Neurônios cultivados em nanotubos abrem caminho para interfaces neurais vivas

Redação do Site Inovação Tecnológica 

A malha de nanotubos mostrou-se o andaime ideal para o cultivo dos neurônios e o estabelecimento de sinapses entre eles.
[Imagem: Myriam Barrejón et al. - 10.1021/acsnano.9b02429]

Neurônios em nanotubos

Tidos como um dos materiais mais promissores para a área da eletrônica, os nanotubos de carbono podem estar encontrando sua verdadeira vocação na biologia.

Tratados com uma técnica química conhecida como reticulação, ou ligação cruzada, os nanotubos se transformaram em um substrato ideal para o crescimento de neurônios, com seus braços que estendem em várias direções.

Embora crescer neurônios em laboratório seja algo trivial, isso é feito em discos de Petri, formando apenas culturas planas. Culturas celulares 3D, por sua vez, dependem de um substrato adequado, que funcione como andaime para que as células formem tecidos.

Além do desenvolvimento de miniórgãos para estudos fundamentais e testes de medicamentos, uma estrutura neuronal 3D é um passo importante para a criação de interfaces neuronais regenerativas - para reparar lesões da coluna vertebral, por exemplo.

"Nós os reticulamos ou, para ser mais claro, tratamos os nanotubos para que eles pudessem se ligar uns aos outros graças a reações químicas específicas. Descobrimos que este procedimento dá ao material características muito interessantes. Por exemplo, o material se organiza de maneira estável de acordo com uma forma precisa que nós escolhemos: um tecido onde as células nervosas precisam ser plantadas, por exemplo. Ou em torno de alguns eletrodos," explicou o professor Maurizio Prato, da Universidade de Trieste, na Itália.

Esta micrografia confocal mostra redes híbridas de neurônios e nanotubos de carbono.
[Imagem: Rossana Rauti]

Encanamento de nanotubos

O processo de reticulação cria uma malha tridimensional de nanotubos, como se fossem canos conectados entre si em várias direções. A equipe alcançou um nível de interconexão que não apenas incentiva o desenvolvimento dos neurônios, como também facilita seu desenvolvimento e o estabelecimento de sinapses.

"Descobrimos que o processo químico tem efeitos importantes porque, através deste tratamento, podemos modular a atividade dos neurônios, em termos de crescimento, adesão e sobrevivência. Esses materiais também podem regular a comunicação entre os neurônios. Podemos dizer que o tapete de nanotubos de carbono interligados interage intensamente e de forma construtiva com as células nervosas," disse a professora Laura Ballerini.

O próximo passo da pesquisa será desenvolver híbridos biossintéticos para aplicações médicas e para o interfaceamento homem-máquina, incluindo o controle de próteses biomecatrônicas por meio de interligações das partes eletromecânicas com o sistema nervoso.

Bibliografia:

Artigo: Chemically Cross-Linked Carbon Nanotube Films Engineered to Control Neuronal Signaling
Autores: Myriam Barrejón, Rossana Rauti, Laura Ballerini, Maurizio Prato
Revista: ACS Nano
DOI: 10.1021/acsnano.9b02429

Internet das Coisas: Essa tecnologia vai afetar sua vida

Com informações da Agência Brasil

IdC

Embora mais conhecido entre técnicos, empresas e pesquisadores, o termo Internet das Coisas vem ganhando visibilidade na sociedade. As coisas, neste caso, são todo tipo de equipamento, que pode ser conectado de distintas formas, de um caminhão para acompanhamento do deslocamento de frotas de transporte de produtos a microssensores que monitoram o estado de pacientes à distância em hospitais ou fora deles.

Na Internet das Coisas (IdC) - também tratada pela sigla em inglês IoT (Internet of Things) - novas aplicações permitem o uso coordenado e inteligente de aparelhos para controlar diversas atividades, do monitoramento com câmeras e sensores até a gestão de espaços e de processos produtivos. As regras para este ambiente tratam tanto da conexão como da coleta e processamento inteligente de dados.

O ecossistema da IdC envolve diferentes agentes e processos, como módulos inteligentes (processadores, memórias), objetos inteligentes (eletrodomésticos, carros, equipamentos de automação em fábricas), serviços de conectividade (prestação do acesso à Internet ou redes privadas que conectam esses dispositivos), habilitadores (sistemas de controle, coleta e processamento dos dados e comandos envolvendo os objetos), integradores (sistemas que combinam aplicações, processos e dispositivos) e provedores dos serviços de IdC.

Convergência tecnológica

A IdC pode ser entendida como uma "convergência" de tecnologias já existentes, mas gerando "um salto qualitativo", diz Eduardo Kaplan, economista do setor de tecnologias da informação do BNDES.

"A IdC traz mudanças tanto no desenvolvimento de uma conectividade mais pervasiva, quanto no aumento do processamento dos dados e barateamento e refinamento dos sensores que permitem a coleta de dados em diversos ambientes e com diferentes atuadores. Tudo isso associado a alguma solução prática, algum uso que permite aumento de eficiência, redução de intervenção humana, novos produtos ou novos modelos de negócios," explicou.

A conectividade em diversas atividades já ocorre há vários anos, como é o caso de processos de automação, mas a diferença da IdC está na quantidade de dispositivos conectados e nas transformações que esse tipo de recurso pode gerar em diversas áreas.

Um exemplo é o uso de sensores em tratores que medem a situação do solo e enviam dados para sistemas responsáveis por processar essas informações e fazer sugestões das melhores áreas ou momentos para o plantio. Outro é a adoção de dispositivos em casa, como termômetros, reguladores de consumo de energia ou gestores de eletrodomésticos, que permitem ao morador da residência controlar esses equipamentos à distância.

Exemplos de casos de uso nos principais ambientes de aplicação da Internet das Coisas.
[Imagem: BNDES]

• 
  

O outro lado

Para a professora Fernanda Bruno, coordenadora do Medialab, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, esse novo ecossistema traz uma ampliação da vigilância da vida das pessoas, que hoje já existente nos celulares, mas com potencial de crescimento por meio da disseminação de sensores em todo tipo de equipamento, como veículos, eletrodomésticos, postes e edifícios.

Esse processo, continua a professora, não é apenas um aumento quantitativo desse monitoramento do cotidiano, mas também qualitativo, uma vez que a captura dos dados é mais sutil e silenciosa, muitas vezes sem a consciência por parte dos indivíduos de que estão sendo objeto de tal monitoramento.

"Enquanto a Internet 'tradicional' foi marcada pela interatividade, a IdC está incorporada aos objetos e captura os nossos dados enquanto usamos tais objetos ou frequentamos certos espaços e ambientes. Mas é preocupante pensarmos que quantidades imensas de dados extremamente relevantes e sensíveis sobre nossos hábitos e comportamentos estão sendo coletados de forma contínua sem que seja necessária a nossa percepção e consciência deliberada disso," observa Fernanda Bruno.

Painéis solares flexíveis mais próximos da realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica

De tão leves e finas, as células solares orgânicas podem ser aplicadas até a bolhas de sabão.
[Imagem: Joel Jean/Anna Osherov]

Células solares orgânicas

Painéis solares que poderão ser aplicados como revestimentos em superfícies curvas - como a lataria de um carro - estão um passo mais perto da realidade graças a uma descoberta que desafia o pensamento convencional sobre um dos principais componentes desses dispositivos.

O avanço envolve as células solares orgânicas - à base de carbono, por isso também chamadas de células solares de plástico - que usam moléculas de corantes para absorver a luz do Sol e transformá-la em eletricidade.

Uma célula solar orgânica básica consiste em um filme fino de semicondutores orgânicos ensanduichado entre dois eletrodos, que extraem as cargas geradas na camada semicondutora.

De forma um tanto óbvia, os cientistas supõem há muito tempo que 100% da superfície de cada eletrodo deve ser eletricamente condutora para maximizar a eficiência da extração dessas cargas elétricas.

Dinesha Dabera e seus colegas da Universidade de Warwick, no Reino Unido, descobriram que, na verdade, os eletrodos das células solares orgânicas precisam ser apenas cerca de 1% condutores para serem totalmente eficazes. Para checar sua descoberta, Dabera fabricou um eletrodo 99% isolante e ele funcionou tão bem quanto um eletrodo de ouro puro.

Materiais melhores e mais baratos

Além de ser surpreendente, esta descoberta abre as portas para o uso de uma variedade de materiais compósitos na interface entre os eletrodos e as camadas de semicondutores orgânicos para melhorar o desempenho das células solares e reduzir os custos.

"Esta nova descoberta significa que compostos de nanopartículas isolantes e condutoras, como nanotubos de carbono, fragmentos de grafeno ou nanopartículas de metal, podem ter um grande potencial para essa finalidade, oferecendo desempenho aprimorado do dispositivo ou menor custo. As células solares orgânicas estão muito perto de serem comercializadas, mas ainda não chegaram lá; portanto, qualquer coisa que permita reduzir ainda mais os custos, além de melhorar o desempenho, ajudará a viabilizar isto," disse Dabera.

Bibliografia:

Artigo: An Electrode Design Rule for Organic Photovoltaics Elucidated Using a Low Surface Area Electrode
Autores: G. Dinesha M. R. Dabera, Jaemin Lee, Ross A. Hatton
Revista: Advanced Functional Materials
DOI: 10.1002/adfm.201904749

Construções de madeira assumem formatos complexos conforme secam

Redação do Site Inovação Tecnológica

A torre foi construída com tábuas retas, que se curvaram ao secar, dando à torre seu formato definitivo.
[Imagem: ICD/ITKE/Universidade de Stuttgart]

Madeira programada para curvar

O advento das madeiras superduras e de uma madeira transparente mostrou que esse material sustentável pode ser utilizado até mesmo para construir arranha-céus quase totalmente de madeira e ainda resistentes a terremotos.

Philippe Grönquist e seus colegas do Empa (Suíça) e da Universidade de Stuttgart (Alemanha) queriam que suas construções de madeira tivessem um apelo arquitetônico e que fossem mais fáceis de construir. Embora paredes curvas de tijolos e concreto sejam razoavelmente fáceis de fazer, construir superfícies curvas de madeira exige um bocado de energia e ainda desperdiça muito material.

Grönquist eliminou os dois problemas tirando proveito justamente de características da madeira vistas como um empecilho para seu uso em larga escala na construção civil: a tendência para encolher, inchar, trincar e se deformar em resposta a variações na umidade.

A técnica consiste em fabricar tábuas planas projetadas para se curvar de forma específica conforme secam, ou seja, conforme perdem a umidade natural. É um conceito similar ao dos metais com memória de forma, com a diferença que, uma vez seca, a madeira não muda mais de forma.

Madeira com memória de forma

Os primeiros protótipos consistem em pranchas de 15 a 45 milímetros de espessura, feitas com as madeiras faia, mais dura, e abeto norueguês, mais macia.

As tábuas são fabricadas colando duas camadas de madeira perpendiculares entre si, com um teor de umidade de pelo menos 18% - superior ao teor de umidade de 10 a 15% com que as chapas de madeira são fabricadas hoje.

À medida que o teor de umidade da madeira diminui, uma das camadas se contrai, enquanto a outra, transversal, permanece com a mesma largura porque está com as fibras na perpendicular. O efeito final é que a tábua de madeira como um todo se dobra.

A madeira pode ser programada para curvar-se de diferentes maneiras ajustando-se o modo como as camadas são montadas e coladas. Depois de secas, as camadas são unidas, travando no estado curvo. Os testes mostraram que, após essa etapa de finalização, o formato das tábuas não muda mais, independentemente da umidade do ar.

Processo de fabricação do compensado especial, programado para curvar de maneira específica.
[Imagem: Philippe Grönquist et al. - 10.1126/sciadv.aax1311]

Construções de madeira automoldável

A equipe acaba de concluir a montagem e teste final do primeiro edifício para avaliar este novo conceito. A construção automoldável, batizada Torre Urbach, consiste em uma estrutura sinuosa de 14 metros de altura, feita de tábuas de 5 metros por 1,2 metro.

A expectativa é que, sem a necessidade de maquinaria pesada, um grande consumo de energia e longa espera para dobrar a madeira - o processo geralmente emprega aquecimento a vapor - a técnica de construções de madeira automoldáveis possa renovar o interesse pelas construções de madeira.

Bibliografia:

Artigo: Analysis of hygroscopic self-shaping wood at large scale for curved mass timber structures
Autores: Philippe Grönquist, Dylan Wood, Mohammad M. Hassani, Falk K. Wittel, Achim Menges, Markus Rüggeberg
Revista: Science Advances
Vol.: 5, no. 9, eaax1311
DOI: 10.1126/sciadv.aax1311

Célula noturna tira eletricidade da fria escuridão da noite

Redação do Site Inovação Tecnológica 

O resfriamento radiativo manda o calor para o frio do espaço por meio de ondas infravermelhas para as quais a atmosfera é transparente.
[Imagem: 10.1016/j.joule.2019.08.009]

Célula que gera energia à noite

É uma célula solar às avessas, uma célula que começa a gerar eletricidade quando o Sol se põe, aproveitando o frio do espaço exterior.

Esse fenômeno termoelétrico, que essencialmente envia calor para o espaço sem gastar energia, já vem sendo explorado para criar aparelhos de ar-condicionado supereconômicos, uma espécie de refrigeração passiva que não consome eletricidade.

Agora o frio da noite - durante o dia o calor do Sol anula a maior parte do efeito - foi explorado para criar uma célula termoelétrica.

"O que é notável é que o dispositivo é capaz de gerar eletricidade à noite, quando as células solares não funcionam," destaca Aaswath Raman, da Universidade da Califórnia em Los Angeles. "Além da iluminação, acreditamos que essa poderia ser uma abordagem amplamente favorável à geração de energia adequada para locais remotos e em qualquer lugar onde a geração de energia durante a noite seja necessária".

Resfriamento radiativo

A célula noturna resolve as limitações da energia solar - que depende de baterias para manter um fornecimento de eletricidade 24 horas por dia - aproveitando o resfriamento radiativo, no qual uma superfície voltada para o céu passa seu calor para a atmosfera na forma de radiação térmica - por meio de um comprimento de onda para o qual a atmosfera é transparente - perdendo algum calor para o espaço e atingindo uma temperatura mais baixa que a do ar circundante.

Esse fenômeno explica como o gelo se forma na grama durante as noites mesmo com temperatura acima de zero, e o mesmo princípio pode ser usado para gerar eletricidade, aproveitando as diferenças de temperatura para produzir eletricidade usando um material termoelétrico, um material que produz uma corrente elétrica a partir de uma diferença de temperatura.

O dispositivo consiste em um invólucro de poliestireno coberto com uma película aluminizada, para minimizar a radiação térmica, e protegido por uma cobertura contra o vento transparente para o infravermelho. Ele foi posto em uma mesa um metro acima do nível do telhado, retirando calor do ar circundante e liberando-o para o céu noturno através de um emissor preto simples - um disco de alumínio pintado de preto.

É tudo muito simples e barato - mas funciona.
[Imagem: Aaswath Raman]

Energia quase de graça

Quando o módulo termoelétrico foi conectado a um conversor para elevação de tensão, a energia gerada foi suficiente para acender um LED branco. Medições mais cuidadosas revelaram que a célula gera até 25 miliwatts de energia por metro quadrado (mW/m2).

A energia gerada é pequena, mas a equipe só trabalhou com materiais básicos, comprados no comércio, o que torna o dispositivo inteiro muito barato. Eles acreditam poder aumentar a potência gerada em até 20 vezes (chegando a 0,5 mW/m2) trabalhando com materiais aprimorados, mas também disponíveis comercialmente.

"Nosso trabalho destaca as muitas oportunidades para a energia ainda por serem exploradas, aproveitando o frio do espaço sideral como recurso de energia renovável," disse Raman. "Acreditamos que isso forme a base de uma tecnologia complementar à energia solar. Embora a produção de energia será sempre substancialmente menor, ela pode operar em horas em que as células solares não podem".

Bibliografia:

Artigo: Generating Light from Darkness
Autores: Aaswath P. Raman, Wei Li, Shanhui Fan
Revista: Joule
DOI: 10.1016/j.joule.2019.08.009

Dirigíveis podem voltar aos céus para impulsionar economia sustentável

Com informações do IIASA

Já existe uma indústria de dirigíveis tentando trazer de volta as aeronaves mais leves do que o ar.
[Imagem: Hybrid Air Vehicles/Divulgação]

Setor aéreo baseado em dirigíveis

A reintrodução dos dirigíveis - grandes naves de transporte mais leves do que o ar - no mix de transporte mundial pode contribuir para reduzir as emissões de carbono do setor de transportes e ainda desempenhar um papel no estabelecimento de uma economia sustentável baseada no hidrogênio.

Essas aeronaves mais leves que o ar poderiam, em última instância, aumentar a viabilidade de um mundo 100% sustentável, dizem os autores de um estudo patrocinado pelo IIASA, um instituto científico internacional na Áustria que conduz pesquisas sobre questões críticas envolvendo as mudanças ambientais, econômicas, tecnológicas e sociais globais.

O professor Walter Leal Filho, da Universidade do Vale do Rio dos Sinos, em Porto Alegre, é um dos signatários da análise.

Os dirigíveis foram introduzidos na primeira metade do século XX, antes que os aviões fossem usados para o transporte de longo alcance de cargas e passageiros. A sua utilização no transporte de carga e passageiros foi, no entanto, rapidamente descontinuada por várias razões, incluindo a sua velocidade mais baixa em comparação com a dos aviões, a falta de previsões meteorológicas confiáveis e o risco de uma explosão de hidrogênio - o desastre do Hindenburg, de 1937, serviu como a pá de cal na aposentadoria precoce dessas gigantescas e silenciosas naves.

Sem concorrência, o setor de transporte aéreo baseado em aviões cresceu até se tornar responsável por cerca de 25% das emissões globais de CO2 causadas pelos seres humanos.

A ideia é usar as correntes de jato para impulsionar os dirigíveis, reduzindo seu consumo de combustível.
[Imagem: Hunt et al. - 10.1016/j.ecmx.2019.100016]

Retorno dos dirigíveis

Ocorre que, desde então, avanços consideráveis nas ciências dos materiais, na capacidade de prever o clima e a necessidade urgente de reduzir o consumo de energia e as emissões de CO2 têm trazido os dirigíveis de volta às conversações políticas, empresariais e científicas como uma possível alternativa de transporte.

O que a equipe que assina o estudo está propondo é justamente a criação de uma indústria de transportes aéreos baseada em dirigíveis e balões, que poderia ser desenvolvida usando as correntes de jato como meio de energia para transportar cargas ao redor do mundo.

As correntes de jato são um núcleo de ventos fortes que flui de oeste para leste, cerca de 8 a 12 quilômetros acima da superfície da Terra. De acordo com os pesquisadores, dirigíveis voando na corrente de jato podem reduzir as emissões de CO2 e o consumo de combustível em relação aos aviões, uma vez que a própria corrente de jato contribuiria com a maior parte da energia necessária para mover as aeronaves entre os destinos.

Os cálculos indicam uma viagem completa em torno da Terra com duração de 16 dias no hemisfério norte e 14 dias no hemisfério sul. Esse tempo é consideravelmente menor em comparação com as atuais rotas de navegação marítima, particularmente no hemisfério sul.

• 
  

A equipe também levou em consideração os balões e fez comparações com outras formas de geração de energia renovável, como as fazendas solares.
[Imagem: Hunt et al. - 10.1016/j.ecmx.2019.100016]

Viabilizar a Economia do Hidrogênio

Os pesquisadores argumentam que a reintrodução dos dirigíveis no setor de transporte também poderia oferecer uma alternativa para o transporte de hidrogênio. O hidrogênio é um excelente portador de energia, com uma pretensa "Economia do Hidrogênio" sendo postulada há muito tempo, já que sua queima não produz poluentes. Dado que a eletricidade renovável - o excesso de energia eólica ou energia solar, por exemplo - pode ser transformado em hidrogênio, há muito otimismo de que a economia do hidrogênio se tornará parte fundamental de um futuro limpo e sustentável.

Um dos desafios para implementar uma economia baseada no hidrogênio é resfriar o hidrogênio abaixo de -253º C para liquefazê-lo. O processo consome quase 30% da energia incorporada no gás, com energia adicional de cerca de 3% necessária para transportar o hidrogênio liquefeito.

A equipe propõe que, em vez de usar energia na liquefação, o hidrogênio em forma gasosa seja transportado dentro do balão ou aeróstato e impulsionado pela corrente de jato com uma menor necessidade de combustível. Uma vez que a aeronave ou balão chegue ao seu destino, a carga pode ser descarregada removendo de 60% a 80% do hidrogênio usado para levantar a nave, deixando de 40% a 20% do hidrogênio dentro do veículo para fornecer flutuabilidade suficiente para a viagem de retorno sem carga.

Para lidar com o risco da combustão do hidrogênio no dirigível, os autores sugerem automatizar a operação de carregamento e descarregamento dos dirigíveis a hidrogênio e projetar percursos de voo que evitem cidades, para reduzir o risco de fatalidades em caso de acidente.

Outro aspecto interessante revelado pelo estudo é a possibilidade de que aeróstatos e balões também possam ser usados para melhorar a eficiência da liquefação do hidrogênio. Como a temperatura da estratosfera (onde os dirigíveis voarão para utilizar a corrente de jato) varia entre -50º C e -80º C, isso significa que menos energia será necessária para atingir a marca de -253º C se o processo acontecer a bordo da nave. A energia necessária para o resfriamento adicional necessário poderia ser gerada usando o próprio hidrogênio no dirigível.

Este dirigível para missões humanitárias ainda é apenas um conceito, mas mostra que a indústria aeronáutica tradicional leva a ideia a sério.
[Imagem: Bombardier/Divulgação]

Fazer chuva

A junção de dirigíveis e hidrogênio também apresenta uma série de possibilidades adicionais, por exemplo, o processo de geração de energia a partir do hidrogênio produz água, muita água - uma tonelada de hidrogênio produz nove toneladas de água.

Essa água poderia ser usada para aumentar o peso do dirigível e economizar ainda mais energia em sua trajetória descendente.

Outra aplicação possível para a água produzida seria a produção de chuva, com a liberação da água produzida a partir da estratosfera, a uma altura em que ela irá congelar antes de entrar na troposfera, onde então irá derreter novamente. Isso reduz a temperatura e aumenta a umidade relativa da troposfera até que ela se sature e comece a chover. Essa chuva artificial, por sua vez, inicia um padrão de chuva de convecção, alimentando ainda mais umidade e chuva no sistema. Esse processo poderia ser usado para aliviar o estresse hídrico em regiões afetadas pela seca.

"Os dirigíveis foram usados no passado e forneceram grandes serviços à sociedade. Devido às necessidades atuais, os dirigíveis devem ser reconsiderados e devolvidos aos céus. Nosso trabalho apresenta resultados e argumentos a favor disso. O desenvolvimento de uma indústria de dirigíveis reduzirá custos de embarque de cargas de entrega rápida, particularmente em regiões distantes da costa. A possibilidade de transportar hidrogênio sem a necessidade de liquefazê-lo reduziria os custos para o desenvolvimento de uma economia sustentável e baseada em hidrogênio, aumentando a viabilidade de um mundo 100% renovável," concluiu o pesquisador Julian Hunt, do IIASA.

Bibliografia:

Artigo: Using the jet stream for sustainable airship and balloon transportation of cargo and hydrogen
Autores: Julian David Hunt, Edward Byers, Abdul-Lateef Balogun, Walter Leal Filho, Angeli Viviani Colling, Andreas Nascimento, Yoshihide Wada
Revista: Energy Conversion and Management
DOI: 10.1016/j.ecmx.2019.100016

Painel solar dessaliniza água do mar reciclando calor

Redação do Site Inovação Tecnológica

Uma fazenda solar com um sistema de dessalinização de água do mar acionado por calor sob cada painel pode co-gerar eletricidade renovável e água doce em áreas costeiras.
[Imagem: Wenbin Wang]

Água de graça

Um aparelho multifuncional mostrou-se capaz de capturar o calor presente nos painéis solares fotovoltaicos, sempre expostos ao Sol, e usar esse calor para dessalinizar a água do mar, gerando água potável.

Ou seja, o aparelho gera simultaneamente eletricidade e água usando apenas energia renovável.

Wenbin Wang, da Universidade de Ciência e Tecnologia Rei Abdullah, na Arábia Saudita, construiu uma série de canais de água e os empilhou, separando-os por membranas hidrofóbicas porosas e camadas condutoras de calor, e então prendeu tudo no lado de baixo de um painel fotovoltaico comercial.

O calor residual do painel vaporiza a água do mar no canal mais alto; o vapor atravessa a membrana porosa e condensa-se como água fresca em um canal de água limpa logo abaixo.

À medida o vapor condensa, seu calor passa através da camada de condução térmica para o próximo canal de água do mar, reciclando a energia para purificar mais água.

Usando três camadas empilhadas de canais de destilação de água e passando a energia de camada para camada, o aparelho, instalado em uma região costeira da Arábia Saudita, produziu até 1,64 litro de água potável por metro quadrado de superfície do painel solar a cada hora. Isso é mais do que o dobro da produção de água dos dessalinizadores solares tradicionais, que usam um esquema de estágio único, instalados na mesma região desértica.

Igualmente importante, a saída de eletricidade do painel fotovoltaico não foi afetada pela dessalinização de água ocorrendo abaixo dele.

Esquema do mecanismo de dessalinização da água do mar pela reciclagem do calor dos painéis solares.
[Imagem: Wenbin Wang et al. - 10.1038/s41467-019-10817-6]

Energia e água

Wang lembra que a produção de energia e o uso da água já estão profundamente interligados. Fazendas solares usam água doce para tirar a poeira que se acumula sobre os painéis solares e reduz sua capacidade de geração de eletricidade. Enquanto isso, as usinas de dessalinização de água consomem muita eletricidade para produzir água doce da água do mar.

Assim, o novo aparelho preenche um hiato que aguardava por uma solução. Além disso, ele faz seu trabalho aproveitando algo que era desperdiçado: os painéis fotovoltaicos comerciais transformam a luz solar em eletricidade com uma eficiência máxima de 20%; os restantes 80% são desperdiçados como calor, lançado no ambiente circundante.

Bibliografia:

Artigo: Simultaneous production of fresh water and electricity via multistage solar photovoltaic membrane distillation
Autores: Wenbin Wang, Yusuf Shi, Chenlin Zhang, Seunghyun Hong, Le Shi, Jian Chang, Renyuan Li, Yong Jin, Chisiang Ong, Sifei Zhuo, Peng Wang
Revista: Nature Communications
Vol.: 10, Article number: 3012
DOI: 10.1038/s41467-019-10817-6

Colhedeira de água tira água do ar até no deserto

Redação do Site Inovação Tecnológica

Um ventilador força o ar ambiente em direção aos cartuchos de MOF, visíveis dentro da caixa transparente, onde a água é coletada.
[Imagem: Mathieu Prévot/UC Berkeley]

Colhendo água

Com a escassez de água tornando-se um problema crescente em todo o mundo, pesquisadores têm-se esforçado em busca de soluções sustentáveis e de baixo impacto ambiental.

Nikita Hanikel e seus colegas da Universidade da Califórnia em Berkeley, nos EUA, vêm dedicando seus esforços há alguns adnos para coletar água diretamente da umidade do ar.

O protótipo de coletor de água mais recente construído pela equipe recolheu 1,3 litro por dia para cada quilograma (l/kg/dia) de material absorvedor em uma região com baixa umidade. Em um teste ainda mais rigoroso, feito no deserto de Mojave, na Califórnia, ele produziu 0,7 l/kg/dia em média, e 0,2 l/kg/dia no dia mais seco, com umidade de 7%.

O material ativo é uma estrutura metal-orgânica, mais conhecida como MOF (metal-organic framework), um material extremamente poroso. Dependendo de sua estrutura e do tamanho de seus poros, as estruturas metal-orgânicas permitem apenas a passagem de moléculas, o que faz com que a água "cole" em suas superfícies internas. Um leve aquecimento transforma essa água em vapor, que é então coletada por um condensador.

A equipe foi testar sua invenção no Deserto de Mojave - e não passou sede.
[Imagem: Grant Glover/University of South Alabama]

Água como direito humano

Os resultados foram tão bons que a equipe já fundou uma empresa para comercializar a tecnologia. Eles estão trabalhando em um modelo do tamanho de um forno de micro-ondas que poderá fornecer de 7 a 10 litros de água totalmente limpa por dia.

Uma versão ainda maior do coletor, do tamanho de uma geladeira pequena, fornecerá de 200 a 250 litros de água por dia, o suficiente para uma família beber, cozinhar e tomar banho. E, em alguns anos, os empreendedores esperam ter uma colhedeira de água de escala comunitária, capaz de produzir 20.000 litros de água potável por dia. Tudo funcionando com painéis solares e uma bateria, para garantir uma colheita de água 24 horas por dia.

"Estamos produzindo água ultra-pura, que potencialmente pode ser disponibilizada amplamente sem conexão com a rede de distribuição de água," disse o professor Omar Yaghi, coordenador da equipe. "Essa mobilidade da água não é apenas crítica para aqueles que sofrem de estresse hídrico, mas também possibilita o objetivo maior - que a água seja um direito humano".

Bibliografia:

Artigo: Rapid Cycling and Exceptional Yield in a Metal-Organic Framework Water Harvester
Autores: Nikita Hanikel, Mathieu S. Prévot, Farhad Fathieh, Eugene A. Kapustin, Hao Lyu, Haoze Wang, Nicolas J. Diercks, T. Grant Glover, Omar M. Yaghi
Revista: ACS Central Science
DOI: 10.1021/acscentsci.9b00745

Lâmpada catodoluminescente: Uma nova revolução na iluminação?

Redação do Site Inovação Tecnológica

Protótipos das lâmpadas catodoluminescentes com um conversor de voltagem incorporado com um difusor (a) e sem ele (b). A potência luminosa é de até 250 lumens, que é aproximadamente a saída de uma lâmpada incandescente de 25 watts, mas o consumo de energia é de apenas 5,5 watts.
[Imagem: MIPT]

Lâmpada alternativa aos LEDs

Engenheiros russos apresentaram um protótipo de lâmpada catodoluminescente para iluminação geral.

A nova lâmpada, que se baseia no fenômeno de emissão de campo, é mais confiável, mais durável e mais luminosa do que todos os protótipos anteriores - há equipes trabalhando nesses projetos há décadas.

As lâmpadas de LED se tornaram comuns rapidamente, mas elas não são a única alternativa limpa e econômica para as lâmpadas fluorescentes - e seu mercúrio - e para as lâmpadas incandescentes - e seu alto consumo de eletricidade. Desde a década de 1980, engenheiros de todo o mundo têm trabalhado nas lâmpadas catodoluminescentes como outra opção para fins de iluminação geral.

Uma lâmpada deste tipo baseia-se no mesmo princípio que alimentou as antigas TVs de tubos de raios catódicos: um eletrodo carregado negativamente, ou catodo, em uma extremidade de um tubo de vácuo, funciona como um canhão de elétrons. Uma diferença de potencial de até 10 kilovolts acelera os elétrons emitidos em direção a um eletrodo revestido de fósforo carregado positivamente - o anodo - na extremidade oposta do tubo. Este bombardeamento de elétrons resulta em luz.

As lâmpadas catodoluminescentes têm a vantagem de poder emitir luz em quase qualquer comprimento de onda, do vermelho ao ultravioleta, dependendo de qual material fluorescente é usado. Lâmpadas catodoluminescentes ultravioletas, por exemplo, não contêm mercúrio, o que seria um desenvolvimento particularmente oportuno considerando a recente proibição de eletrodomésticos usando mercúrio sob a Convenção de Minamata, um tratado das Nações Unidas assinado por 128 países.

Outra vantagem importante da nova lâmpada em relação aos LEDs e lâmpadas fluorescentes é que ela não depende das chamadas matérias-primas críticas, incluindo gálio, o índio e alguns elementos de terras raras.

Lâmpada catodoluminescente: unidade moduladora do catodo (1), catodo (2), modulador (3), elétrons emitidos (4), fósforo (5), espelho de alumínio como anodo (6), saída anódica (7), tubo de vácuo de vidro (8).
[Imagem: Evgenii Sheshin et al. - 10.1116/1.5070108]

Lâmpada catodoluminescente

Já foram feitas tentativas de produção de lâmpadas catodoluminescentes em escala industrial nos Estados Unidos, mas os consumidores não gostaram principalmente porque as lâmpadas eram volumosas e demoravam vários segundos para aquecer o catodo até a temperatura de operação e começar a brilhar - era por isso que os televisores antigos demoravam para começar a mostrar as imagens.

Mas alguns catodos não necessitam de aquecimento. Eles são conhecidos como catodos de emissão de campo, porque dependem do fenômeno de emissão de campo, que envolve elétrons emitidos a partir de um catodo frio sob ação apenas de um campo eletrostático, graças ao fenômeno quântico do tunelamento.

O protótipo russo apresentado agora marca a primeira tentativa bem-sucedida de projetar um catodo desse tipo que é eficiente, com vida útil longa, que pode ser produzido em massa e vendido a um preço acessível.

"Nosso catodo de emissão de campo é feito de carbono comum," conta o professor Evgenii Sheshin, do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou. "Mas esse carbono não é usado apenas como um produto químico, mas também como uma estrutura. Descobrimos uma maneira de moldar uma estrutura a partir de fibras de carbono que é resistente ao bombardeio de íons, produz uma corrente de alta emissão e é tecnologicamente adequada à produção [industrial]. Esta tecnologia é know-how nosso, ninguém mais no mundo tem."

Submetendo o carbono a um tratamento especial, são criadas inúmeras protuberâncias submicrométricas - com menos de um milionésimo de metro - na ponta do catodo. Isso resulta em um campo elétrico muito alto, expulsando os elétrons da extremidade rumo ao vácuo.

A equipe também desenvolveu uma fonte de energia compacta para sua lâmpada catodoluminescente, que fornece os milhares de volts suficientes para uma emissão de elétrons de campo bem-sucedida. A fonte é montada em torno da lâmpada de vidro, com um impacto mínimo em seu tamanho.

Este eletrodo de carbono é a grande inovação da equipe, podendo viabilizar as lâmpadas catodoluminescentes.
[Imagem: Evgenii P. Sheshin/MIPT]

Trocar as lâmpadas de LED

A equipe calcula que, se for produzida em massa, a lâmpada catodoluminescente poderia competir com as lâmpadas baratas baseadas em diodos emissores de luz (LEDs). A nova lâmpada também ajudaria a eliminar as lâmpadas fluorescentes, que contêm mercúrio e que ainda são usadas em áreas domésticas em todo o mundo.

"Ao contrário da lâmpada LED, nossa lâmpada não tem medo de temperaturas elevadas. Você pode usá-la onde os diodos esmaecem rapidamente, como em holofotes de teto, onde não se obtém um resfriamento adequado," disse Dmitry Ozol, membro da equipe.

Agora é esperar que a equipe consiga convencer a indústria a apostar em sua inovação para que comecemos novamente a trocar as lâmpadas de nossas casas.

Bibliografia:

Artigo: Prototype of cathodoluminescent lamp for general lighting using carbon fiber field emission cathode
Autores: Evgenii P. Sheshin, Artem Yu. Kolodyazhnyj, Nikolai N. Chadaev, Alexandr O. Getman, Mikhail I. Danilkin, Dmitry I. Ozol
Revista: Journal of Vacuum Science & Technology B
Vol.: 37, 031213
DOI: 10.1116/1.5070108