A incrível simulação de Super-Terras com possibilidade de vida

Redação do Site Inovação Tecnológica 

A Máquina Z, embaixo, é real, mostrando um dos seus disparos. O objetivo foi simular as condições gravitacionais de exoplanetas maciços (ilustração artística no alto).
[Imagem: Z: Randy Montoya/Imagem artística de Eric Lundin]

Máquina Z

Por si só, a Máquina Z, é um dos laboratórios mais impressionantes do mundo.

Localizado nos Laboratórios Sandia, nos EUA, o aparato gera até 26 milhões de amperes e centenas de milhares de volts, criando pulsos magnéticos de enorme potência, que aceleram pedaços de cobre e alumínio do tamanho de um cartão de crédito, conhecidos como placas voadoras.

Neste experimento, as placas foram lançadas muito mais rápido do que um projétil rumo a amostras de bridgmanita, o mineral mais comum da Terra - com o detalhe de que ele é comum no interior da Terra, já que se forma apenas sob altíssimas pressões, e as poucas amostras que temos dele foram coletadas em meteoritos vindos do espaço.

A pressão quase instantânea da interação entre os metais e o mineral - um silicato de magnésio - cria ondas sonoras longitudinais e transversais que revelam se a bridgmanita permanece sólida ou se transforma em líquido ou gás.

O objetivo é simular as gigantescas pressões gravitacionais que exoplanetas conhecidos como Super-Terras - até oito vezes maiores que nosso planeta - exercem no mineral, que também deve ser abundante por lá.

"A questão diante de nós é se algum desses superplanetas é realmente semelhante à Terra, com processos geológicos ativos, atmosferas e campos magnéticos," explicou o pesquisador Joshua Townsend.

Campo magnético planetário

Os experimentos deram origem a uma tabela que mostra quando o interior de um planeta seria sólido, líquido ou gasoso sob várias pressões, temperaturas e densidades, e em que intervalos de tempo isso aconteceria.

Apenas um núcleo líquido - com seus metais deslocando-se uns sobre os outros em condições semelhantes às do dínamo terrestre - produz os campos magnéticos que podem desviar os destrutivos ventos solares e raios cósmicos da atmosfera do planeta, permitindo o desenvolvimento e a manutenção da vida.

Esta informação crítica sobre a intensidade do campo magnético produzida pelos núcleos das Super-Terras de diferentes tamanhos está bem escondida de qualquer tentativa de análise por imagens. Foi aí que a equipe teve a ideia de usar a Máquina Z.

"A Z deu à nossa equipe uma ferramenta única, que nenhuma outra técnica pode igualar, para que possamos explorar as condições extremas dos interiores das Super-Terras," disse o pesquisador Yingwei Fei. "Os dados de alta qualidade sem precedentes da máquina têm sido críticos para o avanço do nosso conhecimento das Super-Terras."

Esta é a Máquina Z disparando.
[Imagem: Randy Montoya/Sandia]

Sete alvos

A análise dos dados apontou para pelo menos sete exoplanetas que vale a pena pesquisar de forma mais aprofundada em busca de sinais de vida: 55 Cancri e; Kepler 10b, Kepler 36b, Kepler 80e, Kepler 93b, CoRoT-7b e HD-219134b.

"Esses planetas, que consideramos com mais probabilidade de sustentar vida, foram selecionados para um estudo mais aprofundado porque têm proporções semelhantes às da Terra em seu ferro, silicatos e gases voláteis, além de temperaturas internas propícias à manutenção de campos magnéticos para proteção contra o vento solar," disse o professor Christopher Seagle.

O foco em planetas superdimensionados surgiu porque grandes pressões gravitacionais significam que as atmosferas têm maior probabilidade de sobreviver a longo prazo.

"Por exemplo, como Marte era menor, ele tinha um campo gravitacional mais fraco para começar. Então, à medida que seu núcleo esfriava rapidamente, ele perdeu seu campo magnético e sua atmosfera foi subsequentemente arrancada," comparou Townsend.

Bibliografia:

Artigo: Melting and density of MgSiO3 determined by shock compression of bridgmanite to 1254GPa
Autores: Yingwei Fei, Christopher T. Seagle, Joshua P. Townsend, Chad A. McCoy, Asmaa Boujibar, Peter Driscoll, Luke Shulenburger, Michael D. Furnish
Revista: Nature Communications
Vol.: 12, Article number: 876
DOI: 10.1038/s41467-021-21170-y

Gêmeo digital da Terra exigirá avanços em software e hardware

Redação do Site Inovação Tecnológica

Criar um gêmeo digital da Terra é um sonho antigo dos cientistas, mas ainda apresenta desafios.
[Imagem: ESA]

Simulador da Terra

Há mais de uma década, cientistas falam em criar um simulador da Terra inteira, para tentar ampliar o entendimento sobre o que acontece no planeta, incluindo as forças ambientais e as ações humanas.

A ideia agora foi reativada conforme a União Europeia estabeleceu dois programas para tentar tornar o continente neutro em carbono por volta de 2050.

Os defensores do simulador da Terra estão tentando incluir o que eles agora chamam de "Destino Terra" dentro do programa "Estratégia Digital" - o outro programa chama-se "Grande Objetivo".

A proposta é criar uma primeira versão de um gêmeo digital da Terra em 10 anos, com capacidade para mapear o clima e eventos extremos com a maior precisão possível no espaço (resolução de um quilômetro) e no tempo (resolução de um dia) - um gêmeo digital é uma réplica digital de uma entidade física viva ou não viva.

Os dados observacionais serão continuamente incorporados ao simulador digital, a fim de tornar o modelo da Terra mais preciso para monitorar a evolução e prever possíveis trajetórias futuras. Mas, além dos dados de observação convencionalmente usados para simulações de tempo e clima, os pesquisadores querem integrar novos dados sobre atividades humanas relevantes no modelo.

A ideia é que o novo modelo do sistema terrestre represente virtualmente todos os processos na superfície terrestre da forma mais realista possível, incluindo a influência dos humanos na gestão da água, alimentos e energia, e os processos no sistema físico terrestre, antevê o professor Peter Bauer, defensor do projeto.

A super-simulação exigirá progressos científicos e tecnológicos, sobretudo na área de programação e na arquitetura dos supercomputadores.
[Imagem: Peter Bauer et al. - 10.1038/s43588-021-00023-0]

Desafios de software e de hardware

Para que seja possível criar uma simulação da Terra inteira, no entanto, os especialistas reconhecem que será necessário empreender uma verdadeira revolução no desenvolvimento dos softwares de simulação e seu casamento com hardwares especializados.

Com os computadores e algoritmos disponíveis hoje, simulações altamente complexas dificilmente podem ser realizadas com resolução planejada de um quilômetro porque, por décadas, o desenvolvimento de código estagnou do ponto de vista da ciência da computação.

A pesquisa climática tem avançado porque se beneficiou do maior desempenho de novas gerações de processadores e supercomputadores, sem ter que mudar fundamentalmente seus programas. Ocorre que o ganho de desempenho com cada nova geração de processador parou há cerca de 10 anos. Como resultado, os programas de hoje geralmente podem utilizar apenas 5% do desempenho de pico dos processadores convencionais (CPU).

Entre as arquiteturas de computador disponíveis hoje e as esperadas no futuro próximo, os supercomputadores baseados em GPUs (unidades de processamento gráfico) parecem ser a opção mais promissora. Os pesquisadores estimam que operar um gêmeo digital da Terra em escala real exigiria um sistema com cerca de 20.000 GPUs, consumindo cerca de 20 MW de energia.

Por razões econômicas e ecológicas, esse computador ainda hipotético deverá ser operado em um local onde a eletricidade gerada com CO2 neutro esteja disponível em quantidades suficientes. 

Turbinas usam vento produzido pelos automóveis nas rodovias para gerar energia

 Pelo site Engenharia É

Turbinas que geram energia estão sendo instaladas em postes de rodovias na Inglaterra. A grande inovação é o projeto do equipamento, que aproveita o vento produzido pela movimentação dos veículos para fazer as pás girarem e produzirem eletricidade – sem a dependência de vento natural.

Barry Thompson, CEO da Alpha 311, empresa que desenvolveu o projeto, garante que a solução é inédita e pode ser uma resposta para gerar grande quantidade de energia renovável. De acordo com a fabricante, as turbina acopladas a postes em um rodovia poderiam gerar, em conjunto, cerca de pode 6MW – o suficiente para abastecer uma pequena cidade.

A casa de Barry Thompson é abastecida com eletricidade de protótipos da turbina. “Quando você está ao lado de uma rodovia e passa um caminhão, dá para sentir o ar que ele movimenta. Nós captamos a energia que vem deste vento”, diz.

Como exemplo, o CEO cita a Thanet Way, rodovia com menos de 30 quilômetros de extensão que tem 1.114 postes de iluminação.  As turbinas poderiam ser instaladas na parte central da rodovia e aproveitar o vento Gerado pelos carros que passam nas duas vias. Conforme ilustração abaixo:

Crédito: Alpha 311/SWNS

“A geração de energia usaria a infraestrutura que já existe no local”, explica Thompson. “Não estamos colocando turbinas enormes na paisagem, estamos aproveitando o que está disponível”.

Com 2 metros de altura, cada turbina gera a mesma quantidade de eletricidade que 21 metros quadrados de painéis solares. De acordo com a empresa, o tamanho dos equipamentos pode ser reduzido de acordo com a configuração do projeto.

Thompson diz que já está em contato com autoridades inglesas para testar as turbinas em estradas. Algumas cidades dos Estados Unidos declararam interesse no uso do dispostivo.

No vídeo abaixo, conheça a revolucionária turbina:

https://youtu.be/lUNju4fdpUQ

Aparelho resfria o ar e aquece água - ao mesmo tempo e sem gastar eletricidade

Redação do Site Inovação Tecnológica

Este aparelho simples faz o que os pesquisadores chamam de "mágica do gelo e do fogo".
[Imagem: University at Buffalo]

Ar-condicionado e aquecimento sem gastar energia

Com a melhoria dos materiais, tem crescido o interesse na refrigeração passiva, ou refrigeração radiativa, aquele tipo de resfriamento que manda o calor para o espaço sem gastar energia.

Além de diminuir o gasto de energia dos sistemas de ar-condicionado, várias equipes estão tentando mesclar a refrigeração radiativa com materiais trabalhados em nanoescala para refletir ou para aproveitar o calor do Sol que incide sobre os edifícios.

Lyu Zhou e seus colegas da Universidade de Buffalo, nos EUA, acabam de fazer um progresso significativo nessa área.

Zhou criou um sistema híbrido muito simples que conseguiu feitos notáveis - e sem gastar nada de eletricidade. O equipamento:

• reduziu a temperatura dentro de um sistema de teste em um ambiente externo, sob luz solar direta, em mais de 12 ºC;
• baixou a temperatura de uma caixa de teste projetada para simular a noite em mais de 14 ºC;
• e capturou simultaneamente calor solar suficiente para aquecer água a cerca de 60 ºC.

Embora o protótipo tenha apenas 70 centímetros quadrados, a equipe garante que ele pode ser ampliado para cobrir telhados inteiros, permitindo reduzir a dependência de combustíveis fósseis e eletricidade usados pelos sistemas de ar-condicionado e aquecimento. E também pode ajudar comunidades com acesso limitado à eletricidade.

"É importante ressaltar que nosso sistema não desperdiça a entrada de energia solar. Em vez disso, a energia solar é absorvida pelos espelhos seletivos do espectro solar e pode ser usada para aquecimento solar de água, algo que é amplamente usado como um dispositivo energético eficiente em países em desenvolvimento. Ele pode reter os efeitos do aquecimento solar e do resfriamento radiativo em um único sistema sem a necessidade de eletricidade. É realmente uma espécie de sistema 'mágico' de gelo e fogo," disse o professor Qiaoqiang Gan, coordenador da equipe.

O segredo da "mágica de gelo e fogo" está nos painéis nanoestruturados em formato de V, formados por múltiplas camadas que lidam com os diversos comprimentos de onda da luz solar.
[Imagem: Lyu Zhou et al. - 10.1016/j.xcrp.2021.100338]

2 em 1: Refrigerador e aquecedor

O refrigerador/aquecedor consiste essencialmente de dois espelhos, feitos com 10 camadas extremamente finas de prata e dióxido de silício, dispostos em formato de V.

Esses espelhos absorvem a luz do Sol, transformando a energia solar das ondas visíveis e do infravermelho próximo em calor, que é então usado para aquecer a água.

Os espelhos também refletem as ondas do infravermelho médio de um "emissor" - uma caixa vertical entre os dois espelhos -, que então reflete o calor para o céu em um comprimento de onda para o qual a atmosfera terrestre é transparente, ou seja, o calor vai literalmente para o espaço.

"Uma das principais inovações do nosso sistema é a capacidade de separar e reter o aquecimento solar e o resfriamento radiativo em diferentes componentes em um único sistema," disse Zhou. "Durante a noite, o resfriamento radiativo é fácil porque não temos entrada solar, então as emissões térmicas simplesmente cessam e executamos o resfriamento radiativo com facilidade. Mas o resfriamento diurno é um desafio porque o Sol está brilhando. Nessa situação, você precisa encontrar estratégias para separar o aquecimento solar da área de resfriamento. "

Esse é justamente o papel do emissor de calor, a caixa que fica no centro do "V".

O protótipo alcançou uma densidade de potência de resfriamento de 280 watts por metro quadrado. A capacidade de aquecimento (60 ºC) é significativa, mas a equipe planeja trabalhar para superar os 100 ºC, o que permitirá a geração de vapor, que pode ser usado não apenas para aquecimento, mas também para gerar eletricidade.

Bibliografia:

Artigo: Hybrid concentrated radiative cooling and solar heating in a single system
Autores: Lyu Zhou, Haomin Song, Nan Zhang, Jacob Rada, Matthew Singer, Huafan Zhang, Boon S. Ooi, Zongfu Yu, Qiaoqiang Gan
Revista: Cell Reports Physical Science
DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100338

Novo motor magnético levará naves mais rápido e mais longe

Redação do Site Inovação Tecnológica

Fatima Ebrahimi posa diante da concepção artística de uma nave para viagens espaciais de longa duração.
[Imagem: Elle Starkman/PPPL/ITER]

Motor-foguete

Um novo tipo de motor-foguete pode ajudar a levar a humanidade para além das cercanias da Terra.

Esta é a proposta de Fatima Ebrahimi, do Laboratório Princeton de Física do Plasma, nos EUA.

O novo motor é uma variação dos conhecidos motores iônicos, já usados em várias missões.

A diferença é que, em lugar da eletricidade usada para acelerar o plasma nos motores iônicos atuais, o novo motor usará magnetismo.

Os campos magnéticos serão usados para fazer com que partículas de plasma - um gás eletricamente carregado, também conhecido como quarto estado da matéria - sejam ejetadas para fora do foguete e, por causa da conservação do momento, impulsionem o veículo para frente.

O conceito envolve acelerar as partículas do plasma usando a reconexão magnética, um processo encontrado em todo o Universo, incluindo a superfície do Sol, onde as linhas do campo magnético convergem, separam-se repentinamente e depois se unem novamente, produzindo muita energia. A reconexão também ocorre dentro dos reatores de fusão nuclear em forma de anel, conhecidos como tokamaks.

"Eu venho cozinhando esse conceito há algum tempo," disse Ebrahimi. "Tive a ideia em 2017 enquanto estava sentada em uma varanda e pensando sobre as semelhanças entre o escapamento de um carro e as partículas de escapamento de alta velocidade criadas pelo Experimento Nacional Torus Esférico (NSTX), o precursor da principal instalação de fusão do laboratório. Durante sua operação, este tokamak produz bolhas magnéticas, chamadas plasmoides, que se movem a cerca de 20 quilômetros por segundo, o que me pareceu um bocado com um impulso."

Princípio de funcionamento do motor alfvênico, em que campos magnéticos ejetam o plasma para produzir empuxo.
[Imagem: Fatima Ebrahimi]

Motor de plasma magnético

Os atuais motores de plasma, que usam campos elétricos para impulsionar as partículas, produzem um impulso específico muito baixo, o que limita seu uso a naves sem muita pressa, que podem aguardar longos períodos de aceleração, até atingir uma velocidade razoável.

Mas as simulações feitas em computador por Ebrahimi indicam que seu novo conceito pode gerar escapes do motor com velocidades de centenas de quilômetros por segundo, o que é pelo menos 10 vezes mais do que os motores iônicos atuais.

Esse ganho deve-se às chamadas ondas de Alfvén (Hannes Alfvén [1908-1995]), um tipo de onda magnetohidrodinâmica de baixa frequência que se propaga na direção do campo magnético, através da oscilação dos íons no plasma - por isso Ebrahimi chama seu conceito de "motor alfvênico".

"As viagens de longa distância levam meses ou anos porque o impulso específico dos motores de foguetes químicos é muito baixo, então a nave demora um pouco para ganhar velocidade," disse ela. "Mas se fizermos propulsores baseados na reconexão magnética, poderemos concluir missões de longa distância em um período de tempo mais curto."

Os plasmoides são um elemento importante para o ganho de potência do motor magnético de plasma.
[Imagem: Fatima Ebrahimi]

Vantagens do motor iônico magnético

O conceito de motor iônico magnético tem algumas outras vantagens.

A primeira delas é que é possível acelerar e desacelerar o motor-foguete, o que pode ser feito simplesmente variando a intensidade dos campos magnéticos aplicados.

Além disso, o novo propulsor produz movimento ejetando não apenas as partículas de plasma, mas também as tais bolhas magnéticas, ou plasmoides, que adicionam potência à propulsão.

Finalmente, ao contrário dos motores iônicos elétricos, os campos magnéticos no conceito de Ebrahimi permitem que o plasma dentro do propulsor consista em átomos pesados ou leves, uma flexibilidade que permitirá ajustar a quantidade de impulso para cada missão específica. "Enquanto outros propulsores requerem gás pesado, feito de átomos como o xenônio, neste conceito você pode usar qualquer tipo de gás que quiser," disse Ebrahimi. E gases mais leves são interessantes porque átomos menores podem se mover mais rapidamente.

"O próximo passo é construir um protótipo," anunciou a pesquisadora.

Bibliografia:

Artigo: An Alfvenic reconnecting plasmoid thruster
Autores: Fatima Ebrahimi
Revista: Journal of Plasma Physics

DOI: 10.1017/S0022377820001476