Projetos Pyramon

Mecânica

Avião supersônico do futuro será biplano

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/03/2012

O grupo do Dr. Shigeru Obayashi, da Universidade de Tohoku, trabalha há vários anos tentando melhorar o projeto do alemão Adolf Busemann, que criou o conceito de um avião supersônico biplano nos anos 1930. [Imagem: Obayashi laboratory/Tohoku University]

Sucessor do Concorde

Engenheiros acreditam ter encontrado a solução para um avião supersônico que não sofra dos mesmos problemas do Concorde.

O Concorde voava de Nova Iorque a Paris em três horas e meia - mas a capacidade de passageiros era pequena, as passagens eram caras, o avião consumia muito combustível e só podia superar a barreira do som quando voava sobre os oceanos, por causa do estrondoso boom sônico.

Buscando inspiração em um projeto alemão dos anos 1950, uma equipe japonesa e outra norte-americana acreditam que tudo pode ser solucionado colocando mais um conjunto de asas, ou um segundo plano de sustentação, criando um avião supersônico biplano.

Jato supersônico biplano

O grupo do Dr. Shigeru Obayashi, da Universidade de Tohoku, trabalha há vários anos tentando melhorar o projeto do alemão Adolf Busemann, que criou o conceito de um avião supersônico biplano nos anos 1930.

A grande vantagem do jato biplano é a eliminação do incômodo boom sônico. [Imagem: Obayashi laboratory/Tohoku University]

A grande vantagem do biplano é a eliminação do incômodo boom sônico, o estrondo que resulta de ondas de choques criadas pelos aviões quando eles superam a barreira do som.

Segundo os cálculos, duas asas, uma posicionada acima da outra, cancelam as ondas de choque produzidas pelas asas individuais, eliminando definitivamente o estrondo.

O problema é que o projeto de Busemann sofria de um mal irremediável: a falta de sustentação. Ele voaria bem em velocidades supersônicas, mas a transição para Mach 1 geraria um arrasto tal que a aeronave não se manteria no ar.

A solução do grupo japonês é usar partes móveis nas asas para lidar com as diferentes características de voo durante as velocidades sub e super-sônicas.

O projeto foi elaborado com o auxílio dos chamados algoritmos genéticos, programas inspirados na teoria da evolução que "aprendem" com os erros anteriores, gerando novas gerações de soluções que mesclam características das gerações anteriores que tiveram maior sucesso.

Eles batizaram seu avião de Misora, a palavra japonesa para céu, e também sigla para MItigated SOnic-boom Research Airplane.

O projeto do MIT não apresenta diferenças visíveis em relação ao projeto Misora, mas elimina a necessidade de partes móveis ativas nas asas. [Imagem: Christine Daniloff/MIT/Obayashi laboratory/Tohoku University]

Asas passivas

A equipe do MIT optou por uma técnica mais tipo força bruta.

Qiqi Wang e seus colegas fizeram simulações por computador testando 700 configurações de asas, cada uma delas voando nas diversas velocidades que se espera de um avião supersônico.

Além de confirmar os cálculos da equipe japonesa - o biplano supersônico parece que realmente elimina o boom sônico - o grupo conseguiu eliminar a necessidade de materiais ativos, conseguindo manter a estabilidade do avião em todas as velocidades usando asas inteiramente fixas.

Os resultados mostraram que, com uma superfície interna de cada asa mais lisa, cria-se um canal largo através do qual o ar pode fluir.

Os pesquisadores também descobriram que saliências na borda superior da asa de cima, e na borda inferior da asa de baixo, reduzem à metade o arrasto de jatos supersônicos como o Concorde.

O próximo passo da pesquisa é construir um modelo tridimensional para realizar testes em túneis de vento.

Materiais Avançados

Metamateriais produzem hologramas e partem para mudar a Óptica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/03/2012

Embora funciona como uma lente, controlando a direção dos raios de luz que o atravessam, o metamaterial holográfico não se parece em nada com uma lente convencional.[Imagem: Stephane Larouche]

Meta-holograma

Menos de uma semana depois do anúncio de que os metamateriais podem ser usados para criar ferramentas opticamente ativas, manipulando a luz de uma forma inédita, esses materiais sintéticos voltam às manchetes com outra inovação de peso.

Cientistas conseguiram pela primeira vez criar hologramasusando os metamateriais.

Stéphane Larouche e seus colegas da Universidade Duke, nos Estados Unidos, criaram hologramas similares aos usados em cartões de crédito e selos de identificação de produtos, funcionais no comprimento de onda infravermelho.

Embora o protótipo tenha sido construído para um comprimento de onda específico, os pesquisadores afirmam que os princípios usados para projetar e construir o metamaterial gerador de hologramas poderão ser usados para controlar a luz em praticamente todas as frequências.

Manipulando a luz à vontade

O feito mostra o ritmo de desenvolvimento atingido por um campo de pesquisas cujos primeiros resultados práticos têm pouco mais de 10 anos - os chamados materiais canhotos, ou materiais com índice negativo de refração, só foram previstos pela teoria em 1968.

Enquanto a óptica passou séculos limitada a lentes e espelhos que pouco mais conseguiam do que fazer a luz fazer curvas de 90 graus, agora é possível dizer que os cientistas estão muito próximos de serem capazes de literalmente manipular a luz à vontade.

Enquanto os materiais encontrados na natureza são "bem comportados" no que se refere à sua forma de interagir com a luz, os metamateriais - estruturas sintéticas, projetadas e construídas pelo homem, usando vários elementos - fazem verdadeiras estripulias com a luz.

Sua aplicação mais conhecida é nos chamados mantos da invisibilidade.

Holograma com metamateriais

O metamaterial holográfico, embora funciona como uma lente, controlando a direção dos raios de luz que o atravessam, não se parece em nada com uma lente convencional.

Enquanto as lentes são feitas de materiais transparentes, como vidro ou plástico, e altamente polidos, o mecanismo artificial de manipulação da luz mais se parece com uma persiana miniaturizada.

Ele é feito com pequenas tiras de silício, sobre as quais são estampadas figuras geométricas feitas de metal, formando uma estrutura periódica.

Como essas figuras metálicas podem ser dispostas em qualquer formato, dependendo das propriedades ópticas desejadas, a capacidade de manipulação da luz do novo metamaterial praticamente não tem limites.

"Além dos hologramas, a técnica que desenvolvemos pode ser estendida facilmente para uma enorme variedade de dispositivos ópticos," resume Larouche. "Nós acreditamos que praticamente qualquer dispositivo óptico possa se tornar mais eficiente usando esta nova abordagem."

Bibliografia:

Infrared metamaterial phase holograms
Stéphane Larouche, Yu-Ju Tsai, Talmage Tyler, Nan M. Jokerst, David R. Smith
Nature Materials
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nmat3278

Espaço

Gravidade quântica pode ser testada em laboratório

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/03/2012

Ilustração de um pulso de laser usado para testar um espelho em busca de possíveis efeitos da gravitação quântica.[Imagem: Jonas Schmoele/VCQ/University of Vienna]

Escalas de Planck

Os físicos acreditam que a teoria da gravidade de Einstein e a física quântica vão coalescer em uma teoria única nas chamadas escalas de Planck.

Nessas escalas, de altíssimas energias e dimensões inimaginavelmente pequenas, acredita-se que ocorram fenômenos que não ocorrem em outras escalas.

O problema é que as escalas de Planck estão tão fora da dimensão humana que a maioria dos estudiosos afirma que é virtualmente impossível testar experimentalmente a gravidade quântica, a não ser em eventos cósmicos muito raros e difíceis de observar.

Veja por quê: o comprimento de Planck é de 1,6 x 10^-35metro. Se você der um zoom nessa dimensão, e torná-la do tamanho de 1 metro, então um único átomo terá o tamanho do Universo inteiro.

A energia de Planck, por outro lado, é tão descomunal que faz o acelerador do LHCparecer uma pilha descarregada - um acelerador de partículas capaz de produzir a energia de Planck seria simplesmente astronômico, o que, apenas para exemplificação, é maior do que galáctico.

No meio do caminho está a massa de Planck - 2,17 × 10^-8 -, mais ou menos a massa de um grão de poeira, que parece ser grande demais para os fenômenos quânticos.

Fica então, de um lado, a teoria de Einstein falando sobre dimensões muito grandes e, de outro, a mecânica quântica falando de moléculas, átomos e coisas ainda menores - ambas falando muito bem em suas respectivas áreas, mas inconciliáveis.

A ordem das medições altera o resultado

Mas parece que agora surgiu uma luz nesse túnel-sem-fim - mais especificamente, uma luz no espelho.

Uma equipe internacional de físicos afirma que pode-se fazer a gravidade quântica olhar-se no espelho e, desse vislumbre, obter-se informações sobre ela.

Eles estão propondo que se pode testar experimentalmente algumas predições da teoria da gravidade quântica observando os efeitos quânticos em um sistema com a massa de Planck.

Na mecânica quântica, é impossível saber, ao mesmo tempo, onde uma partícula está e a que velocidade ela está se movendo.

Apesar disso, é possível fazer duas medições consecutivas: uma medição da posição da partícula, seguida por uma medição do seu momento, ou vice-versa.

Conforme a sequência usada - primeiro a posição e depois a velocidade, ou vice-versa -, serão obtidos resultados experimentais diferentes.

De acordo com várias teorias da gravidade quântica - ou candidatas a teoria da gravidade quântica - essa diferença entre as duas medições se altera dependendo da massa do sistema, uma vez que o comprimento de Planck, uma espécie de quantum do comprimento, coloca um limite à medição de distâncias.

O teste experimental da gravidade quântica poderá ser possível graças a uma série de avanços recentes, que demonstraram ser possível observar a mecânica quântica no movimento de objetos macroscópicos. [Imagem: O Connell et al./Nature]

Testando a gravidade quântica em laboratório

A equipe de físicos agora demonstrou matematicamente que, embora essas diferenças sejam muito pequenas, elas podem ser verificadas usando sistemas quânticos muito maciços - com a quanticamente gigantesca massa de Planck, para ser mais exato.

Mas isso não é um problema assim tão grande, uma vez que a própria equipe da Universidade de Viena já conseguiu estabelecer uma interação entre um fóton e um ressonador micromecânico, criando o chamado acoplamento forte, capaz detransferir efeitos quânticos para o mundo macroscópico.

Ou seja, para eles, é possível testar a gravidade quântica em laboratório.

O experimento proposto lembra um pouco uma técnica usada recentemente paraproduzir luz a partir do vácuo.

A ideia principal é usar um pulso de laser para interagir quatro vezes com um espelho em movimento para avaliar com exatidão a diferença entre as duas medições - medir primeiro a posição e depois medir o momento, em comparação com medir primeiro o momento e depois medir a posição.

Segundo a equipe, atingindo a precisão adequada, é possível mapear o efeito no pulso de laser, lendo os resultados com técnicas de óptica quântica.

"Qualquer desvio do resultado previsto pela mecânica quântica será muito excitante," afirmou Igor Pikovski, da Universidade de Viena, idealizador da técnica, "mas mesmo se não for observado nenhum desvio, os resultados poderão ajudar na busca por possíveis novas teorias."

Bibliografia:

Probing Planck-scale physics with quantum optics
Igor Pikovski, Michael R. Vanner, Markus Aspelmeyer, M. S. Kim, Caslav Brukner
Nature Physics
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nphys2262

Eletrônica

Antena atômica converte luz em sinais eletrônicos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/03/2012

Os dispositivos plasmônicos funcionam como uma torcida de futebol fazendo uma "ola" - a informação viaja sem que nenhuma partícula precise se mover. [Imagem: Juan C. Idrobo/ORNL]

Plasmônica

Que até os defeitos do grafeno podem ser úteis os cientistas já sabiam há algum tempo.

O que não se sabia era que um desses "defeitos" - na verdade, uma modificação intencional, chamada dopagem - poderia dar origem à menor antena do mundo, e transformar o grafeno na estrela de mais uma área de pesquisas.

Os equipamentos eletrônicos convencionais funcionam com base em elétrons que saem disparados por fios, como se fossem corredores.

Já os dispositivos plasmônicos funcionam como uma torcida de futebol fazendo uma "ola" - a informação viaja sem que nenhuma partícula precise se mover.

Essas ondas são criadas quando a luz incide sobre a superfície de um metal, deslocando os chamadosplásmons de superfície.

Como há um perfeito encadeamento entre cada um das das partículas dessa torcida eletrônica - formando a chamada onda plasmônica -, a informação viaja muito mais rapidamente do que se os elétrons tiverem que sair disparados pela mesma superfície metálica.

Além da maior velocidade, a pesquisa agora divulgada demonstra o potencial deminiaturização oferecido pela técnica, uma vez que um único átomo é capaz de disparar ou receber as informações.

Mais importante, a antena plasmônica pode funcionar como uma forma de capturar, amplificar e retransmitir a onda plasmônica, que tende a se dissipar muito rapidamente.

Imagem por microscopia eletrônica do átomo de silício que funciona como antena atômica, capturando e retransmitindo os plásmons de superfície. [Imagem: Zhou et al./Nature Nanotechnology]

Antena atômica

Recentemente, uma equipe construiu amenor estação de rádio do mundo, acoplando duas moléculas por meio de fótons.

Juan Idrobo e seus colegas do Laboratório Oak Ridge, nos Estados Unidos, fizeram algo diferente: eles construíram uma antena formada por um único átomo.

Para isso, eles substituíram alguns átomos de carbono por átomos de silício na rede atômica do grafeno, que se parece com uma tela de galinheiro.

De forma um tanto inesperada, essa substituição resultou em uma melhoria drástica na capacidade do grafeno em converter ondas de luz em sinais eletrônicos.

Parece complicado, mas o rádio FM do seu carro faz algo muito semelhante, transformando as ondas eletromagnéticas de uma determinada frequência em sinais eletrônicos que, devidamente processados e novamente traduzidos, agora em ondas sonoras, chegam aos seus ouvidos na forma de música.

A diferença é que a antena atômica consiste em um único átomo e trabalha com um tipo especial de onda - a onda plasmônica.

Sendo formada por uma única "partícula", a antena atômica é inteiramente simétrica em termos de funcionamento, ou seja, ela tanto pode converter ondas de luz em ondas eletrônicas, quanto ondas eletrônicas em ondas de luz.

Isto é essencialmente um componente plasmônico, uma tecnologia emergente que promete muitos benefícios para computadores e outros circuitos eletrônicos.

• Plasmônica: em busca da computação à velocidade da luz

Bibliografia:

Atomically localized plasmon enhancement in monolayer graphene
Wu Zhou, Jaekwang Lee, Jagjit Nanda, Sokrates T. Pantelides, Stephen J. Pennycook, Juan-Carlos Idrobo
Nature Nanotechnology
Vol.: 7, 161-165
DOI: 10.1038/nnano.2011.252

Robótica

Robôs movidos por ondas batem recorde mundial de distância

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/03/2012

Esta é apenas a primeira etapa da jornada dos robôs marítimos, prevista para alcançar 16.000 km.[Imagem: Liquid Robotics]

Recorde robótico

Quatro robôs navegantes estabeleceram um novo recorde mundial de distância, flutuando autonomamente por mais de 3.200 milhas náuticas (5.926 km) ao longo do Oceano Pacífico.

Os robôs marítimos partiram da baía de São Francisco, na Califórnia, em Novembro do ano passado.

O recorde foi batido quando a "equipe" chegou ao Havaí.

Contudo, esta é apenas a primeira etapa de sua jornada, prevista para alcançar 16.000 km.

Os robôs são parte de um projeto para coletar dados sobre a composição e a qualidade da água do mar, servindo também de divulgação para o fabricante, aLiquid Robotics.

Hemisférios diferentes

Os dados, transmitidos continuamente à base, indicam que os robôs flutuantes sobreviveram a ondas de até 8 metros.

Mas o pior pode estar por vir, conforme o grupo se dividirá, dois indo em direção ao Japão e dois rumando a sudoeste, cruzando o equador até chegar à Austrália.

O movimento de subir e descer as ondas, feito pela parte superior, é transmitido pelo cabo até a parte inferior, movimentando as alhetas e, por decorrência, o robô. [Imagem: Liquid Robotics]

Como a primeira metade do trajeto, considerada mais suave, levou quatro meses para ser percorrida, os engenheiros acreditam que poderão esperar pelos robôs no Japão e na Austrália no fim de 2012 ou início de 2013.

Robôs movidos por ondas

Cada robô é composto por duas metades: a parte superior, uma espécie de prancha de surf, está ligada por um cabo a uma parte inferior submersa, contendo uma série de alhetas e uma quilha.

O movimento de subir e descer as ondas, feito pela parte superior, é transmitido pelo cabo até a parte inferior, movimentando as aletas e, por decorrência, o robô.

Os painéis solares instalados sobre a superfície superior alimentam os sensores que fazem leituras a cada 10 minutos para medir a salinidade, a temperatura a fluorescência e o oxigênio dissolvido na água.

COMERCIAL PYRAMON