Ímã mais poderoso do mundo pronto para fusão nuclear

Redação do Site Inovação Tecnológica

O primeiro módulo do maior ímã do mundo (esquerda) e sua aparência quando estiver totalmente montado (direita).
[Imagem: General Atomics]

Maior ímã do mundo

O maior ímã do mundo está pronto para seguir rumo ao seu destino, o ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Após uma década de projeto e fabricação, a empresa General Atomics divulgou que irá enviar o primeiro módulo do Solenoide Central, o ímã mais poderoso já construído, que se tornará um componente central do ITER, uma máquina projetada para replicar o poder de fusão nuclear que ocorre nas estrelas.

Este experimento de fusão nuclear está sendo erguido na França por uma colaboração de 35 países parceiros: União Europeia (mais Reino Unido e Suíça), China, Índia, Japão, Coreia do Sul, Rússia e Estados Unidos.

Seu objetivo é provar que a energia da fusão do hidrogênio pode ser criada e controlada na Terra. A energia da fusão nuclear não tem os mesmos riscos dos atuais reatores de fissão nuclear, não polui o meio ambiente e tem potencial para suprir a necessidade de energia da sociedade por milhões de anos.

Solenoide Central

O Solenoide Central, o maior dos ímãs do ITER, será composto por seis módulos. Quando totalmente montado, ele terá 18 metros de altura, 4,25 metros de largura e pesará mil toneladas.

Existem propostas alternativas, como a fusão nuclear feita em um equipamento de mesa.
[Imagem: Y. Zhang et al. - 10.1103/PhysRevLett.122.135001]

A força magnética do Solenoide Central é suficiente para levantar um porta-aviões 2 metros no ar. Em seu núcleo, ele atingirá uma força de campo magnético de 13 Teslas, cerca de 280.000 vezes mais forte do que o campo magnético da Terra.

As estruturas de suporte do eletroímã terão que suportar forças iguais ao dobro do empuxo de uma decolagem dos foguetes que levavam ao espaço os ônibus espaciais.

Ele deverá induzir uma poderosa corrente de plasma no interior do reator, chamado tokamak, ajudando a moldar e controlar a reação de fusão, impedindo que ela derreta o próprio reator.

O primeiro módulo está pronto e será embarcado de navio dos EUA para a França. Cinco módulos adicionais, mais um sobressalente, já estão em vários estágios de fabricação - o Módulo 2 deverá ficar pronto em agosto.

Ímãs no tokamak

A criação de campos magnéticos em um tokamak requer três arranjos complementares de ímãs. Bobinas externas ao redor do anel do tokamak produzem o campo magnético toroidal, confinando o plasma dentro do reator. Bobinas poloidais, um conjunto de anéis empilhados que orbitam o tokamak paralelamente à sua circunferência, controlam a posição e a forma do plasma.

No centro do tokamak, o Solenoide Central usa um pulso de energia para gerar uma poderosa corrente toroidal no plasma que flui ao redor do toro. O movimento dos íons nessa corrente, por sua vez, cria um segundo campo magnético poloidal que melhora o confinamento do plasma, além de gerar calor para a fusão.

Juntos, os ímãs do ITER criam uma gaiola invisível para o plasma que se adapta precisamente às paredes de metal do tokamak. Com 15 milhões de amperes, a corrente de plasma do ITER será muito mais poderosa do que qualquer coisa possível nos tokamaks atuais.

O material supercondutor usado nos ímãs do ITER foi produzido em nove fábricas em seis países. Os 43 quilômetros de supercondutores de nióbio-estanho para o Solenoide Central foram fabricados no Japão.

Este esquema mostra o Solenoide Central (coluna azul e amarelo) no centro do reator de fusão nuclear do ITER. A área rosa em torno dele é o plasma, girando dentro do toro.
[Imagem: ITER]

Como funcionará a fusão nuclear no ITER

Para que o ITER funcione, uma pequena quantidade de gás deutério e trítio, que são isótopos do hidrogênio, é injetada no tokamak, uma grande câmara de vácuo em forma de anel.

O hidrogênio é aquecido até se tornar um plasma ionizado, que parece uma nuvem. Os ímãs supercondutores integrados ao tokamak confinam e moldam esse plasma ionizado, mantendo-o afastado das paredes de metal do reator.

Quando o plasma de hidrogênio atinge 150 milhões de graus Celsius - dez vezes mais quente do que o núcleo do Sol, uma pequena quantidade de massa é convertida em uma grande quantidade de energia (E = mc2) conforme os átomos de hidrogênio se fundem.

Nêutrons de ultra-alta energia, produzidos pela fusão, escapam do campo magnético e atingem as paredes de metal do tokamak, transmitindo sua energia para as paredes na forma de calor. A água que circula nas paredes do tokamak recebe esse calor e o converte em vapor. Em um reator comercial, esse vapor acionará turbinas para produzir eletricidade.

Finalmente, alguns nêutrons reagem com o lítio incorporado nas paredes do tokamak, criando mais combustível de trítio para a fusão. 

Energia hidrocinética gera eletricidade sem represar os rios

Redação do Site Inovação Tecnológica

O sistema de energia hidrocinética bioinspirada tem o potencial de expandir o acesso a fontes de energia mais limpas e econômicas.
[Imagem: Keith Moored/Lehigh University]

Hidrocinética

Um time de engenheiros de várias universidades norte-americanas apresentou um novo projeto para explorar a hidroeletricidade sem a necessidade de construir barragens.

A ideia consiste em usar hidrofólios inspirados nas barbatanas de peixes e baleias para gerar eletricidade aproveitando a correnteza dos rios.

Hidrofólios são estruturas subaquáticas que se movem para cima e para baixo com o fluxo da água. O movimento imita a ação da nadadeira caudal de peixes e cetáceos, ou das nadadeiras de um mergulhador.

A equipe está projetando um sistema que converte mecanicamente essa oscilação em movimento rotativo, que por sua vez impulsiona um gerador, transformando a energia mecânica do fluxo do rio em eletricidade.

Um dos desafios é minimizar as interrupções no ecossistema do rio, um dos grandes problemas das barragens. Para isso, a equipe projetou uma turbina fluvial oscilante que se move verticalmente a uma taxa mais lenta em comparação com as turbinas rotativas.

Os sensores do sistema permitirão que ele se adapte às mudanças naturais na profundidade de cada rio e mantenha a produção de energia estável.

Ecologicamente correta e economicamente viável

O trabalho atraiu a atenção da agência de energia dos EUA, que garantiu financiamento para que os pesquisadores possam passar do projeto para os primeiros testes em escala piloto.

Eles se dividiram em cinco subequipes, que projetarão os componentes individuais que, se bem-sucedidos, se combinarão para criar uma turbina oscilante de rio ecologicamente correta e economicamente viável. O maior desafio será justamente garantir que todos os componentes sejam integrados corretamente.

"Esses tipos de dispositivos já foram construídos antes, então certamente não somos os primeiros a apresentar a ideia. Mas, se tivermos sucesso, seremos a primeira equipe a construir um desses dispositivos que seja realmente econômico," disse Keith Moored, da Universidade Lehigh.

"A energia hidrocinética é um recurso renovável abundante que pode aumentar a resiliência da rede e reduzir a vulnerabilidade da infraestrutura, mas atualmente é uma opção de custo proibitivo em comparação com outras fontes de geração de energia. As equipes irão abordar essa barreira projetando novos sistemas hidrocinéticos eficientes, que utilizam recursos ribeirinhos e oceânicos, incluindo as marés, para desenvolver oportunidades de geração de energia economicamente atraentes," disse o professor Lane Genatowski, membro do projeto, batizado de SHARKS (Submarine Hydrokinetic and Riverine Kilo-megawatts Systems).

Seda de aranha vegana promete substituir plásticos descartáveis

Redação do Site Inovação Tecnológica

É uma seda de aranha sem a aranha, com a mesma resistência dos plásticos descartáveis.
[Imagem: Ayaka Kamada et al. - 10.1038/s41467-021-23813-6]

Seda de aranha vegana

Um material de origem vegetal, sustentável e pronto para ser produzido em escala industrial promete substituir os plásticos descartáveis em uma ampla variedade de produtos de consumo.

Trata-se de um filme de polímero biomimético, projetado para imitar as propriedades da seda de aranha, um dos materiais mais resistentes da natureza.

Ayaka Kamada e seus colegas da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, descobriram que uma das principais características que dá essa força à seda de aranha é estrutural, mais especificamente na organização regular e precisamente espaçada das ligações de hidrogênio que mantém coesas as proteínas da seda, dando-lhe uma densidade muito alta.

Eles então desenvolveram uma técnica para reproduzir essa estrutura usando proteínas vegetais.

O material sintético resultante é tão forte quanto muitos plásticos de uso comum, tornando-o um substituto potencial verde para o plástico à base de petróleo.

"Outros pesquisadores têm trabalhado diretamente com materiais de seda como substitutos dos plásticos, mas eles ainda são um produto animal. De certa forma, criamos a 'seda de aranha vegana' - criamos o mesmo material sem a aranha," disse o pesquisador Marc Garcia, membro da equipe.

Protótipos dos produtos que os pesquisadores planejam lançar no mercado ainda este ano.
[Imagem: Xampla]

Plástico que imita seda de aranha

A seda vegana é produzida usando uma nova técnica que a equipe desenvolveu para montar proteínas vegetais, o que resulta em um material que imita a seda em nível molecular. Segundo a equipe, a técnica tem alta eficiência energética e utiliza apenas ingredientes sustentáveis.

O produto final é um filme semelhante ao plástico, pronto para uso, sem necessidade de qualquer aditivo ou condições de armazenamento, e que pode ser fabricado em escala industrial.

Também é possível adicionar cores estruturais ao polímero durante o processo de fabricação - também conhecidas como "cores físicas", são cores que não desbotam porque não são baseadas em corantes, mas na forma como a superfície do material interage com a luz.

Ao contrário dos plásticos comuns, a seda biomimética é compostável diretamente - os bioplásticos normalmente requerem instalações de compostagem industriais para se degradarem. Além disso, o material não requer modificações químicas em seus blocos de construção naturais para que possa se degradar com segurança na maioria dos ambientes naturais ou domésticos.

O material será comercializado por uma empresa que está sendo incubada pela universidade, já com planos de lançar uma linha de sachês e embalagens descartáveis ainda este ano.

Bibliografia:

Artigo: Controlled self-assembly of plant proteins into high-performance multifunctional nanostructured films
Autores: Ayaka Kamada, Marc Rodriguez-Garcia, Francesco Simone Ruggeri, Yi Shen, Aviad Levin, Tuomas P. J. Knowles
Revista: Nature Communications
Vol.: 12, Article number: 3529
DOI: 10.1038/s41467-021-23813-6

Material inspirado em cactos coleta água dia e noite

Redação do Site Inovação Tecnológica 

As microárvores, inspiradas nos espinhos dos cactos, coletam água dia e noite.
[Imagem: Ye Shi et al. - 10.1038/s41467-021-23174-0]

Coleta de neblina e vapor solar

Além das necessidades históricas das regiões mais secas, as mudanças climáticas trouxeram uma larga variabilidade nos ritmos das chuvas.

Isso gerou um esforço de pesquisa significativo para a criação de dispositivos capazes de extrair água potável diretamente do ar.

Alguns sistemas fazem isso usando energia solar, enquanto outros, ainda que com menor rendimento, conseguem capturar a rala umidade do ar, o que os permite funcionar também à noite.

A geração de vapor solar é uma técnica de coleta de água na qual o calor do Sol faz com que a água se transforme em vapor, que é então condensado em água potável. Ela funciona melhor nas áreas costeiras porque também é capaz de dessalinizar a água, embora só funcione durante o dia.

A produção de água pela coleta de neblina é exatamente o que parece: À noite, as nuvens baixas ficam mais pesadas, portando gotas de água; dispositivos capazes de aglutinar e coletar essas gotículas então transformam a névoa em água potável.

Detalhes da estrutura do material coletor de água.
[Imagem: Ye Shi et al. - 10.1038/s41467-021-23174-0]

Aprendendo com quem sabe

Agora, Ye Shi e colegas do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos EUA, criaram um material para coletar água potável do ar que funciona de dia e de noite, combinando as duas tecnologias de coleta de água em uma.

Para isso, Shi foi buscar inspiração em quem faz isso há milhões de anos: os cactos.

O resultado é um material biomimético, uma membrana de hidrogel com microarquiteturas, capaz de produzir água por meio da geração solar de vapor-água e da coleta de névoa, fundindo as duas técnicas em um único dispositivo.

A membrana é formada por minúsculos espinhos, que lembram árvores de Natal, mas na verdade são inspirados no formato dos espinhos dos cactos.

"Os cactos são adaptados de forma única para sobreviver em climas secos," disse Shi. "No nosso caso, essas espinhas, que chamamos de 'microárvores", atraem gotículas microscópicas de água que estão suspensas no ar, permitindo que elas deslizem pela base da espinha e se aglutinem com outras gotículas, formando gotas relativamente pesadas que eventualmente convergem em um reservatório de água."

Em um teste durante a noite, uma amostra do material, com uma área de 125 centímetros quadrados (cm2), coletou cerca de 35 mililitros de água da névoa. Em testes durante o dia, o material coletou cerca de 125 mililitros de água pelo método do vapor solar.

Bibliografia:

Artigo: All-day fresh water harvesting by microstructured hydrogel membranes
Autores: Ye Shi, Ognjen Ilic, Harry A. Atwater, Julia R. Greer
Revista: Nature Communications
Vol.: 12, Article number: 2797
DOI: 10.1038/s41467-021-23174-0

Fungos que computam podem ser seres mais inteligentes da Terra, diz cientista

Redação do Site Inovação Tecnológica

A comunicação dos fungos é tão complexa que os pesquisadores estão propondo usá-los como computadores biológicos.
[Imagem: Dehshibi et al. - 10.1016/j.biosystems.2021.104373]

Computador de fungo

Você já ouviu falar de computadores químicos, computadores feitos com plantas, processadores feitos de gel e até um processador que usa gotas de água em vez de eletricidade.

Pois agora a chamada biocomputação está para incorporar um novo elemento da natureza: os fungos.

Afirmar que os fungos sejam os organismos vivos mais inteligentes do mundo parece soar como um exagero, mas não para o professor Mohammad Dehshibi, da Universidade da Catalunha, na Espanha, que afirma que os fungos podem ser usados diretamente como dispositivos computacionais.

Pesquisadores japoneses já haviam demonstrado que um fungo consegue reproduzir o projeto do metrô de Tóquio, mas o professor Dehshibi afirma que seu uso pode ser muito mais genérico e versátil, permitindo resolver uma infinidade de problemas computacionais.

Ele está trabalhando especificamente com os micélios, aquelas teias emaranhadas (higas) formadas por fungos como o Pleurotus djamor, conhecido como cogumelo-ostra-rosa.

"Alterando as condições ambientais, podemos reprogramar uma geometria e uma estrutura teórica dos gráficos das redes de micélio e, em seguida, usar a atividade elétrica dos fungos para criar circuitos de computação," propõe o pesquisador.

Mais complexo que o cérebro humano

Esse "processador de fungo" se tornou uma opção sobre a qual vale a pena pensar quando a equipe descobriu que o cogumelo-ostra-rosa gera disparos de potencial elétrico, muito similares às sinapses do cérebro, que se espalham por toda a rede do micélio.

Essa atividade elétrica do fungo corresponde a um sistema de comunicação interna extremamente complexo. De fato, os pesquisadores demonstraram que a complexidade dessa "linguagem" é maior do que a de muitas línguas humanas em termos de comunicação.

Eles então viram nisso a possibilidade de usar os sinais elétricos do fungo como um meio eficiente e prático de transmissão de informação e computação, dando aos fungos um potencial muito interessante como computadores biológicos. A proposta é utilizar uma variedade de medições para traduzir esses sinais elétricos em mensagens de acordo com a classificação dos picos de potencial detectáveis, as "sinapses fúngicas", por assim dizer.

A tarefa não é simples: Os sinais elétricos no tecido do fungo são tão complexos que as mais modernas técnicas da neurociência, usadas para medir os potenciais de disparo das sinapses no cérebro humano, não foram capazes de decifrá-los. A equipe então propõe desenvolver um método para detectar o tempo de chegada dos disparo spor meio de algoritmos recursivos, que permitam a caracterização da atividade elétrica.

"No momento, há dois grandes desafios a serem enfrentados [para usar fungos como computadores]," explicou Dehshibi. "O primeiro é implementar um propósito computacional que faça sentido. O segundo é caracterizar as propriedades dos substratos fúngicos para descobrir seu verdadeiro potencial computacional."

Os programas usadas pela neurociência para decifrar os sinais do cérebro humano não foram capazes de lidar com a complexidade da comunicação dos fungos.
[Imagem: Dehshibi et al. - 10.1016/j.biosystems.2021.104373]

Computador ambiental

Mas a pergunta que precisa ser feita é: Será que realmente podemos esperar ver, mesmo que num futuro distante, um laptop com um microprocessador feito de fungos?

Para Dehshibi, o objetivo dos computadores de fungos não é substituir os processadores de silício, já que as ações nesse proposto computador biológico são lentas para isso. Mas as propriedades dos fungos poderiam ser usadas como um "sensor ambiental em grande escala".

Por exemplo, redes fúngicas poderiam monitorar grandes quantidades de fluxos de dados como parte de sua atividade diária. Se pudéssemos nos conectar às suas redes e interpretar os sinais que eles usam para processar informações, então poderíamos aprender muito sobre o que está acontecendo em um ecossistema e, eventualmente, agir se houver necessidade, propõe Dehshibi.

Bibliografia:

Artigo: Electrical activity of fungi: Spikes detection and complexity analysis
Autores: Mohammad Mahdi Dehshibi, Andrew Adamatzky
Revista: Biosystems
Vol.: 203, 104373
DOI: 10.1016/j.biosystems.2021.104373

Artigo: Reactive fungal wearable
Autores: Andrew Adamatzky, Anna Nikolaidou, Antoni Gandia, Alessandro Chiolerio, Mohammad Mahdi Dehshibi
Revista: Biosystems
Vol.: 199, 104304
DOI: 10.1016/j.biosystems.2020.104304