Tecnologias livres da gravidade

Trens que levitam usando eletroímãs supercondutores não são nenhuma novidade, mas recentemente as tecnologias de levitação têm-se expandido, de uma levitação magnética por rotação, diversas demonstrações de levitação acústica, até a levitação por luz.

Mas será que um dia teremos uma levitação que nos permita pensar em tecnologias antigravitacionais, como carros que dispensam rodas e aviões que não dependam de sustentação atmosférica?

É justamente com essa liberdade em relação à força da gravidade que Shilu Tian e colegas do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa, no Japão, estão acenando agora.

Tian projetou e construiu uma plataforma flutuante usando grafite e ímãs permanentes, dispensando supercondutores e eletroímãs. Ou seja, esta plataforma levitante opera sem depender de fontes de energia externas, mantendo os objetos suspensos em posição estável sem qualquer contato físico ou suporte mecânico.

Por enquanto tudo só funciona em ambiente de vácuo, mas isso já é suficiente para viabilizar o desenvolvimento de sensores ultrassensíveis para medições altamente precisas e eficientes, criar gatos de Schrodinger massivos e até tentar estabelecer conexões entre a força da gravidade e a física quântica. Mais importante ainda, a demonstração permite sonhar com mais.

Levitação livre

Quando um campo magnético externo é aplicado a materiais diamagnéticos, esses materiais geram um campo magnético na direção oposta, resultando numa força repulsiva – eles se afastam do campo, sendo repelidos pelo ímã. Assim, objetos feitos desses materiais podem flutuar acima de campos magnéticos fortes. Por exemplo, nos trens maglev, poderosos ímãs supercondutores criam um forte campo magnético, e materiais diamagnéticos permitem para alcançar a levitação, aparentemente desafiando a gravidade.

O grafite, a forma cristalina do carbono encontrada nos lápis, é altamente diamagnético, sendo fortemente repelido por ímãs. Os pesquisadores então revestiram quimicamente um pó de esferas microscópicas de grafite com sílica e misturaram esse pó revestido em cera. O material foi então prensado para formar uma placa fina, de um centímetro quadrado, que paira acima de ímãs dispostos em um padrão de grade.

Esta plataforma aparentemente simples abre possibilidades interessantes para a fabricação de sensores ultrassensíveis e para se obter um controle preciso sobre plataformas oscilantes. Ao combinar levitação, isolamento do ambiente e feedback em tempo real, a demonstração amplia os limites do que é possível fazer na ciência dos materiais, na tecnologia dos sensores e nas tecnologias quânticas. Para se ter uma ideia, a plataforma permite pensar em miniaturizar os gigantescos sensores de ondas gravitacionais, que hoje ocupam laboratórios quilométricos, como o LIGO e o VIRGO.

“Se for suficientemente resfriada, nossa plataforma levitante poderá superar até mesmo os gravímetros atômicos mais sensíveis desenvolvidos até o momento. Esses são instrumentos de última geração que usam o comportamento dos átomos para medir com precisão a gravidade. Alcançar esse nível de precisão requer uma engenharia rigorosa para isolar a plataforma de perturbações externas, como vibrações, campos magnéticos e ruído elétrico. Nosso trabalho contínuo se concentra no refinamento desses sistemas para desbloquear todo o potencial desta tecnologia,” disse o professor Jason Twamley, coordenador da equipe.

Desafios da levitação

Criar uma plataforma flutuante que não requeira alimentação externa apresenta vários desafios, sendo o maior fator limitante o chamado “amortecimento de parasitas”, que ocorre quando um sistema oscilante perde energia ao longo do tempo devido a forças externas. Quando um condutor elétrico, como o grafite, passa por um campo magnético forte, ele sofre perda de energia devido ao fluxo de correntes elétricas. Essa perda de energia tem impedido o uso da levitação magnética para desenvolver sensores avançados.

A equipe japonesa tinha como objetivo projetar uma plataforma que pudesse flutuar e oscilar sem perder energia, o que significa que, uma vez colocada em movimento, ela continuará oscilando por um longo período, mesmo sem entrada adicional de energia. Esse tipo de plataforma “sem atrito” pode ter muitas aplicações, incluindo novos tipos de sensores para medir força, aceleração e gravidade.

Tão logo se consiga diminuir o amortecimento de parasitas, contudo, já surge outro desafio: Minimizar a energia cinética da plataforma oscilante. Reduzir esse nível de energia é importante por duas razões: Primeiro, para tornar a plataforma mais sensível para uso como sensor; segundo, a redução do movimento equivale a um resfriamento, levando o sistema em direção ao regime onde predominam os efeitos quânticos, o que abre novas possibilidades para medições de precisão.

Portanto, para alcançar uma plataforma flutuante autossustentável e verdadeiramente sem atrito, tanto o amortecimento quanto os desafios de energia cinética precisavam ser resolvidos.

Para conseguir isto, os pesquisadores se concentraram na melhoria do já interessante grafite. Ao alterá-lo quimicamente, eles transformaram o grafite em um isolante elétrico, o que interrompe as perdas de energia e ainda permite que o material levite no vácuo. Eles incluíram ainda um sistema de monitoramento contínuo do movimento da plataforma, usando essas informações em tempo real para gerar uma força magnética de feedback para amortecer o movimento da plataforma – essencialmente desacelerando seu movimento e resfriando-a significativamente.

“O calor causa movimento, mas monitorando continuamente e fornecendo feedback em tempo real ao sistema, na forma de ações corretivas, podemos diminuir esse movimento. O feedback ajusta a taxa de amortecimento do sistema, que é a rapidez com que ele perde energia, portanto, controlando ativamente o amortecimento nós reduzimos a energia cinética do sistema, efetivamente resfriando-o,” explicou o professor Twamley.

Artigo: Feedback cooling of an insulating high-Q diamagnetically levitated plate
Autores: Shilu Tian, K. Jadeja, D. Kim, A. Hodges, G. C. Hermosa, C. Cusicanqui, R. Lecamwasam, J. E. Downes, Jason Twamley
Revista: Applied Physics Letters
Vol.: 124, 124002
DOI: 10.1063/5.0189219

Fonte : Inovação Tecnológica