Refrigeração passiva

Se um material capaz de refletir 104% da luz que incide sobre ele lhe parece algo como “criar luz”, é porque é isso mesmo.

É o que faz um novo aerogel feito de polímeros de base biológica, desenvolvido por Jian-Wen Ma e colegas da Universidade de Sichuan, na China, e ele faz essa “mágica” graças aos efeitos da fotoluminescência.

O aerogel biodegradável, feito de gelatina e DNA, ultrapassa 100% da refletância solar, a medida da proporção de luz que atinge uma superfície que é refletida nela.

Com essa propriedade inédita, o material produziu um resfriamento radiativo excepcional, tornando-se a alternativa de maior desempenho entre os promissores materiais de refrigeração passiva, que irradiam calor para o espaço sem gastar energia, viabilizando tecnologias de refrigeração sustentáveis, energeticamente eficientes e ambientalmente conscientes, que são cruciais para a adaptação às mudanças climáticas.

Apesar de representarem uma estratégia de gestão térmica sustentável, muitas estratégias de resfriamento passivo dependem de materiais poliméricos que não possuem estabilidade a longo prazo, não são recicláveis ou contêm compostos químicos nocivos. Além disso, os polímeros derivados da petroquímica muitas vezes enfrentam desafios quando usados para resfriamento radiativo óptico diurno devido à sua intrínseca absorção solar.

O novo aerogel supera essas limitações, embora também ao custo de detalhes que ainda precisarão ser aprimorados.

Refrigeração com biopolímero

Tirando proveito das interações entre as moléculas de DNA e uma gelatina, a equipe sintetizou um aerogel de biomassa fotoluminescente com um grande efeito de resfriamento. A combinação do DNA e da gelatina, montados em uma estrutura de aerogel com camadas ordenadas, criou um material de resfriamento radiativo passivo que atinge uma refletância média de luz visível de 104,0%.

O fenômeno ocorre por meio de comportamentos inesperados de fotoluminescência, mais especificamente de fluorescência e de fosforescência. A fluorescência ocorre devido ao rápido retorno dos elétrons dos átomos ou moléculas do material de volta ao seu estado fundamental, depois de terem sido energizados pela luz que os atingiu. Essa emissão de luz é quase instantânea, levando menos de 10 nanossegundos. Já a fosforescência se caracteriza por uma emissão de luz mais lenta e persistente, que pode durar de segundos a horas depois que a luz de energização cessa. Isso ocorre porque a transição dos elétrons de volta ao estado fundamental é mais lenta, envolvendo estados intermediários de energia.

Com essa refletância “impossível”, o aerogel gerou um resfriamento de 16 °C sob alta irradiância solar.

Além disso, os pesquisadores demonstraram que seus aerogéis – que foram fabricados exclusivamente a partir de matéria-prima de biomassa e em grandes volumes – apresentam reparabilidade, reciclabilidade e biodegradabilidade impressionantes.

Nada é perfeito

Apesar do desempenho excepcional de resfriamento radiativo dos aerogéis de gelatina-DNA, sua estabilidade e resistência às intempéries são inferiores em comparação com os resfriadores cerâmicos.

E, como o que se espera deles envolve justamente operar de modo contínuo e duradouro em ambiente aberto, este é um desafio importante a ser vencido.

E melhorar a estabilidade e a resistência às intempéries dos resfriadores radiativos passivos poliméricos baseados em biopolímeros é um desafio nada desprezível, uma vez que esses biomateriais degradam-se rapidamente no ambiente. Ou seja, o que os torna benéficos ao meio ambiente e facilita sua reciclagem, também os torna menos atrativos para uso prático.

Fonte : Inovação Tecnológica

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

Combinação de lasers

O superlaser concentrado emitido pela Estrela da Morte, de Guerra nas Estrelas, pode não ficar restrito à ficção científica.

Aaron McKay e seus colegas da Universidade Macquarie, na Austrália, descobriram que é possível multiplicar a potência de um conjunto de lasers usando um diamante.

A chave para gerar um feixe laser de alta potência é colocar um cristal de diamante ultrapuro no ponto de convergência dos múltiplos feixes.

O feixe combinado é obtido no diamante pelo que os pesquisadores chamam de “efeito cooperativo do cristal”, que faz com que os feixes individuais transfiram sua potência em uma direção selecionada, ao mesmo tempo que evitam os problemas de distorção dos feixes individuais.

Transferência de potência

A combinação de diversos feixes de laser por um diamante é uma alternativa inovadora para outros conceitos que já estão sendo testados por diversas equipes, com a vantagem inédita de que o processo também muda a cor do feixe de laser.

“O comprimento de onda específico do feixe de energia dirigido é crítico para a transmissão eficiente através da atmosfera e para reduzir o risco para os olhos das pessoas, ou mesmo dos animais, que podem estar na vizinhança do feixe,” disse o professor Richard Mildren.

Embora outros materiais tenham apresentado o mesmo tipo de propriedade de combinação de múltiplos feixes de laser, a escolha do diamante mostrou-se essencial para se obter alta potência. O efeito de transferência de potência, chamada espalhamento Raman, é particularmente forte no diamante. Além disso, o diamante tem uma excelente capacidade de dissipação do calor residual.

Império versus rebeldes

A equipe não descarta a criação de uma versão do raio da Estrela da Morte.

“Lasers de alta potência também são necessários em aplicações espaciais, incluindo a propulsão de veículos espaciais e o combate ao crescente problema do lixo espacial, que ameaça os satélites,” disse Mildren.

Com o projeto pronto, agora é esperar que ele seja posto em prática – e torcer para que isto não seja o início da repetição na vida real da ficção vista no cinema. A maior dificuldade será criar cristais de diamante ultrapuros, como os previstos no projeto.

Bibliografia:

Diamond-based concept for combining beams at very high average powers
Aaron McKay, David J. Spence, David W. Coutts, Richard P. Mildren, //doi, 10.1002/lpor.201600130
Laser & Photonics Reviews
DOI: //topicos

Fonte : Inovação Tecnologica