Evaporador solar de madeira promete dessalinizador portátil

Redação do Site Inovação Tecnológica 

A superfície escurecida da madeira queimada absorve mais calor, enquanto o sai flui com a ajuda dos furos maiores. [Imagem: Kuang et al. - 10.1002/adma.201900498]

Evaporador interfacial

Dessalinizadores normalmente são equipamentos grandes e caros, exigindo instalações de grande porte.

Yudi Kuang, da Universidade de Maryland, nos EUA, pretende construir um dessalinizador de pequena escala, que possa ser usado em uma casa ou mesmo por uma única pessoa, na forma de um equipamento portátil.

Ele deu um passo enorme nesse sentido ao criar um evaporador solar simples e barato: o evaporador é feito de madeira.

O dispositivo gera vapor com alta eficiência e necessidade mínima de manutenção tirando proveito de uma técnica chamada evaporação interfacial.

Feitos de materiais finos que flutuam em água salgada, os evaporadores interfaciais absorvem o calor solar no topo, puxam continuamente a água salgada de baixo e a convertem em vapor em sua superfície superior, deixando para trás o sal. A manutenção é necessária justamente porque o sal se acumula no evaporador ao longo do tempo.

Kuang minimizou esse inconveniente construindo um evaporador de madeira (tília americana) que tira proveito da própria estrutura natural da madeira, cheia de microcanais que transportam água e nutrientes pela árvore. Para aumentar a eficiência, foi perfurado um segundo conjunto de canais, com diâmetro na casa dos milímetros.

Em seguida, a superfície superior da madeira foi brevemente exposta a um maçarico, que carbonizou a superfície para uma maior absorção solar.

Detalhes microscópios do evaporador solar de madeira. [Imagem: Kuang et al. - 10.1002/adma.201900498]

Dessalinizador que não acumula sal

À medida que o dispositivo absorve a energia solar, ele extrai água salgada pelos canais naturais micrométricos da madeira, com o vapor saindo pela sua parte superior.

O sal, por sua vez, escoa espontaneamente desses minúsculos canais, através de aberturas naturais ao longo de seus lados, até os canais perfurados, e então desce, dissolvendo-se naturalmente na água abaixo.

"No laboratório, demonstramos excelente operação anti-incrustante em uma ampla gama de concentrações de sal, com geração estável de vapor com eficiência de cerca de 75%," disse Kuang.

Bibliografia:

A High Performance Self- ?Regenerating Solar Evaporator for Continuous Water Desalination
Yudi Kuang, Chaoji Chen, Shuaiming He, Emily M. Hitz, Yilin Wang, Wentao Gan, Ruiyu Mi, Liangbing Hu
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.201900498

Material contra incêndio é feito de papel reciclado

Redação do Site Inovação Tecnológica 

Franziska Grüneberger e Willi Senn desenvolveram um isolante térmico feito de papel reciclado.[Imagem: Empa]

Antichama de papel

Por esta ninguém esperava: Papel reciclado pode ser transformado em um material antichamas de alto desempenho.

Quem merece todo o crédito por ter apostado nessa ideia pouco convencional, para dizer o mínimo, é a pesquisadora Franziska Grüneberger, do Laboratório Federal Suíço de Ciência e Tecnologia de Materiais (EMPA).

Mas como transformar um dos materiais que apresentam maior risco de incêndio em um produto que proteja contra o fogo?

O segredo está naquilo que os cubos de papel reciclado fabricados por Franziska não fazem: desmoronar. Esta mesma propriedade é importante para oferecer proteção a longo prazo contra incêndio para elementos de suporte em casas de madeira.

A inovação está no ligante que permite dar firmeza aos blocos de papel reciclado, algo que é difícil de alcançar na produção industrial de qualquer tipo de camada isolante, e em um processo que gruda o material quase instantaneamente, para que ele se aloje nos espaços onde será instalado na construção.

"Juntamente com Willi Senn, engenheiro de desenvolvimento da Isofloc, nós iniciamos uma série de experimentos e combinamos as fibras isolantes com diferentes aditivos," conta a pesquisadora, sem dar detalhes de qual foi o aditivo escolhido.

Os flocos resultantes foram soprados em várias molduras de madeira, juntamente com uma cavidade idêntica com flocos sem o novo aditivo. As molduras foram expostas a chamas a temperaturas de 800 a 1.000 graus Celsius por uma hora.

O novo isolante térmico à base de papel reciclado resistiu ao teste e protegeu a construção de forma confiável, sem queimar e sem lançar faíscas incandescentes. Os flocos sem o aditivo, por sua vez, caíram da estrutura de madeira por falta de aderência, falhando na proteção.

O desenvolvimento final agora está sendo feito nos laboratórios da empresa financiadora da pesquisa, a Isofloc, que prevê colocar o produto no mercado em cerca de um ano.

Processador anti-hacker pára ataque antes que ele comece

Redação do Site Inovação Tecnológica 

"Imagine tentar resolver um cubo de Rubik que se reorganiza toda vez que você pisca. Isso é o que os hackers vão enfrentar com o Morpheus. Isso torna o computador um quebra-cabeça insolúvel," disse Austin.[Imagem: Gallagher et al. (2019)]

Processador anti-hacker

Uma nova arquitetura de processador de computador desenvolvida na Universidade de Michigan, nos EUA, promete nada menos do que lançar as bases de um futuro no qual os computadores se defendem proativamente contra ameaças, tornando obsoleto o atual modelo de segurança de encontrar bugs e lançar atualizações.

O novo chip, batizado de Morpheus, bloqueia possíveis ataques de hackers criptografando e reorganizando aleatoriamente bits chave de seu próprio código e de seus dados 20 vezes por segundo.

Isso é infinitamente mais rápido do que um hacker humano consegue trabalhar e milhares de vezes mais rápido do que as mais rápidas técnicas de hacking eletrônico.

"A abordagem atual de eliminar erros de segurança um por um é um jogo perdido. As pessoas estão constantemente escrevendo código e, tão logo há um novo código, haverá novos bugs e vulnerabilidades de segurança. Com o Morpheus, mesmo que um hacker encontre um bug, a informação necessária para explorá-lo desaparece 50 milissegundos depois. É talvez a coisa mais próxima de um sistema seguro à prova do que surgir no futuro," disse o professor Todd Austin.

Agitação e semântica indefinida

Em vez de usar software para corrigir vulnerabilidades de códigos conforme elas são descobertas, o processador Morpheus inclui a segurança em seu hardware. A constante aleatorização dos recursos críticos do programa, em um processo chamado "churn" (agitação ou rotatividade), torna as vulnerabilidades virtualmente impossíveis de serem identificadas e exploradas.

Ainda assim, a rotatividade dos dados e sua aleatorização feita pelo processador são transparentes para os desenvolvedores de software e os usuários finais. Isso porque o mecanismo se baseia na aleatorização de bits de dados conhecidos como "semântica indefinida", que se refere aos recantos e fendas obscuras da arquitetura de computação - por exemplo, a localização, formato e conteúdo do código de um programa é uma semântica indefinida.

A semântica indefinida faz parte do maquinário mais básico de um processador. Os programadores legítimos geralmente não interagem com ela, mas os hackers podem fazer engenharia reversa para descobrir vulnerabilidades e iniciar um ataque.

A taxa de "agitações" do chip pode ser ajustada para cima ou para baixo para encontrar o equilíbrio certo entre maximizar a segurança e minimizar o consumo de recursos. O professor Austin conta que a taxa de aleatorização de uma vez a cada 50 milissegundos foi escolhida para o processador de demonstração porque é milhares de vezes mais rápida do que as mais rápidas técnicas de hacking eletrônico, enquanto reduz o desempenho apenas em cerca de 1%. A arquitetura também inclui um detector de ataque que procura ameaças pendentes e aumenta a taxa de aleatorização se perceber que um ataque é iminente.

O chip de demonstração é um processador RISC-V - um design de chip comum, de código aberto, usado frequentemente para pesquisa. A equipe já está tentando comercializar a tecnologia.

Bibliografia:

Morpheus: A Vulnerability-Tolerant Secure Architecture Based on Ensembles of Moving Target Defenses with Churn
Mark Gallagher, Lauren Biernacki, Shibo Chen, Zelalem Birhanu Aweke, Salessawi Ferede Yitbarek, Misiker Tadesse Aga, Austin Harris, Zhixing Xu, Baris Kasikci, Valeria Bertacco, Sharad Malik, Mohit Tiwari, Todd Austin
Proceedings of the Twenty-Fourth International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems
Vol.: 1 - Pages 469-484
DOI: 10.1145/3297858.3304037

Capacitor negativo leva energia apenas onde ela é necessária

Redação do Site Inovação Tecnológica 

Esta imagem mostra o movimento da parede de domínio (a-c e b-d) em um capacitor quando uma carga é adicionada a um lado (c). A redistribuição resultante da parede do domínio causa um efeito capacitivo negativo.[Imagem: ANL]

Capacitor negativo

Depois de explorar a capacitância negativa para criar um transístor que gasta menos energia, pesquisadores agora estão explorando o estranho fenômeno para criar novas formas de armazenar e redistribuir energia na escala dos microchips.

Igor Lukyanchuk e seus colegas dos EUA, França e Rússia criaram um capacitor negativo estático e permanente, um componente que, até 10 anos atrás, era tido como uma violação das leis da física.

Enquanto os projetos anteriormente propostos para capacitores negativos funcionavam em uma base temporária e transitória, o novo conceito funciona como um dispositivo reversível de estado estacionário.

Nos capacitores tradicionais, a tensão elétrica do componente é proporcional à sua carga elétrica armazenada - aumentar a quantidade de carga armazenada aumenta a tensão. Nos capacitores negativos, acontece o contrário - aumentar a quantidade de carga diminui a tensão.

Como o capacitor negativo é uma parte de um circuito maior, isso não viola a lei de conservação de energia.

Eletricidade sob demanda

A equipe descobriu que, ao emparelhar um capacitor negativo em série com um capacitor positivo padrão, é possível aumentar localmente a tensão no capacitor positivo até um ponto maior do que a tensão total do sistema.

Dessa forma, torna-se possível distribuir eletricidade para regiões de um circuito que exigem maior tensão, enquanto o grosso do circuito permanece funcionando a baixa voltagem.

Isso permite racionalizar o uso da eletricidade no interior de chips e circuitos eletrônicos, usando apenas o estritamente necessário, sem deixar de atender as demandas variáveis de cada parte do circuito.

Com isto, torna-se possível construir circuitos que gastem menos energia - a bateria dura mais - e esquentem menos.

Bibliografia:

Harnessing ferroelectric domains for negative capacitance
I. Lukyanchuk, Y. Tikhonov, A. Sené, A. Razumnaya, V. M. Vinokur
Nature Communications Physics
Vol.: 2, Article number: 22
DOI: 10.1038/s42005-019-0121-0

Eletricidade gerada à noite aproveitando frio do espaço

Redação do Site Inovação Tecnológica

Esquema da célula termovoltaica, que gera eletricidade a partir do frio do espaço.[Imagem: Masashi Ono]

Eletricidade extraída do frio do espaço

A diferença de temperatura entre a quentinha Terra e o frio espaço já está sendo explorada para fabricar aparelhos de ar-condicionado que mandam o calor para o espaço sem gastar energia.

Agora, Masashi Ono e seus colegas da Universidade de Stanford, nos EUA, e da empresa Fujifilm, no Japão, descobriram como explorar esse diferencial de temperatura para gerar eletricidade - e usando o mesmo tipo de optoeletrônica que já usamos nas células solares tradicionais.

Isso significa que poderá ser possível, com desenvolvimentos adicionais, construir painéis que sejam "solares", ou fotovoltaicos durante o dia, enquanto o Sol está brilhando, e "termovoltaicos" durante a noite.

Em outras palavras, painéis que gerem eletricidade limpa e renovável continuamente, dia e noite.

Célula termovoltaica

Ono demonstrou que é possível gerar uma quantidade mensurável de eletricidade virando um diodo diretamente para o frio do espaço - um diodo é um componente eletrônico que permite que a corrente elétrica flua apenas num sentido.

"A vastidão do Universo é um recurso termodinâmico," explica Shanhui Fan, membro da equipe. "Em termos de física optoeletrônica, existe realmente essa simetria muito bonita entre colher a radiação que chega e coletar a radiação de saída."

Em contraste com o aproveitamento da energia que entra na Terra usando uma célula solar comum, o efeito negativo de iluminação permite que a energia elétrica seja coletada à medida que o calor deixa uma superfície. A tecnologia atual, no entanto, não captura energia dessas diferenças negativas de temperatura de forma tão eficiente.

Ao apontar sua célula termovoltaica para o espaço, cuja temperatura é de poucos graus acima do zero absoluto, o grupo conseguiu encontrar uma diferença de temperatura grande o suficiente para gerar energia - pouca ainda, é verdade, mas o suficiente para justificar pesquisas em busca de melhorias.

Eficiência e calor de motores

Cada dispositivo gera 64 nanowatts por metro quadrado, uma quantidade minúscula de eletricidade, mas uma importante prova de conceito. "A quantidade de energia que podemos gerar com esse experimento, no momento, está muito abaixo do limite teórico," confirma Ono.

Os cálculos mostram que, quando os efeitos atmosféricos são levados em consideração, o componente no estágio atual poderia gerar, teoricamente, quase 4 watts por metro quadrado, cerca de um milhão de vezes mais do que o protótipo foi capaz - para comparação, os painéis solares atuais geram de 100 a 200 watts por metro quadrado.

A equipe afirmou que o conceito também será útil para coletar calor de máquinas e motores, e que já está trabalhando para otimizar sua célula termovoltaica.

Bibliografia:

Experimental demonstration of energy harvesting from the sky using the negative illumination effect of a semiconductor photodiode
Masashi Ono, Parthiban Santhanam, Wei Li, Bo Zhao, Shanhui Fan
Applied Physics Letters
Vol.: 114, 161102
DOI: 10.1063/1.5089783