mais simples do que o formato toroidal, exigindo um campo magnético menos intenso e mais fácil de controlar. É por isso que o reator é tão menor do que seus concorrentes.

Se os cálculos estiverem corretos, a colisão deverá gerar calor suficiente para fundir os núcleos dos átomos, aquecê-los e iniciar a fusão de forma sustentada.

Como a fusão ocorre em um ponto determinado no espaço é mais fácil também recolher os nêutrons gerados. Os nêutrons são essenciais para gerar o combustível da fusão.

E, se eles escaparem, podem tornar radioativas as peças metálicas do equipamento com as quais entrarem em contato - isso acontecerá no ITER, que deverá trocar as partes internas do seu reator periodicamente.

O protótipo do motor de fusão atingiu uma temperatura de 25 milhões de graus Celsius, bem abaixo do necessário. Mas os cientistas calculam que a temperatura necessária será alcançada com um equipamento apenas três vezes maior.

A NASA e o Departamento de Defesa dos Estados Unidos já investiram US$5 milhões na empresa, que agora está procurando parceiros privados para levantar mais US$20 milhões, necessários para construir a versão final do seu motor de fusão.

O aparato experimental produziu uma temperatura de 5 milhões de graus Celsius durante 1 microssegundo. [Imagem: General Fusion]

Fusão geral

A empresa canadense General Fusion está usando uma outra abordagem para tentar obter a fusão nuclear sustentada.

A técnica chama-se fusão de plasma magnetizado e consiste em iniciar a fusão em um plasma comprimido de forma intensa e rápida no interior de uma esfera giratória de metal líquido.

O reator funciona em ciclos sequenciais, com cada compressão do plasma magnetizado produzindo um "disparo" de energia gerada pela fusão.

São quatro ciclos: criação do plasma de deutério e trício, aprisionamento do plasma em um campo magnético, compressão do plasma magnetizado, gerando a fusão e, finalmente, captura do calor gerado pela fusão para uso em uma usina termoelétrica.

Os resultados ainda são modestos: segundo a empresa, o aparato produziu uma temperatura de 5 milhões de graus Celsius durante 1 microssegundo.

Mas a General Fusion tem mais dinheiro para construir versões maiores do seu reator: os US$30 milhões foram levantados entre investidores privados, entre os quais Jeff Bezos, da Amazon.

Esquema do reator Rostoker/Monkhorst, mostrando os íons do combustível (106) viajando ao redor e através da armadilha magnética. Os pesquisadores acreditam que, induzindo variações na velocidade do combustível, os íons irão se chocar com energia suficiente para se fundirem. [Imagem: Rostoker and Monkhorst/University of California]

Fusão secreta

Há uma outra empresa privada na área, chamada Tri Alpha Energy, que não gosta de aparecer e nem divulga seus projetos, mas que aparentemente está usando um conceito criado pelos físicos Norman Rostoker e Hendrik Monkhorst.

A ideia é misturar hidrogênio e boro-11 em um plasma de alta temperatura para gerar a fusão.

O processo de confinamento usa a mesma configuração de campo reverso, mas aparentemente mantendo toda a energia de entrada dentro do reator - os elétrons do combustível seriam confinados eletrostaticamente e os íons seriam aprisionados magneticamente.

Os pesquisadores acreditam que, com o calor e a densidade adequadas, esses íons vão se fundir para liberar energia.

Recentemente circularam boatos de que a empresa teria levantado US$90 milhões, tendo entre seus investidores Paul Allen, cofundador da Microsoft. Mas as empresas de capital de risco apontadas nos boatos não listam a empresa em sua carteira de investimentos.

Em um artigo científico publicado em 2010, seus cientistas afirmam ter alcançado uma temperatura de 5 milhões de graus Celsius durante 2 milissegundos.

Já houve vários boatos sobre a iminência de um teste "no ano que vem", que ainda não aconteceu. Os mais otimistas opinam que uma versão comercial do reator Rostoker/Monkhorst - capaz de produzir mais energia do que consome - não sairá antes de 2020.

A fusão nuclear a frio, ou fusão de baixa energia, não pretende ser usada para geração de energia, mas poderá ser útil na área médica. [Imagem: Melvin Miles]

Fusão nuclear a frio

Há também propostas mais controversas para a fusão nuclear, embora não voltadas especificamente para a produção de energia.

A principal delas é a chamada fusão nuclear a frio, ou fusão de baixa energia, que mostra os indícios da fusão por meio dos nêutrons gerados no processo - pouquíssimos nêutrons, em comparação com os experimentos que pensam em gerar energia.

A ideia surgiu em 1989, quando Martin Fleishmann e Stanley Pons afirmaram ter verificado a fusão nuclear em uma célula eletrolítica. Mas nenhum outro grupo conseguiu reproduzir o experimento.

A esperança renasceu em 2009, quando Pamela Mosier-Boss e sua equipemodificaram ligeiramente a célula eletrolítica de Fleishmann e Pons e tiveram resultados animadores, ainda que frágeis demais para qualquer uso prático.

Mas a fusão nuclear a frio só voltou a ser levada a sério em 2010, quando a Sociedade Americana de Química promoveu um evento de dois dias exclusivamente para discutir o assunto. Deste o fiasco inicial, quem se atrevia a pesquisar a área preferia trabalhar em silêncio.

Foram mais 50 apresentações de experimentos que apresentaram resultados significativos, suficientes para colocar o assunto em pauta novamente. Mas ninguém sonha em usar a fusão a frio para geração de energia.

Fusão por cavitação

Pelo menos três grupos se envolveram em uma pretensa fusão nuclear em um equipamento de mesa, desde que Rusi Taleyarkhan e seus colegas do Laboratório Nacional Oak Ridge afirmaram ter conseguido iniciar a fusão pelo colapso de microbolhas.

Seth Putterman, da Universidade da Califórnia, fez uma demonstração semelhante em 2005, mas usando o aquecimento de um cristal em um ambiente de deutério. A produção de nêutrons, contudo, foi muito pequena, e os cientistas nunca chegaram a afirmar que a técnica seria útil para a geração de energia.

No mesmo ano, uma equipe da Universidade Purdue afirmou ter confirmado o experimento de Taleyarkhan, baseado na cavitação de microbolhas.

Contudo, depois da contestação de outros cientistas, a Universidade fez uma sindicância e concluiu que Yiban Xu e Adam Butt haviam falseado os resultados.

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Antimagneto cria invisibilidade magnética

Qualquer campo magnético criado dentro da camuflagem - imagine um ímã permanente colocado lá dentro - não "vazaria" para o seu exterior, ou seja, fora da camuflagem seria como se o campo magnético daquele ímã não existisse. [Imagem: Sanchez et al.]

Camuflagem magnética

Pesquisadores espanhóis afirmam ser possível construir um manto da invisibilidade magnético.

Nesse novo tipo de camuflagem, um objeto continuaria tão visível quanto antes, mas seria imune aos campos magnéticos ao seu redor - ou, ao contrário, um campo magnético confinado pela camuflagem magnética não afetaria nada fora da própria camuflagem.

A "invisibilidade" magnética teria inúmeros usos práticos, sobretudo na construção de escudos para evitar a interferência em equipamentos críticos e em processos industriais que exigem ambientes magnéticos específicos.

Antimagneto

Alvaro Sanchez e seus colegas da Universidade Autônoma de Barcelona não chamam seu dispositivo de "camuflagem" ou "escudo", mas sim de antimagneto.

Segundo eles, o antimagneto, que poderia ser "facilmente construído" commetamateriais, teria duas propriedades básicas.

A primeira é que qualquer campo magnético criado dentro da camuflagem - imagine um ímã permanente colocado lá dentro - não "vazaria" para o seu exterior, ou seja, fora da camuflagem seria como se o campo magnético daquele ímã não existisse.

A segunda propriedade é que nem o antimagneto e nem a região coberta por ele seriam detectáveis usando um campo magnético externo.

A receita do antimagneto propõe o uso de camadas repetidas que intercalem metamateriais com resposta isotrópica a um campo magnético e metamateriais como uma resposta anisotrópica.

Receita de antimagneto

Em 2008, John Pendry e seus colegas do Imperial College London propuseram uma camuflagem magnética usando um metamaterial que tivesse uma permeabilidade magnética menor do que um em uma direção, e maior do que um na perpendicular do campo.

Supercondutores têm permeabilidade magnética igual a zero e materiais ferromagnéticos têm permeabilidade maior do que um.

Mas a receita não funcionou conforme o esperado, e a camuflagem só funcionou parcialmente.

A receita espanhola apresenta uma pequena variação, mas que os cientistas afirmam ser crucial para o sucesso.

A primeira camada, a mais interna, continua sendo feita de um material supercondutor, com sua permissividade magnética igual a 0. A camada seguinte será feita de um material ferromagnético isotrópico, com permeabilidade constante.

Segundo os cientistas, esta camada poderá ser fabricada com nanopartículas ferromagnéticas dispersas em um meio não-magnético.

A camada final deverá ser anisotrópica, mas apresentar uma permeabilidade radial constante.

Nessa configuração, o antimagneto será cilíndrico, mas o grupo afirma que ele poderá ser construído em outras geometrias.

Interruptor de campo magnético

O uso de Supercondutores - e suas temperaturas criogênicas - complica um pouco os usos práticos dessa camuflagem magnética, mas os cientistas afirmam que os antimagnetos poderiam ser usados imediatamente em equipamentos de ressonância magnética, que já usam ímãs supercondutores.

Nesse caso, o antimagneto permitiria que pacientes portadores de marca-passos e outros implantes com partes eletroeletrônicas pudessem ter acesso a esses equipamentos e se beneficiar dos exames médicos que eles proporcionam.

Eles afirmam também que a alteração da temperatura de funcionamento do antimagneto, fazendo-a oscilar abaixo e acima da temperatura crítica para a supercondução, permitirá que o magnetismo de uma região seja ligado e desligado conforme a necessidade, abrindo o caminho para outros usos.

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Uma nova forma de armazenar o calor do Sol

Nanotubos de carbono são combinados com um composto chamado azobenzeno para criar um sistema que captura e armazena o calor do Sol. [Imagem: Grossman/Kolpak]

Cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), anunciaram o desenvolvimento de uma tecnologia que usa nanotubos de carbono para armazenar a energia solar "indefinidamente", de forma química.

Este é um objetivo longamente perseguido pelos cientistas, uma vez que a energia solar poderá ser captada e armazenada para uso quando o Sol não estiver brilhando.

O armazenamento em baterias não é viável em larga escala, devido aos elevados custos e à capacidade limitada das baterias atuais.

Armazenamento termoquímico

Jeffrey Grossman e Alexie Kolpak partiram então para o armazenamento do calor captado do Sol de forma química - além de não apresentar um "limite de carregamento", como as baterias elétricas, ao contrário dessas, o material químico não se descarrega ao longo do tempo.

O problema com essa abordagem é que, até agora, os compostos químicos usados para converter a energia solar em energia química e armazená-la degradam-se depois de alguns poucos ciclos de carga e descarga, ou usam o raro e caro metal rutênio. E, ainda assim, não são nada eficientes.

Os dois pesquisadores criaram uma solução alternativa usando nanotubos de carbono, combinados com um composto chamado azobenzeno.

As moléculas resultantes, sintetizadas dentro de nanomoldes para dar-lhes formato e ajustar sua estrutura física, "ganha novas propriedades que não estão presentes nos materiais separados," afirmam os pesquisadores.

Bateria de calor recarregável

O armazenamento termoquímico da energia solar utiliza uma molécula cuja estrutura se altera quando exposta à luz do Sol, podendo permanecer estável nessa nova estrutura de forma praticamente indefinida.

Esquema de funcionamento do sistema de armazenamento de calor do Sol na forma termoquímica. [Imagem: Kolpak/NanoLetters]

Quando a energia é necessária, a molécula é forçada a voltar ao seu estado natural, seja por um catalisador, uma alteração de temperatura ou mesmo um disparo de luz. Ao retornar à sua estrutura anterior, a energia armazenada é liberada na forma de calor.

Ou seja, os pesquisadores criaram uma bateria de calor recarregável, combinando a captura da energia e seu armazenamento em um mesmo material.

Densidade energética

O novo material não apenas é muito mais barato - ao substituir o rutênio por carbono - como também é muito mais eficiente no armazenamento de energia por volume, mostrando-se 10.000 vezes mais eficiente do que os materiais desenvolvidos até agora.

Isso faz com que o armazenamento termoquímico atinja uma densidade energética similar à das baterias de íons de lítio.

Ainda assim, o material não é eficiente para qualquer uso.

O processo parece promissor para aplicações onde o calor é necessário diretamente, uma vez que, para a geração de eletricidade, seria necessário o uso de outro processo de conversão, usando materiais termoelétricos ou produzindo vapor para acionar um gerador.

Isso diminuiria bastante a eficiência geral do sistema.

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Laser imprime depósito de energia

O "depósito de energia", o supercapacitor, pode adicionalmente receber um eletrólito externo, o que eleva sua capacidade. [Imagem: Gao et al./Nature]

Pesquisadores da Universidade Rice, nos Estados Unidos, desenvolveram uma técnica para criar supercapacitoresescrevendo com um laser em uma folha flexível de grafite.

Imprimindo capacitores

Supercapacitores são dispositivos de armazenamento de energia elétrica capazes de liberar uma grande quantidade de energia em um curto período de tempo, ao contrário das baterias, que liberam sua energia lentamente.

Hoje, sua construção exige que dois eletrodos condutores sejam separados por um material isolante, que contém o eletrólito.

Mas a equipe do Dr. Pulickel Ajayan descobriu como fazer isso usando apenas uma folha de óxido de grafite e um raio laser, dispensando qualquer processo de montagem.

Os cientistas já sabiam que o calor de um laser pode converter o óxido de grafite, que é isolante, em óxido de grafite reduzido, que é um condutor.

O que ninguém havia pensado até agora era em usar o laser para "desenhar" o supercapacitor diretamente em uma folha de óxido de grafite, criando os componentes de óxido de grafite reduzido em um único passo.

Condutor iônico

Eventualmente alguém tenha pensado nisso, mas não tenha descoberto que o óxido de grafite, quando hidratado, pode aprisionar íons e funcionar tanto como um eletrólito sólido quanto como uma camada separadora isolante.

"Isto é muito fácil de fazer, já que o óxido de grafite absorve a água como uma esponja, e consegue assimilar até 16% do seu peso," explica Wei Gao, principal autor da pesquisa.

"A descoberta fundamental aqui é que o óxido de grafite, quando contém água, funciona como um condutor iônico," complementa o Dr. Ajayan.

Isto permite que o supercapacitor seja inteiramente construído em um único passo, usando o laser para escrever o componente sobre uma folha de óxido de grafite hidratado.

O "depósito de energia" pode adicionalmente receber um eletrólito externo, o que eleva sua capacidade.

Vantagens e desvantagens

Um supercapacitor tem várias vantagens em relação a uma bateria, incluindo ciclos de carga/descarga virtualmente infinitos, baixa perda elétrica e grande capacidade de armazenamento.

Mas tem também uma grande deficiência: sua energia é liberada praticamente de uma só vez, o que o torna inadequado para alimentar equipamentos que devem funcionar por longos períodos.

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Flexoeletricidade: cristal sintético é produzido para gerar energia

A posição de um microscópio de força atômica é controlada por um "motor" piezoelétrico. Mas os dispositivos flexoelétricos poderão ser ainda mais importantes no posicionamento em nanoescala agora que os cientistas descobriram como fabricá-los com precisão. [Imagem: Wikimedia Commons]

Flexibilidade incorporada

Alguns materiais produzem um campo elétrico quando você os dobra - um fenômeno chamado efeito flexoelétrico.

Mas esse efeito era pequeno demais para que se pensasse em aplicações tecnológicas para ele.

Agora, uma equipe coreana descobriu como gerar um grande efeito flexoelétrico a partir de uma fina película fabricada com uma "flexibilidade incorporada".

Eles também descobriram como variar o grau dessa capacidade de flexão e, portanto, a força do campo elétrico gerado.

O efeito pode ser surpreendentemente forte, o bastante para ser útil em sensores e atuadores em nanoescala, como os necessários para movimentar MEMSe micro e nano robôs.

Efeito piezoelétrico

O efeito flexoelétrico é o primo mais novo do já bem conhecido efeito piezoelétrico, em que determinados sólidos desenvolvem um campo elétrico interno quando são comprimidos ou esticados.

O fenômeno tem-se mostrado útil em inúmeros dispositivos, de microscópios eletrônicos de tunelamento e nanogeradoresa isqueiros e acendedores de fogão.

Mas ele só ocorre em 20 das 32 classes de simetria de cristais que os cientistas usam para classificar os materiais sólidos.

Materiais que geram um campo elétrico ao serem dobrados, por outro lado, podem ter qualquer classe de simetria.

Efeito flexoelétrico

Flexionar um cristal estica cada uma das suas camadas atômicas em uma intensidade ligeiramente diferente, sendo a camada externa da superfície curvada a que mais se estica.

Esse "gradiente de tensão" pode movimentar alguns íons no cristal o suficiente para gerar um campo elétrico.

O efeito tem sido observado em materiais flexíveis, como os cristais líquidos, ografeno e até mesmo no cabelo, mas nunca forte o suficiente em um sólido comum para ser útil.

Em vez de começar com um material flexível e dobrá-lo, Tae Won Noh e seus colegas da Universidade Nacional de Seul, na Coreia, construíram o gradiente de pressão diretamente em seu cristal.

A equipe cresceu filmes finos de óxido de manganês e hólmio (HoMnO3), um material que é ferroelétrico, o que significa que ele pode manter um campo elétrico permanente, assim como um material ferromagnético mantém um campo magnético.

Os átomos de cada camada sucessiva, que se condensaram a partir do vapor, ficaram ligeiramente mais próximos uns dos outros do que a camada abaixo. [Imagem: Lee et al./PRL]

Configurando o material

A forma padrão para construir um gradiente de tensão em um filme é fazê-lo crescer camada por camada sobre uma superfície, com os átomos espaçados de forma ligeiramente diferente do cristal "nativo", sobre o qual o material está sendo crescido.

A equipe usou uma superfície de safira, cujo espaçamento atômico é 3,5 por cento maior do que no HoMnO3. Os átomos de cada camada sucessiva, que se condensaram a partir do vapor, ficaram ligeiramente mais próximos uns dos outros do que a camada abaixo, mas esse "relaxamento" em relação ao espaçamento natural variou drasticamente, dependendo da quantidade de oxigênio presente na câmara.

Com baixo teor de oxigênio, o filme formou-se com muitos pontos sem esse elemento, o que reduziu sua capacidade de "apertar" seu espaçamento atômico com a crescente espessura do filme. Assim, o espaçamento da camada superior foi muito maior do que nos filmes gerados com alto teor de oxigênio.

Usando difração de raios X, a equipe detectou gradientes de tensão 10 milhões de vezes maiores do que já havia sido detectado em tiras macroscópicas de materiais semelhantes. Este gradiente de pressão gigantesco produziu um grande campo elétrico através do efeito flexoelétrico.

Normalmente, o campo elétrico dentro de um material ferroelétrico não é uniforme - o material se divide em zonas, cada uma com um campo em uma direção específica.

A equipe capturou imagens destes domínios, que mostraram que o efeito flexoelétrico era forte o suficiente em altas temperaturas, nas amostras com alto teor de oxigênio, para gerar um único domínio no filme.

Mas filmes cultivados em ambiente mais pobre de oxigênio - portanto, com menores gradientes de tensão - apresentaram um efeito menor sobre os domínios e outras propriedades ferroelétricas. Assim, controlar o nível de oxigênio, é a chave para "ajustar" as propriedades do material.

"Você pode usar este campo elétrico para controlar as propriedades físicas do seu sistema", diz Noh. "Ninguém tinha usado o efeito flexoelétrico para controlar esses tipos de propriedades."

Flexoeletricidade

Noh afirma que filmes tensionáveis já existem há décadas, mas ninguém havia prestado atenção no seu efeito flexoelétrico: "Nós estamos dizendo a quem trabalha na área: 'Olhe para eles. Prestem atenção nessas propriedades'."

O principal resultado é que as condições atmosféricas durante o crescimento dos filmes afetam sua flexoeletricidade, comenta Gustau Catalan, do Centro de Pesquisas em Nanociência e Nanotecnologia da Espanha.

"A flexoeletricidade pode, portanto, ser controlada por meio de uma escolha cuidadosa das condições de crescimento, permitindo o ajuste de uma propriedade física importante," diz ele.

Noh afirma que a expectativa é que a piezoeletricidade seja importante nos futuros motores em nanoescala e em memórias para computador. Igualmente, nas magnitudes agora alcançadas, os filmes flexoelétricos também poderão ser importante nesses dispositivos.

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Menor bateria de lítio do mundo é um único nanofio

As dimensões minúsculas são suficientes para tirar o título de menor bateria do mundo da versão construída há menos de um ano por pesquisadores dos Laboratórios Sandia. [Imagem: Ajayan Lab/Rice University]

Pesquisadores conseguiram miniaturizar uma bateria de íons de lítio ao que parece ser seu limite final.

Em conjunto com células solares ou sistemas de colheita de energia - as vibrações do ambiente, por exemplo - uma bateria recarregável amplia as possibilidades de uso das redes de sensores, equipamentos nanoeletrônicos e mesmo das atuais etiquetas RFID.

Menor bateria do mundo

Pulickel Ajayan e seus colegas da Universidade Rice, nos Estados Unidos, já haviam construído uma nanobateria 3D, feita com vários nanofios superpostos.

Agora eles levaram o conceito ao limite e demonstraram que é possível construir uma nanobateria de lítio em um único nanofio.

Os pesquisadores afirmam não ver como uma bateria possa ficar menor do que um nanofio e continuar totalmente funcional sem depender de aparatos externos. Ou seja, para eles, esta seria não apenas a menor bateria do mundo, como também a menor bateria de lítio que se pode construir.

Nanofio recarregável

A nanobateria é, a rigor, um dispositivo híbrido, uma mistura de bateria esupercapacitor.

Os cientistas construíram duas versões dela.

A primeira é um sanduíche formado por um anodo de níquel/estanho, um eletrólito de óxido de polietileno (PEO), e um catodo de polianilina.

Esse protótipo foi construído para provar que os íons de lítio movem-se de forma eficiente do anodo até o eletrólito e, em seguida, para o catodo.

O catodo é uma espécie de supercapacitor, que armazena os íons e dá ao dispositivo a capacidade de carga e descarga rápida.

A segunda versão coloca todos esses recursos em um único nanofio, medindo cerca de 150 nanômetros de diâmetro.

Os pesquisadores construíram milhares dessas nanobaterias em conjuntos cujas dimensões chegam à casa dos centímetros.

Ciclos de carga e recarga

Os testes foram feitos em conjuntos das baterias de nanofios medindo 50 micrômetros de comprimento.

Isto é suficiente para tirar o título de menor bateria do mundo da versão construída há menos de um ano por pesquisadores dos Laboratórios Sandia, também baseada em nanofios, mas que depende de um catodo externo para funcionar.

O protótipo ainda não é muito robusto, suportando apenas 20 ciclos de carga e recarga. É nisso que o grupo planeja trabalhar agora.

"Há muito a ser feito para otimizar esses dispositivos em termos de desempenho," afirmou Sanketh Gowda, que fez os experimentos. "A otimização do polímero separador e sua espessura, além do uso de eletrodos diferentes, poderá levar a novos melhoramentos."

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IBM bate recorde de acesso a dados

A IBM bateu todos os recordes de acesso a grandes conjuntos de dados.

O sistema leu 10 bilhões de arquivos em um único sistema em apenas 43 minutos.

O recorde anterior era de 1 bilhão de arquivos em 3 horas.

Sistema de arquivos paralelo

A solução é proprietária da IBM, um sistema de arquivos de acesso paralelo chamado GPFS (General Parallel File System ).

O recorde foi alcançado em um cluster de 10 computadores dotados de processadores de oito núcleos e drives de armazenamento de estado sólido - em substituição aos discos rígidos - com uma capacidade de 6,8 terabytes.

O algoritmo do GPFS permite a utilização plena de todos os núcleos dos processadores, em todas as máquinas, em todas as fases da tarefa - leitura dos dados, classificação e avaliação de regras.

Os aplicativos mantêm de forma sustentada - e não apenas picos - centenas de milhões de operações de entrada e saída de dados, enquanto o GPFS continuamente identifica, seleciona e classifica o conjunto correto de arquivos entre os 10 bilhões acessáveis no sistema.

Armazenamento unificado

A escala de crescimento obtida - um fator de 37 - aponta para a possibilidade de unificação dos ambientes de dados em uma única plataforma, em vez de sua distribuição por diversos sistemas, que precisam ser gerenciados separadamente.

Além do aumento na velocidade de acesso, o crescimento também aponta para a redução de custos no armazenamento de dados, evitando a aquisição de um número crescente de equipamentos.

Esse sistema de arquivos foi projetado para aplicações que exigem alta velocidade de acesso a grandes volumes de dados.

Entre essas aplicações estão mineração de dados, para determinar os comportamentos de compra de clientes, processamento de dados sísmicos, gestão de risco e análise financeira, modelagem do tempo e pesquisas científicas.

Novos negócios

As empresas estão continuamente sob pressão para transformar rapidamente seus dados em insights para novos e melhores negócios, mas não é nem simples e nem barato lidar com tantos dados.

Conforme surgem novas aplicações para a tecnologia da informação, do sistema financeiro aos serviços de saúde, os sistemas tradicionais de gerenciamento de dados precisam de aumentos contínuos em sua capacidade, velocidade e segurança.

Estima-se que o repositório de dados digitais em todo o mundo tenha crescido 47% no ano passado.

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Redes neurais podem prever consumo de água

Estudo do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica (Poli) da USP, resultou num método para prever a demanda de água em regiões urbanas, que poderá ser usado para otimizar o abastecimento da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP).

A autora do trabalho, a engenheira civil Cláudia Cristina dos Santos, usou Redes Neurais Artificiais (RNA) para analisar as variáveis socioambientais e meteorológicas que influenciam o consumo água na RMSP e desenvolver um modelo de previsão de demanda a curto prazo.

Redes Neurais Artificiais

Redes neurais artificiais são estruturas ou sistemas computacionais que realizam o processamento de dados tentando imitar o funcionamento do cérebro humano.

"As redes neurais artificiais são modelos de processamentos matemáticos que tentam simular os sistemas naturais, utilizando-se de estruturas análogas às Redes Neurais Biológicas (RNB)", explica Cláudia, atualmente no Departamento de Sensoriamento Remoto do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe).

"Elas são baseadas na simulação computacional de aspectos da inteligência humana, levando em consideração a capacidade que o nosso cérebro tem de aprender e tomar decisões estruturadas em sua aprendizagem," afirma.

De acordo com a pesquisadora, as redes neurais artificiais têm sido utilizadas em tarefas de reconhecimento de padrões, processamento de sinais, controle de processos, otimização de sistemas e previsões.

No caso do seu trabalho, o sistema pode prever o consumo para o dia seguinte ou até mesmo para a próxima hora.

"Sabendo a previsão para próxima hora pode-se fazer a otimização de um sistema", diz Cláudia. "Devido ao aumento do crescimento populacional da RMSP, a disponibilidade hídrica existente e a complexidade do sistema de abastecimento, esta pesquisa é uma importante ferramenta para auxiliar na operação e melhorar o fornecimento de água."

Perfil do consumo de água

O levantamento do consumo médio mensal, por sua vez, mostrou que ele varia ao longo do ano, sendo maior no verão, com pico em março, e menor no inverno, com destaque para julho.

Em geral, a tendência do consumo é diminuir a partir do mês de março e aumentar a partir do mês de novembro. O mês de agosto tem um pico em relação aos meses de inverno, consequência do tempo seco que ocorre nesse período, que provoca um aumento no consumo.

Durante a semana, o domingo é o dia de menor consumo e a sexta-feira o de maior, sendo que as quartas-feiras e os sábados são dias de consumo próximos da média. "Mas isto não é regra, porque esta variação depende de fatores inerentes à região de cada sistema", diz Cláudia.

O mesmo pode ocorrer em relação ao consumo no decorrer do dia. "Em geral o pico do consumo acontece a partir das 12 horas, quando passa a ser mais ou menos constante, com pequenas variações até as 17 horas", revela Cláudia. "Depois começa a diminuir por volta das 18 horas, tornando-se quase constante no período entre 21 e 24 horas. O período entre 1 às 6 horas da manhã apresenta uma redução do consumo, sendo que o mínimo ocorre às 6 horas da manhã. Após este período passa a aumentar novamente."

Memória das redes neurais

Para o estudo das variáveis sócio-ambientais e meteorológicas, Cláudia utilizou dados de consumo de água fornecidos pela Sabesp e meteorológicos do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG), da USP. A pesquisa foi feita nas principais Estações de Tratamento de Água (ETA) dos oitos sistemas produtores de água que compõem o Sistema de Abastecimento da RMSP. Para realizar a previsão de demanda foi analisada apenas a ETA do sistema Cantareira, que é o maior da RMSP, e um pequeno setor considerado como de consumo doméstico, chamado de Itaim Paulista, no bairro do mesmo nome, na Zona Leste da cidade de São Paulo.

Segundo a pesquisadora, a ETA Cantareira e o setor Itaim Paulista foram utilizados para avaliar a relação entre o consumo e as variáveis socioambientais e meteorológicas para o ano de 2005.

Os dados obtidos foram usados para o treinamento, o teste e a previsão feitas pelas redes neurais artificiais. Para a ETA Cantareira foram criados 8 modelos de previsão e para o setor ltaim Paulista, 57. O desempenho dos modelos foi avaliado por meio de vários parâmetros estatísticos.

"Os resultados mostraram a importância da 'memória' das redes neurais artificiais, pois ela ajuda a melhorar o desempenho da previsão", conta Cláudia. "Os resultados das previsões tiveram níveis de erros aceitáveis."

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