TECNOLOGIA E INOVAÇÃO

Energia

Energia solar transforma CO2 em combustível para carros

Um sistema integrado eletro-microbiano produz combustível a partir do CO2 e da luz do Sol.[Imagem: UCLA]

Eletricidade para carros

Carros elétricos não são aviões, mas eles certamente já teriam decolado se a tecnologia das baterias não estivesse praticamente estacionada nos últimos anos.

Mas está tomando corpo uma ideia que parece estranha à primeira vista, mas que tem potencial não apenas para explorar a energia solar, como também para alimentar os carros a combustão atuais com um combustível que será, essencialmente, gerado por eletricidade.

A ideia consiste em armazenar a eletricidade em combustíveis líquidos, que poderão então ser queimados por motores a combustão normais.

Ou seja, os carros poderiam ser indiretamente alimentados por eletricidade, sem que precisassem ser convertidos em veículos elétricos.

E o alcance disso pode ser ainda maior, uma vez que a fonte para a produção desse combustível líquido é o dióxido de carbono, que todo o mundo gostaria de varrer para debaixo do tapete - ao menos a parte gerada pelo homem - para tentar evitar o aquecimento global.

Uma demonstração de que isto é tecnicamente possível foi realizada pela equipe do Dr. James Liao, da Universidade da Califórnia em Los Angeles (EUA).

CO2 vira combustível

Liao e seus colegas desenvolveram uma técnica que usa eletricidade para converter dióxido de carbono em isobutanol.

Se for usada energia solar, o processo essencialmente imita a fotossíntese, convertendo a luz do Sol em energia química.

A fotossíntese é um processo que ocorre em duas etapas - uma etapa com luz e uma etapa às escuras. A reação clara converte a energia da luz em energia química, enquanto a reação escura converte CO2 em açúcar.

"Nós conseguimos separar a reação com luz da reação escura e, em vez de usar a fotossíntese biológica, nós usamos painéis solares para converter a luz do Sol em eletricidade, depois em um intermediário químico, e então usamos esse intermediário para alimentar a fixação do dióxido de carbono para gerar o combustível," explica Liao.

Segundo ele, seu esquema pode teoricamente ser mais eficiente, em termos da energia produzida, do que a fotossíntese natural.

Biorreator

Nem tudo é artificial nesse novo método. Os cientistas modificaram geneticamente um microrganismo litoautotrófico, conhecido como Ralstonia eutropha H16, para produzir isobutanol e 3-metil-1-butanol no interior de um biorreator.

O biorreator usa apenas dióxido de carbono como fonte de carbono, e apenas eletricidade como entrada externa de energia.

O desenvolvimento agora anunciado é um passo significativo em relação a uma pesquisa anterior divulgada pelo grupo, quando eles demonstrar o papel promissor das bactérias para a produção de um combustível alternativo.

Teoricamente, o hidrogênio produzido por energia solar pode ser usado na conversão do CO2 para sintetizar combustíveis líquidos com alta densidade de energia, também usando os microrganismos geneticamente modificados.

Mas as demonstrações em laboratório não têm conseguido passar para escalas maiores devido à baixa solubilidade, pequena taxa de transferência de massa e, sobretudo, pelas questões de segurança envolvendo o hidrogênio.

"Em vez de usar hidrogênio, nós usamos o ácido fórmico como intermediário. Nós usamos eletricidade para produzir ácido fórmico, e então usamos o ácido fórmico para induzir a fixação do CO2 nas bactérias, no escuro, para produzir isobutanol e alcoóis," explica Liao.

"Nós demonstramos o princípio, e agora queremos aumentar sua escala. Este é o nosso próximo passo," conclui o pesquisador.

Salve o CO2

Em 2010, outra equipe apresentou uma versão similar deste conceito, baseado em um óxido de terras raras:

• Reator imita plantas para produzir combustível solar

Duas outras pesquisas recentes merecem destaque nessa busca de transformar o CO2 de rejeito indesejado em energia útil:

• CO2 pode substituir petroquímicos usando técnica "diagonal"
• Dióxido de carbono é transformado em combustível usando energia solar

Bibliografia:


Integrated Electromicrobial Conversion of CO2 to Higher Alcohols
Han Li, Paul H. Opgenorth, David G. Wernick, Steve Rogers, Tung-Yun Wu, Wendy Higashide, Peter Malati, Yi-Xin Huo, Kwang Myung Cho, James C. Liao
Science
Vol.: 335 no. 6076 p. 1596
DOI: 10.1126/science.1217643

Eletrônica

Luz faz matéria atravessar paredes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/04/2012

Os cientistas acoplaram luz com matéria, criando uma quase-partícula híbrida, com características de ambas. [Imagem: Cristofolini et al./Science]

Tunelamento quântico

Cientistas da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, usaram luz para empurrar elétrons através de uma barreira impenetrável pelos padrões da física clássica.

Embora o chamado tunelamento quântico esteja estritamente associado com a natureza de onda das partículas subatômicas, esta é a primeira vez que o fenômeno foi induzido e controlado por luz.

Partículas normalmente não conseguem atravessar paredes. Contudo, se elas forem pequenas o suficiente, passam a assumir uma dupla personalidade, sendo partícula e onda.

E, assumindo-se como ondas, a mecânica quântica dá-lhes a permissão para que elas atravessem barreiras de outra forma intransponíveis: é o chamado tunelamento quântico.

• Mecânica quântica é filmada em tempo real

Partículas de matéria com luz

Enquanto, na física clássica, ao se deparar com uma barreira, uma partícula é sempre refletida, na mecânica quântica a função de onda dessa partícula/onda não assume um valor zero instantaneamente, o que significa que ela pode atravessar a barreira, dependendo de sua energia e da espessura da barreira.

Controlar esse processo com luz é outra história, mas uma história que pode ter no final os chamados condensados - o equivalente de supercondutores e superfluidos, também capazes de viajar sem qualquer perda ou "atrito", mas em materiais semicondutores.

À esquerda, o aparato experimental. À direita, o que acontece em seu interior. [Imagem: Cristofolini et al./Science]

Peter Cristofolini e seus colegas conseguiram o feito juntando matéria com luz - elétrons com fótons - para criar uma espécie de nova partícula, que eles batizaram de dipolaritons.

"Os filhos desse casamento da matéria com a luz são realmente novas partículas indivisíveis, feitas tanto de luz quanto de matéria, que desaparecem através de paredes de semicondutores à vontade," explica o pesquisador.

Ou seja, tornado um só, o par fóton-elétron pode ser controlado como um feixe de luz, mas movimentando matéria através de matéria.

Como, pelo tunelamento controlado por luz, a matéria manipulada pode ser considerada como estando em dois lugares ao mesmo tempo, essas novas partículas eletrônicas poderão ser usadas para transferir informações da física em escala atômica para a física em escala humana - em outras palavras, tornar a mecânica quântica visível a olho nu.

• Mundo quântico "comunica-se" com o mundo macro pela primeira vez

Bibliografia:


Coupling Quantum Tunneling with Cavity Photons Controlling quantum tunnelling with light
Peter Cristofolini, Gabriel Christmann, Simeon I. Tsintzos, George Deligeorgis, George Konstantinidis, Zacharias Hatzopoulos, Pavlos G. Savvidis, Jeremy J. Baumberg
Science
Vol.: Published Online
DOI: 10.1126/science.1219010

Mecânica

Criado um implante para substituir válvulas das veias

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/04/2012

O implante para veias promete uma solução definitiva para a deficiência venosa crônica, um mal que acomete duas vezes mais mulheres do que homens.[Imagem: Helmholtz-Institute/RWTH Aachen]

Cientistas alemães estão desenvolvendo uma prótese para as válvulas das veias.

Ao contrário das válvulas cardíacas, que, quando dão defeito, são rotineiramente substituídas por implantes, quando as válvulas das veias dão problema, o único tratamento disponível é via medicação, nem sempre com os resultados esperados.

Válvulas das veias

Se você não sabia que veias têm válvulas, basta se perguntar por que é que o sangue não se acumula nas pernas, puxado pela gravidade.

Na verdade, às vezes ele se acumula, provocando edemas e até úlceras, um mal que acomete duas vezes mais as mulheres dos que homens.

Para ajudar o coração, as veias possuem válvulas que se fecham após cada pulsação.

Assim, nas veias das pernas, por exemplo, a válvula se fecha e evita que o sangue que acaba de ser bombeado pelo coração desça novamente, puxado pela gravidade.

No próximo batimento, ele sobe um pouco mais, parando na próxima válvula, e assim por diante.

Implante para veias

O problema é quando as válvulas venosas deixam de funcionar, gerando a chamada deficiência venosa crônica.

O Dr. Oliver Schwarz e seus colegas do Instituto Fraunhofer criaram o primeiro protótipo de um implante que, depois dos testes clínicos necessários, poderá se tornar uma alternativa definitiva para as "veias fracas".

Imitar a membrana natural foi possível graças a um equipamento inovador, um aspersor 3D, que permite a criação de estruturas plásticas em formato livre.

É uma espécie de impressão 3D mais avançada, uma vez que as camadas não precisam ser aplicadas sobre uma base plana, permitindo criar estruturas extremamente complexas e muito precisas.

"A tecnologia de distribuição de gotas 3D é uma técnica de fabricação aditiva que permite que geometrias tridimensionais sejam criadas camada por camada usando um polímero," resume o Dr. Schwarz.

Camadas sem costura

O polímero usado é o policarbonato-uretano (PCU), um plástico particularmente forte, mas flexível, e que se liga facilmente aos tecidos circundantes.

Como a impressão 3D de formato livre permite a criação de películas muito finas, o material se mostrou o substituto ideal para as válvulas das veias.

Isso depois que os engenheiros aprimoraram a "impressão", que, para funcionar como as válvulas biológicas, precisa de nada menos do que seis camadas com diferentes graus de elasticidade e dureza - e sem nenhuma "costura", ou seja, com um material aparentemente homogêneo.

Quando aprovados pelas autoridades de saúde, os implantes venosos poderão ser inseridos nas veias dos pacientes por catéteres.

Robótica

Robô esquilo versus cascavel: o resultado surpreendeu

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/04/2012

Robô esquilo, construído por engenheiros da Universidade da Califórnia, em Davis, para estudar as interações entre esquilos e cascavéis.[Imagem: Andy Fell/UC Davis]

Vai encarar?

Pesquisadores criaram um robô em forma de esquilo para estudar o "relacionamento" entre esquilos e cobras cascavéis.

O relacionamento é complicado, uma vez que o objetivo das cascavéis é sempre transformar o esquilo em almoço.

Mas os experimentos mostraram que o esquilo não se intimida quando vê a cascavel.

Na verdade, em vez de fugir em disparada, ele se aproxima e encara a cobra, mantendo uma distância arriscada, ainda que fora do alcance de um primeiro bote.

Comunicação por infravermelho

Depois de correr para encarar a cobra, o esquilo inicia uma série de movimentos específicos com o rabo e, de forma surpreendente, com um aquecimento do próprio rabo.

Como as cascavéis conseguem enxergar em infravermelho - elas enxergam não apenas o calor do animal em relação à vegetação próxima, mas também as zonas mais quentes do animal - os pesquisadores levantaram a hipótese de que o esquilo poderia estar enviando um sinal para a cobra, e não para os outros esquilos.

O problema é que, com os esquilos de verdade, não é possível isolar o movimento de sinalização com a cauda e o aquecimento da própria cauda.

Foi aí que veio a ideia do robô, que possui dois mecanismos separados, um para a movimentação da cauda e outro para seu aquecimento.

E a hipótese dos cientistas estava correta: a cobra reage ao aquecimento da cauda do esquilo.

"Este é o primeiro exemplo de comunicação infravermelha no mundo animal," disse Sanjay Joshi, coordenador da equipe.

Estratégias de ataque

A pesquisa confirmou que uma cascavel dificilmente ataca um esquilo adulto, graças à sua capacidade de fugir do ataque.

Mas filhotes de esquilo são outra história, já que sua falta de experiência muitas vezes os faz chegar perto demais. E a cobra parece de alguma forma saber se aproveitar disso.

Embora as aproximações dos esquilos não sejam algo que se possa chamar de um "ataque" à cascavel, as observações mostraram que, algumas vezes, a cobra se afasta tão logo o esquilo se aproxima e começa com suas macaquices. Mas ela não hesita em atacar um filhote.

Os cientistas afirmam que, embora se saiba muito pouco sobre o comportamento das cascavéis - elas estão longe de serem animais de laboratório ideais, afirmam - os experimentos com o robô esquilo mostraram que essas cobras se comportam na natureza como se estivessem fazendo avaliações complicadas sobre a possibilidade de efetuar ataques com maior probabilidade de sucesso.

E isso é algo que não poderia ter sido detectado apenas observando animais reais na natureza.

Bioinspiração

Há muito tempo os engenheiros buscam inspiração nos animais para construir seus robôs, mas o uso de robôs para o estudo do comportamento animal é uma tendência mais recente.

"O que está me deixando mais entusiasmado é que os robôs podem realmente mudar a forma como estudamos o comportamento dos animais," resume Joshi.

Materiais Avançados

Fibra mais forte do mundo mistura natureza e alta tecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/04/2012

As folhas de óxido de grafeno e os nanotubos misturam-se com as moléculas de polímero, organizando-se espontaneamente. [Imagem: Shin et al./Nature]

Inspiração natural

Pesquisadores coreanos criaram as fibras mais fortes do mundo usando a seda de aranha como inspiração para misturar dois materiais de última geração.

Embora a seda das aranhas seja incrivelmente forte, o material é feito de proteínas, o que faz com que se degrade muito rapidamente, inviabilizando aplicações práticas de natureza estrutural.

Por outro lado, os nanotubos de carbono e o grafeno são reconhecidos como os materiais mais fortes que se conhece.

• Grafeno é confirmado como o material mais forte que existe
• Nanotubos de carbono são duas vezes mais fortes do que se pensava

Fibra de polímero e carbono

Seon Jeong Kim, que já havia criado um tecido artificial de DNA com nanotubos, encontrou uma maneira de mesclar os nanotubos, que são cilíndricos, com folhas de óxido de grafeno, que são planas.

A inspiração para esta mistura insólita veio da seda das aranhas.

"A seda das aranhas é muito forte e flexível, e ela é composta de dois tipos de proteínas: um tipo planar, uma estrutura 2D conhecida como nanocristais beta, e um tipo corda, uma estrutura 1D conhecida como fios beta," explica Kim.

O pesquisador misturou as duas nanoestruturas de carbono em uma solução aquosa de álcool polivinílico (PVA) da qual foram gerados os fios, tratados com metanol para aumentar a cristalinidade do material.

Enquanto o elogiado fio de segurança das aranhas tem uma tenacidade de 165 J/g, as novas fibras compósitas alcançaram até 970 J/g, superior ao bem conhecido Kevlar®, usado em coletes à prova de balas, que alcança 786 J/g.

Esquema da evolução do processo de formação da fibra, que mistura estruturas tubulares e planares, como a seda das aranhas. [Imagem: Shin et al./Nature]

Fibra mais forte do mundo

Depois de testar múltiplas combinações de nanotubos e folhas de óxido de grafeno, o grupo de Kim concluiu que os melhores resultados são obtidos com uma proporção 1:1, que permitem o alinhamento espontâneo dos tubos e das folhas ao longo da direção da fibra.

Uma tenacidade de 970 J/g é o mais alto valor já relatado para qualquer material, o que torna este compósito a fibra mais forte que se conhece.

"Nosso processo de fabricação é muito simples e adequado para a indústria. Nós usamos óxido de grafeno barato e produzido em massa para substituir os mais caros nanotubos de carbono de parede única," disse Kim.

Enquanto nanotubos de carbono de alta pureza custam entre US$25.000 e US$90.000 o quilograma, o óxido de grafeno custa US$450 o quilograma.
Bibliografia:Synergistic toughening of composite fibres by self-alignment of reduced graphene oxide and carbon nanotubesMin Kyoon Shin, Bommy Lee, Shi Hyeong Kim, Jae Ah Lee, Geoffrey M. Spinks, Sanjeev Gambhir, Gordon G. Wallace, Mikhail E. Kozlov, Ray H. Baughman, Seon Jeong KimNature CommunicationsVol.: 3, Article number: 650DOI: 10.1038/ncomms1661