Cidades não devem ser só inteligentes, devem ser sábias

Claudio Rocco - Youris

Valência, na Espanha, é uma das três cidades envolvidas na adoção das recomendações do projeto.
[Imagem: MAtchUP Project/Divulgação]

Benefícios e riscos das cidades inteligentes

A noção de "cidade inteligente" cresceu em popularidade nos últimos vinte anos.

Os fãs da revolução digital acreditam que as tecnologias de comunicação transformarão radicalmente nossas cidades, oferecendo uma vasta gama de novos serviços que simplificarão nossa vida cotidiana.

Mas isso também pode significar uma grande "rede de sensores equivalendo a milhões de ouvidos, olhos e narizes eletrônicos", onde os cidadãos serão controlados por quem tem acesso a esses dados.

Em outras palavras, alguns temem que esse cenário destrua a democracia.

Barbara Branchini, da Universidade de Valência, na Espanha, discorda dessa visão pessimista: "O remédio é o engajamento do cidadão. Inteligente não é apenas uma cidade dominada pela tecnologia, mas um lugar onde a participação, a criatividade e a educação são promovidas. O engajamento do cidadão e a participação do cidadão no processo de tomada de decisões acompanha o desenvolvimento tecnológico."

Dresden, na Alemanha, também está envolvida na criação de um rumo para se chegar às "cidades de sabedoria".
[Imagem: MAtchUP Project/Divulgação]

Cidades sábias

Branchini fala de sua experiência recente no projeto MAtchUP, da União Europeia, que visa implementar soluções inovadoras nos setores de energia, mobilidade e tecnologia da informação e replicá-las em cidades da Europa.

"Nós elaboramos um plano de ação cobrindo questões como educação e treinamento da comunidade, empregabilidade e empreendedorismo, políticas públicas e dados abertos. Nós também criamos um grupo de envolvidos (organizações, administração pública, empresas, associações de cidadãos) que atuarão como grupo principal e força motriz do projeto. Na verdade, os projetos europeus podem fornecer recursos adicionais para promover o engajamento dos cidadãos. E o engajamento dos cidadãos pode desencadear e reforçar os resultados dos projetos europeus. É uma situação em que todos ganham. "

Os analistas também estão convencidos de que o adjetivo "inteligente" atribuído às cidades deve ser substituído por "sábia".

Algumas organizações já adotaram esse conceito, como a Energy Cities. Essa associação europeia, envolvendo milhares de governos locais de 30 países, declara em sua missão: "Acreditamos que a transição energética seja mais do que energia renovável ou grandes tecnologias. Trata-se de um uso sábio dos recursos, ao mesmo tempo em que fortalece a participação e o bem-estar locais de uma maneira geral".

Antalaya, na Turquia, é a terceira parceria do projeto. Além destas, outras cinco cidades estão participando como observadoras.
[Imagem: MAtchUP Project/Divulgação]

Tecnologia como ponte

O professor Francesco Schianchi, da Politécnica de Milão, na Itália, participou do projeto estudando as consequências antropológicas e sociais ligadas ao desenvolvimento tecnológico das cidades inteligentes: "A tecnologia é apenas um suporte; o centro deve ser o cidadão, o protagonista das escolhas e não apenas o destinatário do desenvolvimento tecnológico. O conceito de cidade da sabedoria corresponde à civitas dos latinos, que é a cidade das almas, dos habitantes, em oposição à urbis, a cidade das pedras, das estruturas."

"O risco com o crescimento tecnológico da cidade inteligente é que os proprietários de megadados não apenas possam monitorar o que os cidadãos fazem, mas também entender sua vontade, possivelmente afetando o comportamento coletivo. Isso pode ser evitado se os cidadãos co-projetarem o espaço urbano de acordo com suas necessidades. Isso também leva à redução da exclusão social e da solidão, tornando as cidades mais adequadas para crianças, idosos e pessoas com deficiência.

"Um aplicativo para celular traz eficiência e redução de tempo, mas não é suficiente. A cidade da sabedoria foca na qualidade de vida, onde ninguém se sente excluído. E é isso que a tecnologia sozinha não pode alcançar sem a participação dos cidadãos," acrescentou Schianchi.

Sinapse artificial interage com células vivas

Redação do Site Inovação Tecnológica

Os componentes sintéticos funcionam com o mesmo princípio que os neurônios aos quais estão conectados.
[Imagem: Nature Materials]

Sinapse artificial orgânica

Em 2017, uma equipe da Universidade de Stanford, nos EUA, criou uma sinapse artificial orgânica para ser usada em processadores neuromórficos, ou seja, que imitam o modo de funcionamento do cérebro.

Agora eles conseguiram conectar as sinapses artificiais com células vivas, o que significa que esses componentes orgânicos poderão ser usados para criar interfaces entre o humano e o eletrônico, como próteses controladas pelo cérebro ou interfaces cérebro-computador com as mais variadas finalidades.

Enquanto outros dispositivos integrados ao cérebro - as chamadas interfaces neurais - exigem um sinal elétrico para detectar e processar as mensagens do cérebro, a comunicação entre estes novos componentes e as células vivas ocorre através da eletroquímica - como se o material fosse apenas mais um neurônio recebendo mensagens de seus vizinhos.

"Este trabalho realmente destaca a robustez única dos materiais que usamos para que pudéssemos interagir com a matéria viva. As células ficam felizes assentadas no polímero macio, mas a compatibilidade é mais profunda: esses materiais funcionam com as mesmas moléculas que os neurônios usam naturalmente," disse o professor Alberto Salleo, coordenador da equipe.

Matriz contendo nove sinapses artificiais, que foram conectadas com células vivas.
[Imagem: Armantas Melianas/Scott Keene]

Sintético comunicando-se com biológico

A sinapse artificial bio-híbrida consiste em dois eletrodos macios, feito de polímero, separados por um canal cheio de solução eletrolítica, que desempenha o papel da fenda sináptica que separa os neurônios no cérebro.

Quando células vivas - a equipe usou células neuroendócrinas de ratos - são colocadas em cima de um desses eletrodos, os neurotransmissores liberados por essas células (dopamina) reagem com o eletrodo, produzindo íons. Esses íons viajam pelo canal até o segundo eletrodo e modulam o estado condutor desse eletrodo. Parte dessa mudança é preservada, simulando o processo de aprendizado que ocorre na natureza.

Esse processo imita o mesmo tipo de aprendizado observado nas sinapses biológicas, que são altamente eficientes em termos de consumo de energia, uma vez que a computação e o armazenamento de memória acontecem em uma única ação - nos processadores eletrônicos atuais, os dados são processados primeiro e depois movidos para a memória.

"É uma demonstração de que essa comunicação que combina química e eletricidade é possível," disse Salleo. "Você pode dizer que é o primeiro passo em direção a uma interface cérebro-máquina, mas é um primeiro passo muito, muito pequeno."

Como próximo passo, a equipe já está trabalhando para fazer o dispositivo funcionar melhor em ambientes biológicos mais complexos, que contenham diferentes tipos de células e neurotransmissores.

Bibliografia:

Artigo: A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity
Autores: Scott T. Keene, Claudia Lubrano, Setareh Kazemzadeh, Armantas Melianas, Yaakov Tuchman, Giuseppina Polino, Paola Scognamiglio, Lucio Cinà, Alberto Salleo, Yoeri van de Burgt, Francesca Santoro
Revista: Nature Materials
DOI: 10.1038/s41563-020-0703-y

Metade da Terra permanece livre da influência humana

Kat Kerlin - UC Davis

Nossa civilização só afeta metade da Terra, garantem cientistas.
[Imagem: Jason Riggio et al. - 10.1111/gcb.15109]

Preservar metade do planeta

Aproximadamente metade das terras sem gelo da Terra permanece sem influência humana significativa, de acordo com um estudo de uma equipe internacional de pesquisadores, liderados pela National Geographic Society e pela Universidade da Califórnia em Davis, nos EUA.

Jason Riggio e seus colegas compararam quatro mapas globais recentes da conversão de terras naturais em terras para usos antropogênicos para chegar a estas conclusões. A metade mais impactada das terras da Terra inclui cidades, áreas de cultivo e locais intensamente cultivados ou minerados.

"A conclusão encorajadora deste estudo é que, se agirmos rápida e decisivamente, haverá uma janela fina na qual ainda podemos conservar aproximadamente metade das terras da Terra em um estado relativamente intacto," disse Riggio.

O estudo teve como objetivo servir de subsídio para a próxima Convenção Global Sobre Diversidade Biológica - a Conferência das Partes 15. A reunião estava programada para ocorrer na China, mas foi adiada devido à pandemia de coronavírus. Um dos objetivos da reunião é estabelecer metas específicas e mais altas para a proteção da terra e da água.

Aproximadamente 15% da superfície terrestre e 10% dos oceanos estão atualmente protegidos de alguma forma. No entanto, liderados por organizações como a "Natureza Precisa da Metade" (Nature Needs Half) e "Projeto Meia Terra" (Half-Earth Project), tem havido um apelo global ousado para que os governos se comprometam a proteger 30% da terra e da água até 2030 e 50% até 2050.

As terras naturais intactas em todo o mundo podem ajudar a purificar o ar e a água, reciclar nutrientes, melhorar a fertilidade e a retenção do solo, polinizar plantas e decompor os resíduos.

Conservação e pandemias

A pandemia de coronavírus que agora agita o mundo ilustra a importância de manter terras naturais para separar a atividade animal e humana, dizem os cientistas. As principais evidências científicas apontam para a probabilidade de que o SARS-CoV2, o vírus que causa a covid-19, seja um vírus zoonótico que saltou de animais para humanos. O ebola, a gripe aviária e a SARS são outras doenças conhecidas por terem se espalhado na população humana por animais não humanos.

"O risco humano para doenças como a covid-19 pode ser reduzido interrompendo o comércio e a venda de animais silvestres e minimizando a intrusão humana em áreas selvagens," defende o professor Andrew Jacobson.

Áreas com baixa influência humana não necessariamente excluem pessoas, gado ou manejo sustentável de recursos. Uma resposta de conservação equilibrada que atenda à soberania da terra e busque um equilíbrio entre a agricultura, os assentamentos ou outras necessidades de recursos com a proteção dos serviços dos ecossistemas e da biodiversidade é essencial, observam os autores.

"Alcançar esse equilíbrio será necessário se esperamos atingir metas ambiciosas de conservação," disse Riggio. "Mas nosso estudo mostra de forma otimista que essas metas ainda estão ao nosso alcance."

Bibliografia:

Artigo: Global human influence maps reveal clear opportunities in conserving Earth’s remaining intact terrestrial ecosystems
Autores: Jason Riggio, Jonathan E. M. Baillie, Steven Brumby, Erle Ellis, Christina M. Kennedy, James R. Oakleaf, Alex Tait, Therese Tepe, David M. Theobald, Oscar Venter, James E. M. Watson, Andrew P. Jacobson
Revista: Global Change Biology
DOI: 10.1111/gcb.15109

Pesquisadores da Unicamp desenvolvem plástico sustentável e comestível

Redação do Site Inovação Tecnológica

"Os testes foram essenciais para que conseguíssemos chegar a uma formulação possível de ser soprada sem adição de nenhum aditivo ou outro tipo de composto," destacou Farayde.
[Imagem: Pedro Amatuzzi]

Bioplástico comestível

Com todas as suas vantagens e benefícios gerados à sociedade, o plástico tem uma deficiência quase imperdoável: Ele não se degrada facilmente, poluindo terras e mares quando a etapa de reciclagem é pulada e o material é descartado no ambiente.

Em busca de uma alternativa, pesquisadoras das áreas de química e alimentos da Unicamp (Universidade Estadual de Campinas) desenvolveram um plástico composto por amido e gelatina que tem duas vantagens impressionantes: Ele é biodegradável e comestível.

O bioplástico foi obtido pelo processo de compressão mecânica chamado extrusão, em que amido e gelatina são inseridos em uma máquina onde são submetidos a alta pressão, sem adição de qualquer solvente. Em seguida, o material passa por um processo de sopro, que resulta em uma película, um filme, similar aos usados para proteger alimentos.

A pesquisadora Farayde Matta Fakhouri fez uma extensa pesquisa nas tecnologias disponíveis mundialmente e constatou que já existiam bioplásticos flexíveis, produzidos com outros polímeros biodegradáveis, mas não adequados para consumo.

A ausência de um produto baseado em material comestível e não tóxico levou a pesquisadora a trabalhar em um processo que tornasse essa alternativa viável. A solução inédita foi encontrada na mistura de amido e gelatina

"O nosso plástico é atóxico e pode ser utilizado em brinquedos e artigos infantis depois de higienizado. Deste modo, se uma criança levar à boca, não haverá problema", explica a professora Lúcia Mei, uma das coordenadoras do trabalho.

Plástico de amido e gelatina

Até chegar à consistência correta que proporcionasse o sopro em um filme, foram testados diversos amidos, naturais e modificados, com diferentes proporções de gelatina. "Os testes foram essenciais para que conseguíssemos chegar a uma formulação possível de ser soprada sem adição de nenhum aditivo ou outro tipo de composto," destacou Farayde.

De acordo com a pesquisadora, além de a combinação possibilitar a fabricação do polímero na forma de filme, quando a tecnologia é inserida em um produto isso resulta em mais brilho e flexibilidade conforme a proporção das matérias-primas - a quantidade de gelatina usada permite controlar a flexibilidade do produto.

A versatilidade desse plástico permite aplicações em diversos setores industriais: cosméticos, produtos de higiene, remédios e produtos descartáveis, e principalmente embalagens plásticas, que geralmente são compostas por polímeros sintéticos.

A tecnologia já está em processo de licenciamento, com uma empresa interessada em colocar o bioplástico no mercado a curto prazo.

Precisamos começar a projetar as ruas e estradas aéreas do futuro

Redação do Site Inovação Tecnológica

Ainda teremos carros circulando por décadas, mas o trânsito promete ir cada vez mais do solo para o ar.
[Imagem: Saul Ajuria Fernandez]

Veículos voadores

Os carros voadores sempre foram uma esquisitice relegada a reportagens em revistas de curiosidades - pelo menos até agora.

Com investimentos maciços recentes na área, essa má-fama pode começar a mudar.

Os criadores dessa nova geração preferem chamá-los de "veículos aéreos pessoais", talvez para fugir da pecha ou do mau agouro.

E há outra estrela no time: os drones, que passaram rapidamente de brinquedos a veículos capazes de entregar pequenos pacotes, levando muitos a apostar que não são os carros que vão voar, são os drones que se tornarão capazes de carregar humanos.

De uma forma ou de outra, alguns planejadores já começam a se preocupar com o fato de que as ruas e estradas poderão igualmente ter que sair do solo.

"A tecnologia chegou antes que a sociedade estivesse pronta. É bastante utópico em um sentido, mas precisamos descobrir como realmente a utilizamos e em benefício de quem," alerta o professor Paul Cureton, da Universidade de Lancaster, no Reino Unido.

Infraestrutura para uma frota aérea

O professor Cureton não está interessado tanto no desenvolvimento dos veículos voadores quanto na preparação da infraestrutura para recebê-los.

Para isso, ele liderou um grupo multi-institucional que se dispôs a estudar como a sociedade deve se preparar para receber os veículos aéreos pessoais (VAPs) e os veículos aéreos não-tripulados (VANTs).

As principais conclusões do estudo incluem:

• A arquitetura, a infraestrutura e o setor residencial devem ser adaptados para acomodar a entrega de drones e os VAPs, com locais de aterrissagem no telhado, "espaçoportos" mini-aeroportos e colmeias de drones, que formarão um conjunto de bases logísticas.
• As entregas usando drones e os VAPs exigirão todo um sistema de gerenciamento, legislação e política de tráfego aéreo urbano.
• Uma inteligência artificial para drones mapeará nossas cidades, monitorará o público e auxiliará na gestão ambiental.
• Os drones serão integrados ao setor da construção civil para levantamentos, monitoramento e também serão utilizados como dispositivos robóticos nas obras.
• Os dados que os drones coletam serão críticos na criação de réplicas virtuais das cidades, contribuindo para uma função essencial do gerenciamento urbano das cidades inteligentes.
• Os drones funcionarão como importantes dispositivos de monitoramento ambiental e ferramentas-chave para combater as mudanças climáticas ao ajudar a monitorar a poluição.

Devido à amplitude das análises, que cobriu inclusive a checagem das futurologias com cenários descritos na ficção científica, a equipe espera publicar a pesquisa na forma de um livro.

Transistores de nanotubos de carbono saltam do laboratório para as fábricas

Redação do Site Inovação Tecnológica

Os transistores de nanotubos permitem fabricar chips 3D porque são produzidos quase a temperatura ambiente.
[Imagem: MIT]

FETs de nanotubos de carbono

Depois de quase vinte anos de pesquisa e desenvolvimento, os primeiros transistores de nanotubos de carbono começaram a ser fabricados por meio de processos industriais.

Apesar da elevada eficiência desse componente fundamental da eletrônica orgânica, provando uma vez após outra que supera os mais modernos transistores de silício, eles vinham sendo fabricados de forma quase "artesanal" em equipamentos de laboratório.

Agora, Mindy Bishop e seus colegas do MIT conseguiram fabricar as primeiras bolachas de transistores de efeitos de campo de nanotubos de carbono (CNFETs) em equipamentos industriais.

Além de mais eficientes do que os transistores de silício, os CNFETs poderão ser usados para construir novos tipos de processadores 3D, em que os circuitos não se espalham apenas na superfície do chip, podendo também ser formados por vários andares.

Processadores 3D

A equipe afirma ter conseguido ajustes para acelerar o processo de fabricação em mais de 1.100 vezes em comparação com o método convencional de laboratório, além de reduzir o custo de produção. A técnica permitiu depositar nanotubos de carbono de ponta a ponta nas bolachas, com matrizes de 14.400 por 14.400 CFNETs distribuídas em várias bolachas.

E os transistores de nanotubos de carbono industrializados chegam cumprindo o que se esperava deles, com os primeiros testes mostrando que eles apresentam uma eficiência energética pelo menos 10 vezes superior à dos transistores de silício atuais.

E, ao contrário dos transistores de silício, que são fabricados em temperaturas entre 450 e 500 graus Celsius, os CNFETs podem ser fabricados quase a temperatura ambiente.

"Isso significa que você pode realmente construir camadas de circuitos em cima de camadas de circuitos fabricadas anteriormente, para criar um chip tridimensional. Você não pode fazer isso com a tecnologia baseada em silício porque derreteria as camadas por baixo," disse o professor Max Shulaker.

Prevê-se que um chip de computador 3D, capaz de combinar funções lógicas e de memória, supere o desempenho de um chip 2D de última geração feito de silício por ordens de magnitude.

Os próximos passos, já em andamento, serão construir diferentes tipos de circuitos integrados a partir dos CNFETs em um ambiente industrial e explorar algumas das novas funções que um chip 3D poderia oferecer.

Bibliografia:

Artigo: Fabrication of carbon nanotube field-effect transistors in commercial silicon manufacturing facilities
Autores: Mindy D. Bishop, Gage Hills, Tathagata Srimani, Christian Lau, Denis Murphy, Samuel Fuller, Jefford Humes, Anthony Ratkovich, Mark Nelson, Max M. Shulaker
Revista: Nature Electronics
DOI: 10.1038/s41928-020-0419-7

Como recarregar um carro elétrico em movimento

Redação do Site Inovação Tecnológica

O circuito de recarregamento à distância e em movimento já funciona: Só falta aumentar sua potência.
[Imagem: Assawaworrarit/Fan - 10.1038/s41928-020-0399-7]

Carros que se recarregam na estrada

Engenheiros da Universidade de Stanford, nos EUA, desenvolveram uma nova técnica que promete recarregar as baterias dos carros elétricos com os veículos em movimento.

Embora o conceito de estradas que recarregam os carros elétricos enquanto eles viajam venha sendo discutido há algum tempo, e da disponibilidade de tecnologias para recarregamento de baterias sem fios, mesclar as duas coisas não tem sido fácil.

Carregadores sem fio transmitem eletricidade criando um campo magnético que oscila a uma frequência que cria uma vibração ressonante em bobinas magnéticas no dispositivo receptor. O problema é que a frequência ressonante muda se a distância entre a fonte e o receptor mudar mesmo que ligeiramente.

Sid Assawaworrarit e Shanhui Fan resolveram este problema criando um circuito de recarregamento - o circuito que transmite a eletricidade - que se ajusta em tempo real e em alta velocidade ao efeito ressonante do circuito que está sendo recarregado e que está se movendo. Eles chamaram a técnica de "circuito simétrico com paridade de tempo não linear".

Drones que recarregam em voo

A eficiência do sistema de transmissão sem fio de eletricidade alcançou 92%, embora a potência ainda seja muito pequena - apenas 10 watts.

A equipe acredita que, além de haver muito espaço para melhorias, a tecnologia não precisará ficar esperando até atingir o patamar de utilidade para os carros elétricos: Já é possível usá-la para carregar aparelhos menores.

"Este é um passo significativo em direção a um sistema prático e eficiente para recarregar automóveis e robôs sem fios, mesmo quando eles estão se movendo em alta velocidade," disse Fan.

"Teremos que aumentar a potência para recarregar um carro em movimento, mas não acho que isso seja um obstáculo sério. Para recarregar os robôs, já estamos dentro do alcance da utilidade prática. Imagine um drone que possa voar o dia inteiro descendo ocasionalmente e pairando em torno de um telhado para recargas rápidas," acrescentou.

Bibliografia:

Artigo: Robust and efficient wireless power transfer using a switch-mode implementation of a nonlinear parity–time symmetric circuit
Autores: Sid Assawaworrarit, Shanhui Fan
Revista: Nature Electronics
Vol.: 3, pages 273-279
DOI: 10.1038/s41928-020-0399-7

Quatro ações-chave podem deter aquecimento global

Redação do Site Inovação Tecnológica

A busca pelos "culpados" pelo aquecimento global tem levado a discussões pouco científicas.
[Imagem: H. Damon Matthews et al./Environmental Research Letters]

Dá para cumprir Acordo de Paris

A temperatura média global já está 1 °C acima dos níveis pré-industriais e as tendências atuais de consumo de energia e emissões não estão no caminho certo para cumprir as metas do Acordo de Paris.

Mas existem meios para atingir esses objetivos.

Keramidas Kimon e um time de especialistas reunidos pela Comissão Europeia identificaram quatro dinâmicas tecnológicas no setor de energia que têm o poder de limitar o aquecimento global a menos de 2 °C se todas forem implementadas simultaneamente.

O relatório mostra que é tecnicamente possível atingir a meta de 2 °C do acordo de Paris, a um custo relativamente baixo, transformando simultaneamente quatro elementos do sistema energético.

1 - A eletrificação pode turbinar a transição energética

A eletricidade é cada vez mais produzida a partir de fontes de energia renováveis. Portanto, a eletrificação - a substituição de tecnologias que funcionam com combustíveis fósseis por alternativas que funcionam com eletricidade - desempenha um papel fundamental na transição energética.

O relatório constata que as taxas de eletrificação têm aumentado em todos os setores consumidores de energia (indústria, edifícios e transportes) e continuarão a aumentar mesmo na ausência de novas políticas climáticas mais fortes.

No entanto, é necessário um novo impulso para eletrificar os setores que mais consomem energia, a fim de acelerar a descarbonização de todo o sistema energético.

O transporte, em particular, é um dos setores cruciais que tem apresentado um grau muito baixo de eletrificação até agora, mas essa situação possivelmente irá se reverter em breve, graças ao rápido desenvolvimento de veículos elétricos e à esperada chegada de combustíveis sintéticos derivados de eletricidade.

Quando combinada com uma transição para a eletricidade renovável, a eletrificação também pode ter efeitos positivos na qualidade do ar e na saúde humana.

Alguns cientistas argumentam que o aquecimento global pode não ser causado pelo CO2.
[Imagem: World Scientific, 2015]

2 - Descarbonização da geração de energia

A descarbonização da geração de energia pode ser alcançada aumentando a fatia das fontes de energia de baixo carbono, principalmente renováveis, e reduzindo o uso de combustíveis fósseis.

Com a descarbonização da geração de energia, a eletricidade se torna progressivamente um combustível de baixo carbono.

O relatório argumenta que a descarbonização total da geração de energia não apenas é tecnicamente viável, mas também é uma medida economicamente atrativa em termos de custos para combater as mudanças climáticas.

As principais tecnologias de geração de energia de baixo carbono já estão disponíveis. E com um custo de geração menor do que o das tecnologias baseadas em combustíveis fósseis em um número crescente de mercados em todo o mundo, elas também são cada vez mais competitivas.

Além da eletricidade, os cenários de 2 °C também veem a adoção mais ampla de outras fontes de energia de baixo carbono para os transportes, como os biocombustíveis líquidos, hidrogênio, e gás e combustíveis líquidos oriundos da eletrificação.

3 - Aumentando a eficiência energética

As opções de eficiência energética nos setores da construção civil, transporte e indústria ajudam a economizar energia e reduzir o consumo.

O relatório destaca que a mudança de tecnologias ineficientes de combustíveis fósseis para tecnologias elétricas mais eficientes oferece ganhos de eficiência.

Por exemplo, tecnologias elétricas, como bombas de calor em prédios e veículos elétricos, têm maior eficiência energética do que os sistemas e veículos com aquecimento tradicional.

Tudo o que puder evitar dar argumentos para a geoengenharia fará bem à Terra e à humanidade.
[Imagem: Jackson K./USGS]

4 - Mobilizar novas opções para integrar e armazenar energia verde

O relatório também pede a mobilização de novas soluções que permitam a expansão de tecnologias de energia renovável, algumas das quais são intermitentes por natureza.

Por exemplo, soluções estacionárias de armazenamento de energia podem ser usadas para aumentar a participação de fontes renováveis no mix de energia e estabilizar a rede elétrica.

Qual é o custo?

O estudo mostra que é tecnicamente possível fazer a transição para a energia limpa e atingir a meta de 2 °C a um custo relativamente pequeno, ao mesmo tempo em que benefícios são gerados, como melhorias na qualidade do ar e redução nos impactos econômicos da própria mudança climática.

Os autores estimam que o custo nas próximas décadas aumentaria 0,03% do PIB anualmente, o que significa que a economia global ainda mais que dobraria até 2050.

O relatório também enfatiza que melhores condições facilitadoras da eletrificação podem desempenhar um papel significativo na redução dos custos macroeconômicos.

Bibliografia:

Artigo: Electrification for the low-carbon transition
Autores: Keramidas Kimon, Diaz Vazquez Ana, Weitzel Matthias, Vandyck Toon, Tamba Marie, Tchung-Ming Stephane, Soria Ramirez Antonio, Krause Jette, Van Dingenen Rita, Chai Qimin, Fu Sha, Wen Xinyuan
DOI: 10.2760/350805
Link: http://dx.doi.org/10.2760/350805

Teletransporte é realizado pela primeira vez envolvendo matéria

Redação do Site Inovação Tecnológica

Envolver elétrons no teletransporte é importante porque permite usar semicondutores nos computadores quânticos.
[Imagem: J. Adam Fenster/Rochester]

Teletransporte de informações

Embora o teletransporte de seres humanos e objetos grandes exista por enquanto apenas na ficção científica - a maior "sala de teletransporte" existente hoje tem o tamanho de um chip - o teletransporte no mundo subatômico da mecânica quântica já é uma realidade há algum tempo.

No mundo quântico, o teletransporte tem envolvido o transporte de informações, e não o transporte de matéria - o mais avançado dos experimentos está tentando teletransportar a memória de um organismo vivo.

No ano passado, os cientistas confirmaram que as informações podem ser passadas entre fótons em chips de computador mesmo quando os fótons não estão fisicamente ligados - eles teletransportaram uma operação lógica inteira.

Com tantos progressos, começam a surgir indícios de que o teletransporte também possa ser feito envolvendo a matéria.

Teletransporte envolvendo a matéria

Experimentos realizados por uma equipe das universidades de Rochester e Purdue, nos EUA, mostraram agora que o teletransporte também pode ser possível entre elétrons.

Este é um passo importante na melhoria da computação quântica porque os qubits feitos de elétrons individuais são promissores para transmitir informações nos bem conhecidos semicondutores da eletrônica atual, não exigindo os supercondutores, diamantes e outras plataformas de qubits usadas atualmente.

"Elétrons individuais são qubits promissores porque interagem muito facilmente entre si, e qubits de elétrons individuais em semicondutores também são escalonáveis. A criação confiável de interações de longa distância entre elétrons é essencial para a computação quântica," explicou o professor John Nichol, membro da equipe.

Até agora vinha se mostrando difícil criar pares entrelaçados de qubits de elétrons que operassem a longas distâncias - o que é necessário para o teletransporte - porque os elétrons geralmente ficam confinados em um único local, ao contrário dos fótons, que se propagam naturalmente por longas distâncias.

Micrografia ilustrada do semicondutor usado no teletransporte e esquema da transferência de informações entre elétrons.
[Imagem: Haifeng Qiao et al. - 10.1038/s41467-020-16745-0]

Qubits de elétrons

O pesquisador Haifeng Qiao teve uma ideia inusitada para lidar com esse problema: Ele utilizou uma técnica recentemente desenvolvida, baseada nos princípios do acoplamento de troca de Heisenberg.

Um elétron individual é como um ímã comum, com um polo norte e um polo sul, que podem apontar para cima ou para baixo. A direção do polo - se o polo norte está apontando para cima ou para baixo, por exemplo - é conhecida como "spin" do elétron, momento magnético do elétron ou estado de rotação quântica. Quando várias dessas partículas têm o mesmo momento magnético, elas não podem estar no mesmo lugar ao mesmo tempo, um fenômeno chamado superposição, que é comum no reino quântico. Ou seja, dois elétrons no mesmo estado quântico não podem ser superpostos porque seus estados se alternariam no tempo.

Os pesquisadores então usaram a técnica para distribuir os pares entrelaçados de elétrons e teletransportar seus estados de spin.

"Nós fornecemos evidências para 'troca de emaranhamento', na qual criamos emaranhamento entre dois elétrons, mesmo que as partículas nunca interajam, e o 'teletransporte de porta quântica', uma técnica potencialmente útil para computação quântica usando teletransporte," disse Nichol. "Nosso trabalho mostra que isso pode ser feito mesmo sem fótons".

Estes experimentos abrem caminho para realizar o teletransporte quântico envolvendo estados de spin de toda a matéria, e não apenas dos fótons, e fornecem mais evidências para as capacidades surpreendentemente úteis dos elétrons individuais como qubits em semicondutores.

Teletransporte quântico

O teletransporte quântico é uma demonstração do que Albert Einstein chamou de "ação fantasmagórica à distância", mas hoje mais conhecido como entrelaçamento quântico.

No entrelaçamento - um dos conceitos básicos da física quântica - as propriedades de uma partícula afetam as propriedades de outra, mesmo quando as partículas são separadas por uma grande distância - de fato, qualquer distância. O teletransporte quântico envolve duas partículas distantes entrelaçadas, quando o estado de uma terceira partícula "teleporta" instantaneamente seu estado para as duas partículas entrelaçadas.

Um bit de um computador eletrônico atual possui um único valor binário, que pode ser "0" ou "1", mas os qubits dos computadores quânticos podem ser "0" e "1" ao mesmo tempo, devido ao fenômeno da superposição. E eles se comunicam uns com os outros não por eletricidade percorrendo fios de cobre dentro dos chips, mas teletransportando as informações de forma instantânea. Essas capacidades estão na base do grande potencial dos computadores quânticos.

Bibliografia:

Artigo: Conditional teleportation of quantum-dot spin states
Autores: Haifeng Qiao, Yadav P. Kandel, Sreenath K. Manikandan, Andrew N. Jordan, Saeed Fallahi, Geoffrey C. Gardner, Michael J. Manfra, John M. Nichol
Revista: Nature Communications
Vol.: 11, Article number: 3022
DOI: 10.1038/s41467-020-16745-0
Link: https://arxiv.org/abs/2001.02277

Artigo: Coherent multi-spin exchange in a quantum-dot spin chain
Autores: Haifeng Qiao, Yadav P. Kandel, Kuangyin Deng, Saeed Fallahi, Geoffrey C. Gardner, Michael J. Manfra, Edwin Barnes, John M. Nichol
Revista: Physical Review X

Engenheiros colocam dezenas de milhares de sinapses cerebrais artificiais em um único chip

Publicados na revista Nature Nanotechnology

Um novo "cérebro-em-um-chip" fabricado pelo MIT reprocessou uma imagem da Killian Court do MIT, incluindo afiar e desfocar a imagem, de maneira mais confiável que os projetos neuromórficos existentes. Crédito: Imagem cortesia dos pesquisadores.

Os engenheiros do MIT projetaram um “cérebro em um chip”, menor que um pedaço de confete, feito de dezenas de milhares de sinapses cerebrais artificiais conhecidas como memristores – componentes à base de silício que imitam as sinapses de transmissão de informações nas cérebro humano.

Os pesquisadores tomaram emprestado os princípios da metalurgia para fabricar cada memristor – do inglês “memory resistor” ou, em português, resistor com memória – a partir de ligas de prata e cobre, juntamente com silício. Quando eles executaram o chip em várias tarefas visuais, o chip foi capaz de “lembrar” as imagens armazenadas e reproduzi-las várias vezes, em versões mais nítidas e limpas em comparação com os designs existentes de memristores feitos com elementos não ligados.

Seus resultados, publicados hoje na revista Nature Nanotechnology, demonstram um novo e promissor projeto de memristor para dispositivos neuromórficos – eletrônicos baseados em um novo tipo de circuito que processa informações de maneira a imitar a arquitetura neural do cérebro. Tais circuitos inspirados no cérebro poderiam ser construídos em dispositivos pequenos e portáteis e executariam tarefas computacionais complexas que apenas os supercomputadores atuais podem suportar.

“Até agora, as redes sinapses artificiais existem como software. Estamos tentando construir hardware de rede neural real para sistemas portáteis de inteligência artificial”, diz Jeehwan Kim, professor de engenharia mecânica do MIT. “Imagine conectar um dispositivo neuromórfico a uma câmera do seu carro e fazer com que ele reconheça luzes e objetos e tome uma decisão imediatamente, sem precisar se conectar à Internet. Esperamos usar memristores com eficiência energética para executar essas tarefas no local, em tempo real.”

Íons errantes

Memristores são um elemento essencial na computação neuromórfica. Em um dispositivo neuromórfico, um memristor serviria como transistor em um circuito, embora seu funcionamento se parecesse mais com uma sinapse cerebral – a junção entre dois neurônios. A sinapse recebe sinais de um neurônio, na forma de íons, e envia um sinal correspondente para o próximo neurônio.

Um transistor em um circuito convencional transmite informações alternando entre um dos dois únicos valores, 0 e 1, e o faz apenas quando o sinal que recebe, na forma de uma corrente elétrica, possui uma força particular. Por outro lado, um memristor funcionaria ao longo de um gradiente, como uma sinapse no cérebro. O sinal que produz varia de acordo com a força do sinal que recebe. Isso permitiria que um único memristor tivesse muitos valores e, portanto, executasse uma gama muito maior de operações que os transistores binários.

Como uma sinapse cerebral, um memristor também seria capaz de “lembrar” o valor associado a uma dada força de corrente e produzir exatamente o mesmo sinal na próxima vez em que receber uma corrente semelhante. Isso poderia garantir que a resposta a uma equação complexa ou a classificação visual de um objeto seja confiável – um feito que normalmente envolve vários transistores e capacitores.

Por fim, os cientistas prevêem que os memristores exigiriam muito menos espaço em chip do que os transistores convencionais, permitindo dispositivos de computação portáteis e poderosos que não dependem de supercomputadores ou mesmo conexões com a Internet.

Os designs existentes de memristores, no entanto, são limitados em seu desempenho. Um único memristor é composto de um eletrodo positivo e negativo, separado por um “meio de comutação” ou espaço entre os eletrodos. Quando uma tensão é aplicada a um eletrodo, os íons desse eletrodo fluem através do meio, formando um “canal de condução” para o outro eletrodo. Os íons recebidos compõem o sinal elétrico que o memristor transmite através do circuito. O tamanho do canal de íons (e o sinal que o memristor finalmente produz) deve ser proporcional à força da tensão estimulante.

Kim diz que os projetos existentes de memristores funcionam muito bem nos casos em que a tensão estimula um grande canal de condução ou um fluxo intenso de íons de um eletrodo para o outro. Mas esses projetos são menos confiáveis ​​quando os memristores precisam gerar sinais mais sutis, por meio de canais de condução mais finos.

Quanto mais fino o canal de condução, e menor o fluxo de íons de um eletrodo para o outro, mais difícil é para os íons individuais permanecerem juntos. Em vez disso, eles tendem a se afastar do grupo, se dispersando no meio. Como resultado, é difícil para o eletrodo receptor capturar com segurança o mesmo número de íons e, portanto, transmitir o mesmo sinal quando estimulado com uma certa faixa baixa de corrente.

O novo chip (canto superior esquerdo) é modelado com dezenas de milhares de sinapses artificiais, ou “memristors”, feitas com uma liga de prata-cobre. Quando cada memristor é estimulado com uma voltagem específica correspondente a um pixel e sombra em uma imagem em escala de cinza (neste caso, um escudo do Capitão América), o novo chip reproduz a mesma imagem nítida, com mais confiabilidade do que os chips fabricados com memristores de diferentes materiais. Crédito: Imagem cortesia dos pesquisadores.

Empréstimos de metalurgia

Kim e seus colegas encontraram uma maneira de contornar essa limitação emprestando uma técnica da metalurgia, a ciência de fundir metais em ligas e estudando suas propriedades combinadas.

“Tradicionalmente, os metalúrgicos tentam adicionar átomos diferentes em uma matriz a granel para fortalecer os materiais e pensamos: por que não ajustar as interações atômicas em nosso memristor e adicionar algum elemento de liga para controlar o movimento dos íons em nosso meio”, diz Kim.

Os engenheiros normalmente usam prata como material para o eletrodo positivo de um memristor. A equipe de Kim examinou a literatura para encontrar um elemento que eles pudessem combinar com a prata para manter efetivamente os íons de prata juntos, permitindo que eles fluissem rapidamente através do outro eletrodo.

A equipe aterrissou no cobre como o elemento de liga ideal, pois é capaz de se ligar tanto à prata quanto ao silício.

“Ele atua como uma espécie de ponte e estabiliza a interface prata-silício”, diz Kim.

Para criar memristores usando sua nova liga, o grupo primeiro fabricou um eletrodo negativo a partir de silício e, em seguida, produziu um eletrodo positivo depositando uma pequena quantidade de cobre, seguida por uma camada de prata. Eles colocaram os dois eletrodos em volta de um meio de silício amorfo. Dessa maneira, eles modelaram um chip de silício milímetro quadrado com dezenas de milhares de memristores.

Como primeiro teste do chip, eles recriaram uma imagem em escala de cinza do escudo do Capitão América. Eles igualaram cada pixel da imagem a um memristor correspondente no chip. Eles então modularam a condutância de cada memristor que tinha força relativa à cor no pixel correspondente.

O chip produziu a mesma imagem nítida do escudo e foi capaz de “lembrar” a imagem e reproduzi-la muitas vezes, em comparação com chips feitos de outros materiais.

A equipe também executou o chip em uma tarefa de processamento de imagem, programando os memristores para alterar uma imagem, no caso do Killian Court do MIT, de várias maneiras específicas, incluindo nitidez e desfoque da imagem original. Novamente, seu design produziu as imagens reprogramadas com mais confiabilidade do que os desenhos existentes dos memristores.

“Estamos usando sinapses artificiais para fazer testes de inferência real”, diz Kim. “Gostaríamos de desenvolver ainda mais essa tecnologia para ter matrizes de maior escala para executar tarefas de reconhecimento de imagem. E algum dia, você poderá levar cérebros artificiais para executar esse tipo de tarefa, sem conectar-se a supercomputadores, à Internet ou a nuvem.”