Polyteck | Edição 15

R$ 8,00 | ISSN 2447-6897 | nº 15 - Fev /Mar 2016

CUBE SATS grandes missões em

pequenos pacotes Leia na página 11

ENERGIA SOLAR

ESPECTROSCOPIA

COMPUTAÇÃO

tecnologias para superar os altos custos e baixa eficiência da tecnologia página 3

Espectroscopia de impedância elétrica usando microscópio de força atômica página 8

quântica: novas alternativas para armazenamento e processamento página 17

ALTO DESEMPENHO em seusPROJETOS notebooks de

/Avell @Avell_Notebooks /notebooksavell

avell.com.br/profissional

NOTEBOOKS RECOMENDADOS PARA TRABALHAR

COM OS SOFTWARES MAIS EXIGENTES ionais

s profis

Novos Caminhos da Energia Solar Por Raisa Jakubiak e Cleber Fabiano do Nascimento Marchiori

Uma das formas de energia renovável mais aclamada como substituta às não-renováveis é a energia solar, que hoje ainda é considerada uma fonte complementar devido às dificuldades inerentes à produção e instalação de painéis solares. Porém, novas tecnologias podem trazer uma “luz” para os altos custos e baixas eficiências da tecnologia.

O

Sol parece uma forma bastante óbvia de obter energia, pois está disponível no céu a maior parte do tempo - exceto em cidades como Londres, Seattle e naturalmente Curitiba, onde está o escritório da Polyteck. Ele emite radiação eletromagnética em um espectro vasto, desde o infravermelho (com altos comprimentos de onda e baixas frequências) até o ultravioleta (com pequenos comprimentos de onda e altas frequências). As faixas espectrais que podem ser detectadas pelo sistema visual variam de espécie para espécie. Cobras, por exemplo, conseguem enxergar comprimentos de onda na faixa do infravermelho, captando o “calor” de suas vítimas – assim como o alienígena que caçou Arnold Schwarznegger no filme Predador. Já o que chamamos de espectro visível, aquele que o olho humano é capaz de enxergar, compreende comprimentos de onda de cerca de 400 até 700 nm. Isso significa que conseguimos enxergar desde o violeta até o vermelho, passando pelo azul, verde e amarelo.

De forma bruta, o fluxo de energia proveniente do Sol que incide sobre a Terra é de 3.000 kWh/m2 por ano. Este valor refere-se ao o fluxo de energia que não sofre ação das camadas da atmosfera terrestre, chamado de AM0, onde AM é o coeficiente de massa de ar (AM vem de Air Mass). No entanto, nem toda esta radiação chega ao solo. Ao incidir na atmosfera, a luz sofre vários efeitos, como a absorção por moléculas suspensas, principalmente de água e dióxido de carbono, e reflexão - sendo parte inclusive refletida para fora da Terra. Estima-se que em média 30% da luz solar incidente sofre algum tipo de interferência ao

adentrar as camadas de ar que recobrem o planeta.

Mesmo assim, tomando a área total da Terra, que é de 5,1.1014 m2, a energia total proveniente do Sol que chega a nós no período de em um ano seria de nada mais nada menos que 128.000 TW! Se instalássemos painéis solares padrão operando a 10% de eficiência em cerca de 10% da área não utilizada do planeta, seria possível produzir 80 TW em um ano. Toda a humanidade utiliza entre 15 e 17 TW por ano, então isso seria “energia para dar e vender”. Uma solução milagrosa ao problema da demanda energética e ao efeito estufa! Infelizmente, as coisas não são assim tão simples. Teoricamente é possível criar painéis solares grandes o suficiente em lugares com grande incidência de radiação solar para suprir a demanda energética mundial.

Alguns exemplos de locais que recebem grandes quantidades de radiação solar são o deserto do Saara, México, Austrália e partes do Oriente Médio, pois estão localizados muito próximos do Equador e os ângulos de incidência são próximos de 90º, o que significa que a radiação solar nestas áreas é tão intensa quanto possível. No entanto, estes são locais com baixa densidade populacional, tornando necessário um caro sistema de transmissão até os grandes centros onde há alta demanda por energia. Além disso, para cobrir esses milhares de quilômetros quadrados, eles teriam que ser feitos de um material barato, e cerca de 90% das células solares comerciais atuais (aquelas que apresentam eficiência desejável) são feitas de silício.

polyteck.com.br | Revista Polyteck | 3

Dispositivos Fotovoltaicos Orgânicos

Um dispositivo fotovoltaico utiliza materiais semicondutores e basicamente “capta” os fótons provenientes do sol e fornece, em troca, elétrons para serem coletados em forma de corrente elétrica. Existem vários modelos no mercado, mas a maioria é feita de silício cristalino de alta pureza.

Um dos maiores desafios em relação à energia solar é a eficiência dos dispositivos fotovoltaicos: as melhores células solares já feitas têm uma taxa de conversão de 21,5%, e o melhor produto em produção de larga escala consegue gerar cerca de 175 W/m2. No mercado existem pouquíssimos painéis solares que excedem a eficiência de 19%.

A eficiência de conversão de energia solar em energia elétrica do módulo é um fator determinante na área que ele deve cobrir para que uma mesma quantidade de energia elétrica seja gerada: um módulo de 230 W com 8% de eficiência deve ter o dobro da área de um módulo também de 230 W, mas que opera a 16% de eficiência.

Além disso, é muito difícil produzir dispositivos com grandes áreas utilizando materiais inorgânicos, como o silício. Mesmo que vários módulos sejam acoplados, o peso das placas torna muito complicada a sua integração em construções, já que os dispositivos são normalmente depositados em substratos de vidro. A natureza, porém, possui uma estratégia muito eficiente para converter energia solar em larga escala: a fotossíntese. Através de uma sequência de processos químicos desencadeados pela absorção de fótons, os organismos fotossintetizadores (plantas, algas e cianobactérias) são capazes de transformar energia luminosa em energia química. Todo esse processo é realizado

4 | Revista Polyteck | polyteck.com.br

por moléculas orgânicas, em especial derivados de porfirinas como a clorofila.

Inspirados neste modelo, inúmeros grupos de pesquisa vêm tentando, desde a década de 70, utilizar materiais orgânicos para converter energia solar em eletricidade. Porém, foi só a partir do final da década de 90 que os dispositivos fotovoltaicos orgânicos ganharam destaque na comunidade científica. Os recentes avanços nesta área colocaram dispositivos baseados em materiais poliméricos (plásticos) ou pequenas moléculas em condições de se tornarem uma realidade no nosso dia-a-dia.

Quando se trata de analisar a viabilidade de uma tecnologia energética, um dos parâmetros mais importantes a serem avaliados é o quanto ela é eficiente em converter a energia vinda da fonte na forma de energia que precisamos utilizar (como converter a luz do sol ou o vento em energia elétrica). A eficiência de conversão energética é um número naturalmente interessante por fornecer um dado “visual” da performance do dispositivo. Desta maneira, assim como em outras tecnologias para dispositivos fotovoltaicos, o foco da grande maioria das pesquisas em células solares orgânicas está em melhorar a eficiência de conversão de energia. Elas acabam sendo um pouco desprezadas pela indústria, pois apresentam eficiências significativamente mais baixas do que as convencionais, sempre com a mesma justificativa: “elas serão um grande avanço para a sociedade no futuro, por serem mais flexíveis, leves a baratas, mas isso desde que alcancem determinada eficiência (normalmente um número aleatório).” Ok, essas eficiências até são atingidas por modelos de laboratório que utilizam materiais mais caros e nada flexíveis, mas não são vistos como alternativas comerciais. Diante disso, o interesse da sociedade nesta tecnologia é sempre adiado para 5 ou 10 anos no futuro. Um artigo liderado por Frederick C. Krebs, professor da Universidade da Dinamarca e um dos maiores nomes da pesquisa e aplicação dos fotovoltaicos orgânicos em todo o mundo, aponta que, devido a essa obsessão pelo “valor bruto” de eficiência, o foco em “em que situação” os orgânicos funcionam melhor e como isso deveria ser feito foi perdido.

No entanto, há mais fatores além da eficiência que devem ser levados em conta na avaliação da viabilidade de qualquer tecnologia energética são: a que custo esta eficiência é alcançada, a que velocidade a conversão acontece e qual é a energia consumida durante o processo.

Esta análise completa é chamada de análise de ciclo de vida (LCA, de life cycle analysis) e, apesar de ser um método complexo, é uma maneira concreta de comparar a eficiência real de uma tecnologia através de um parâmetro fundamental: quanto tempo a tecnologia leva para “pagar” a energia que foi investida na sua produção, ou energy pay-back time (EPBT).

E é aqui que as células solares orgânicas ganham de todos os outros fotovoltaicos disponíveis no mercado.

Dispositivos fotovoltaicos orgânicos possuem inúmeras vantagens em comparação com a tecnologia convencional. Ao contrário do silício cristalino, que é um recurso finito produzido a partir do quartzo extraído de depósitos minerais, os polímeros e moléculas podem ser sintetizados em laboratório a um custo relativamente baixo. Eles são facilmente processados através de soluções, formando filmes finos da ordem de dezenas de nanômetros. Juntando a capacidade de formação de filmes finos com os avanços nas técnicas de impressão, os dispositivos fotovoltaicos podem ser simplesmente impressos.

Há, naturalmente, limitações nas velocidades de impressão, mas uma taxa de 60 a 300 m/min, que é tipicamente encontrada na indústria de impressão, é suficiente para tornar o produto comercialmente viável. Cada dispositivo é construído por diversas camadas impressas, como eletrodos e filme semicondutor. Assim, mesmo a uma taxa de impressão de 60 m/min por camada é possível conseguir produzir folhas com dispositivos completos a uma taxa de 10 m/min - o que se estima ser suficiente para produzir células solares capazes de gerar 1 GW por dia sem a necessidade de um investimento muito grande em equipamentos. Outra vantagem de trabalhar com moléculas orgânicas são as baixas temperaturas necessárias para os processos de secagem e cura, que ajudam a garantir uma produção em altas velocidades. Atualmente, algumas empresas como a infinityPV conseguem produzir células solares em rolo, o que significa que, diferentemente de placas solares individuais ou módulos, elas podem ser carregadas para diversos lugares até mesmo por apenas uma pessoa.

Outra vantagem oferecida pela combinação entre filmes finos orgânicos e técnicas avançadas de impressão é a possibilidade da criação de dispositivos semitransparentes que podem ser instalados em grandes áreas, facilitando a sua integração a construções. Por exemplo, uma equipe da Universidade da Califórnia em Los Angeles (a famosa UCLA) conseguiu desenvolver fotovoltaicos praticamente transparentes, compatíveis inclusive com substratos flexíveis. A camada fotoativa destas células solares coleta energia principalmente da região do infravermelho, sendo menos sensível aos fótons do espectro visível. O eletrodo superior é composto de uma solução transparente contendo nanofios de prata, criando um filme condutor após o processo de deposição. Nestas configurações foi obtida uma eficiência de conversão de 4%, e os dispositivos otimizados apresentam transparência de 66% para comprimento de onda de 550 nm. Este tipo de material poderia ser facilmente aplicado em janelas de edifícios.

Dispositivos fotovoltaicos orgânicos podem ser produzidos em rolos de 1,5 a 2,2 km de comprimento, o que compreende nada mais nada menos do que de 315.000 a 462.000 células fotovoltaicas individuais.

Foto: infinityPV

Fotovoltaico praticamente transparente desenvolvido na UCLA poderia ser facilmente aplicado em janelas de edifícios.

Imagem: Chun-Chao Chen, ACS Nano (2012)

EFICIÊNCIA DE CONVERSÃO A eficiência de conversão de um dispositivo fotovoltaico é a taxa na qual uma célula é capaz de converter a radiação solar incidente em energia elétrica. As melhores células solares comerciais da atualidade possuem eficiência pouco acima de 19%.

POLÍTICA DE ENERGIAS RENOVÁVEIS Com os estados dos Estados Unidos colocando metas para a implementação de energias renováveis – país que é conhecido pela relutância em diminuir suas emissões de carbono - assim como as negociações globais sobre mudanças climáticas discutidas em dezembro na 21ª Conferência Mundial do Clima, em Paris, pode-se projetar um cenário onde as fontes renováveis de energia continuam a crescer. Enquanto a Califórnia almeja alcançar 50% da sua produção de energia por fontes renováveis até 2030, o Havaí estipulou sua meta em 100%.

Enquanto algumas células solares convencionais podem pesar até 20 kg/m2, as folhas mais pesadas da infinity pesam cerca de 450 g/m2. Foto: infinityPV

polyteck.com.br | Revista Polyteck | 5

Bem vindos ao parque solar

Carregador de Celular Outro exemplo recente é o HeLi-on, um carregador portátil de celular desenvolvido pela startup dinamarquesa infinityPV Aps, que tem Krebs como fundador. Ao contrário dos carregadores comuns, que precisam ser constantemente recarregados na tomada, o HeLi-on pode ser recarregado em qualquer lugar: ele é equipado com um painel solar próprio e uma bateria de íon-lítio com capacidade de 2600 mA/h. O nome vem de um trocadilho com Helios, o deus Sol da mitologia grega: Helios, lítio, on. Mas como ele pode vir com um painel solar e ao mesmo tempo caber no seu bolso?

A resposta está na eletrônica orgânica. Como os materiais com os quais os dispositivos são construídos são extremamente flexíveis, é possível enrolá-los, assim como num rolo de papel alumínio. “Nós escolhemos células solares poliméricas para o HeLi-on porque são a única tecnologia suficientemente fina e ‘enrolável’. Nossas células solares são coloridas, parcialmente transparentes, leves, a prova de quebra e enroláveis. A sua flexibilidade introduz novas opções de design, e o design do HeLi-on é quase uma extensão intuitiva das propriedades das células solares.”, afirma Morten V. Madsen, co-fundador da empresa.

Desta maneira, o carregador é capaz não só de armazenar energia numa bateria de íon-lítio com capacidade de 2600 mA/h, mas também de gerar sua própria energia. O painel solar é composto por células com menos de 2 µm de espessura, mas estão encapsuladas por uma folha protetora em ambos os lados. Mesmo assim, a espessura total do painel solar não passa de 1 mm.

Se você quiser aprender mais sobre células solares orgânicas, o professor Frederik Krebs e seus colegas oferecem um curso online gratuito na plataforma Coursera. Veja mais no link: https://www.coursera.org/learn/solar-cell

6 | Revista Polyteck | polyteck.com.br

Decididos a mostrar o valor dos fotovoltaicos orgânicos, a equipe de Krebs resolveu ousar: a exemplo dos parques solares espalhados pelo mundo, eles também criaram o seu.

Isso já havia sido tentado em 2009 com um sistema de células solares orgânicas em painéis de vidro, ou seja, similares às de silício. As células tinham de ser cortadas em pequenos módulos acoplados um a um com fitas metálicas e encapsuladas com selantes – um trabalho hercúleo. Apesar do sistema estar operante hoje, o resultado era esperado: o método nunca seria comercializável, pois a maior parte do custo e do tempo de produção recaía na montagem da estrutura.

Pensando nisso, a equipe dinamarquesa resolveu se basear no conceito onde há apenas dois pontos de contato elétrico, chamado de infinity. Ao imprimir as junções de todas as células solares em série, é possível extrair a energia das fileiras de dispositivos usando apenas estes os dois pontos opostos. Desta maneira, como não há manuseio das células individualmente, é possível concluir a sua instalação muito mais rápido do que os módulos existentes no mercado, compensando a eficiência mais baixa em relação a eles. Atualmente, os módulos infinity são produzidos em rolos de 1,5 a 2,2 km de comprimento, o que compreende nada mais nada menos do que de 315.000 a 462.000 células fotovoltaicas individuais. É claro que, num espaço amostral tão grande, alguns dispositivos podem apresentar defeitos. Contudo, a equipe já conseguiu produzir 700 m de de folha com 100% de dispositivos funcionais.

As folhas com células fotovoltaicas foram cortadas em partes de 100 m de comprimento e o sistema foi instalado na Dinamarca e também no sul da Espanha - cada uma foi instalada em menos de um minuto usando mão de obra praticamente manual. Se formos pensar em sistemas automatizados, estima-se que se possa instalar de 200 a 300 metros de paineis solares por minuto excedendo em muito a velocidade de instalação dos painéis tradicionais de silício. Já a eficiência de conversão numa folha disposta numa área de 14,7 m2 foi de cerca de 1,6 a 1,8%. Ainda que a eficiência seja pequena, a rapidez na instalação compensa a menor eficiência dos orgânicos: um módulo orgânico de 200 W, mesmo sendo maior, será instalado muito mais rapidamente do que um módulo de silício com os mesmos 200 W. Além disso, analisando a performance do sistema já em operação, o tempo de pay-back de energia foi calculado em cerca de 277 dias para a Dinamarca e apenas 180 dias no sul da Espanha, onde há mais incidência de luz solar. Já para sistemas inorgânicos, o tempo de devolução da energia é estimado em anos.

O sistema opera a altas tensões, sendo necessária mão de obra especializada para a sua operação. Isso inviabilizaria a utilização “domiciliar” deste tipo de painel, mas não impede que profissionais e empresas criem as suas próprias redes de geração e distribuição.

Desta maneira, a Frederick conclui que, deixando de lado apenas a fixação em eficiência, e focando nas outras vantagens que os orgânicos podem oferecer, assim como nas maneiras certas de aplicá-los pode levar os fotovoltaicos orgânicos a revolucionar a tecnologia de energia solar num futuro realmente próximo – sem esperar mais 5 ou 10 anos.

Raisa Jakubiak é diretora de

Parques solares com fotovoltaicos orgânicos foram instalados na Dinamarca e sul da Espanha. Cada painel possui faixas contínuas de 100 m de comprimento de células solares impressas. Foto: infinityPV

Para saber mais

redação da Revista Polyteck. Bacharela em Física pela Universidade Federal do Paraná, foi bolsista de iniciação científica no Group of Optoloectronic Organic Devices (GOOD), na UFPR, onde trabalhou no desenvolvimento de memórias orgânicas voláteis e aprendeu sobre a construção de transístores.

Também trabalhou no LITS, na caracterização de um protótipo de lab-on-a-chip capaz de diagnosticar várias doenças com poucas gotas de sangue.

Apaixonada por ciência desde o berço, acha que o segredo para quem quer mudar o mundo é nunca parar de aprender. Trabalha na Polyteck para continuar aprendendo, e porque acha que faltam meios de comunicação feitos por quem vive a ciência no seu dia a dia.

Cleber Marchiori é doutorando

• Monica Heger, "Renewables Grew to 15.5% of US Electricity Capacity in 2014" , IEEE Spectrum, 10/12/2015 • Frederik C. Krebs , Nieves Espinosa , Markus Hösel , Roar R. Søndergaard e Mikkel Jørgensen, "25th Anniversary Article: Rise to Power – OPV-Based Solar Parks", Advanced Materials vol 1, num 12 (2013).

• Chun-Chao Chen, "Visibly Transparent Polymer Solar Cells Produced

by Solution Processing", ACS Nano vol 6, num 8 (2012) •

Harvard School of Apllied Sciences Lectures

•

https://www.coursera.org/learn/solar-cell/

Anuncio Polyteckok.pdf

1

2/16/16

em Física pela Universidade Federal do Paraná e desenvolve pesquisas na área de simulação de propriedades optoeletrônicas de novas moléculas semicondutoras orgânicas modificadas pela inserção de grupos funcionais para aplicação em dispositivos fotovoltaicos, e na construção e caracterização de dispositivos fotovoltaicos orgânicos baseados em polímeros conjugados e pequenas moléculas.

12:59 PM

polyteck.com.br | Revista Polyteck | 7

Espectroscopia de impedancia

La punta en voladizo y el guía de ondas para la radiación.

Y. Yang et al., J. Michromec.

Michroeng., 22, 2012 115040

eléctrica usando el microscopio de fuerza atómica (AFM) en el estudio de materiales carbonaceos Por Timothy Jones, Carlos Perez y Jorge J. Santiago-Aviles

L

os compositos son mezclas de dos faces distintas, cada una con sus propiedades físicas y químicas diferentes de tal forma que al mezclarlas se obtienen valores mayores, menores e intermedios con respecto a las dos faces. En la tecnología asociada a la fabricación de dispositivos para almacenar carga eléctrica, tales como baterías y súper-capacitores, es frecuente el uso de materiales con alta área de superficie especifica (ase). Entre estos materiales podemos dar como ejemplo, el carbón activado, el cual frecuentemente posee valores de ase en exceso de 1,500 m2/g. Como este material lo forma un granulado de partículas de carbón muy pequeñas (fracción de un mm) es muy común mezclarlas con algún polímero blando tal como Teflón (C2F4) para lograr un mezcla blanda y de fácil manejo. Aquí vemos como obtenemos un composito polímero-carbón. El carbón es frecuentemente activado tras reacciones químicas con gases agresivos que le roban átomos de carbón, formando poros microscópicos en los granos. Ahora tenemos un composito de tres faces, carbón, polímero y aire (en las cavidades y poros formados por el proceso de activación). Muchas veces, en el proceso de caracterización composicional nos gustaría saber la distribución de los tamaños de los poros y la fracción del composito formada por el polímero o el carbón. En esta clase de investigación, nos sirve muy bien la técnica de “sMIM” (de las siglas en ingles para microscopia de impedancia usando rastreo con micro-ondas “ scanning Microwave

Impedance Microscopy”) La técnica de “sMIM” pretende reducir la dimensión del objeto mas pequeño que se puede resolver usando una fuente de radiación electromagnética, bajo el limite del campo lejano sugerido por Abbe, esto es el tamaño ~ m/2, o sea la mitad de la longitud de onda electromagnética. Acordémoslo, que las interacciones entre microondas y objetos se modelan relativamente mas fácil que las interacciones entre luz y objetos, que usualmente implican fenómenos quánticos. Esto debido a la menor energía asociada a las microondas en comparación a la luz, esto es E=hn usando símbolos convencionales. La técnica de sMIM combina la alta resolución espacial del AFM (microscopio de fuerza atómica, por sus siglas en Ingles) con medidas de impedancia eléctrica a altas frecuencias.

Durante su desarrollo, esta técnica ha sido utilizada en el estudio de múltiples fenómenos a escalas nanometricas. Investigadores del Departamento de Ingeniería Electricista y de Sistemas de la Universidad de Pennsylvania están utilizando esta técnica en el estudio de material carbonaceos de alta área de superficie especifica (SSA de sus siglas en Ingles) tales como carbones derivados de carburos y carbones parecidos a cebollas (CDC y OLC, de las siglas en Ingles).

Materiales carbonaceos derivados de carburos

Los materiales carbonaceos derivados de carburos (CDC) toman como precursores carburos metálicos o metaloides, binarios o ternarios,

8 | Revista Polyteck | polyteck.com.br

tales como TiC, SiC y otros. Estos son expuestos a una atmosfera de halógenos, usualmente Cloro a temperaturas altas para remover los átomos metálicos o metaloides. Como resultado de este proceso, se obtiene una red desordenada de material carbonaceo y poroso. Si uno escoge bien el carburo precursor, controla la temperatura óptimamente durante el cosido y controla bien las condiciones posteriores a la síntesis, es posible el control a nivel nanometrico de la estructura de la red de poros.

Un resultado interesante de este proceso, es que uno puede controlar la área de superficie especifica (SSA), la porosidad, la distribución de los tamaños de poros, y el grado de orden (o desorden) estructural del material carbonaceo. Otro tipo de material carbonaceo bajo estudio es el de carbones parecidos a cebollas. Este posee una estructura grafítica de multi-capas esféricas, similar a múltiples “Fullereen” concéntricos. Este material se obtiene comúnmente de la grafitización de nano-diamantes resultantes de la detonación de explosivos.

Estos nano-diamantes son calentados a temperaturas en exceso de 1200 ºC, bajo esta temperatura, el contenido de enlace sp3 se transforma en capas esféricas de alto contenido de enlaces sp2 . Estas partículas usualmente con dimensiones entre 5 y 10 nm, son relativamente libres de defectos y poseen alta conductividad eléctrica. Aunque estas partículas de OLC no tienen porosidad interna, son frecuentemente utilizadas como aditivos a carbón activado y CDC para reducir la resistividad de la mezcla.

Espectroscopia de impedancia electrica

El instrumento para hacer sMIM consiste en un microscopio de fuerza atómica y un aparato “Scan Wave”. Juntos estos dos módulos forman el instrumento sMIM ahora mercadeado por las dos compañías en cooperación. El aparato “Scan Wave” es un generador de microondas que se utiliza para aplicar señales de microondas a una guía de ondas coaxial (protegida) que termina en la punta a voladizo del AFM , que posee un radio de curvatura de 50 nm. Esta punta de AFM esta acoplada a una red capaz de parear impedancias y que permite a la punta de AFM lograr resonancia eléctrica a una frecuencia cerca de 3 GHz. A esta frecuencia, se maximiza la sensitividad a un cambio de impedancias, indicado por la medida de la señal reflejada.

Instrumentos basados en la utilización de microondas logrando bajos niveles de ruido y simultáneamente manteniendo alta sensitividad son difíciles de implementar.

Discontinuidades en el camino de la señal actúan como antenas , y la falta de protección disminuye la señal y la integridad de la medida. En adición a una red de guías de ondas muy bien diseñada, una forma fácil de calibración es imprescindible que nos permita eliminar cualquier contribución parasítica a las medidas.

La calibración del sMIM se lleva a cabo midiendo un pedacito de una lamina de silicio donde se encuentra un circulito pequeño de SiOx formando un capacitor de radio 5 µm.

Este capacitor posee una capa de alúmina (Al2O3) y otra metálica, ambas de gruesos uniformes conocidos.

Durante calibración, el ángulo de fase de la señal reflejada se selecciona de tal forma que la impedancia extraída sea puramente imaginaria, esto es puramente capacitiva, según debe de ser para cuando de mide un capacitor.

En la calibración de sMIM, se busca en frecuencia una mínima reflexión con la punta en el aire, sin tocar la muestra. Luego se arrastra la punta en contacto con la muestra de materiales aislantes sobre conductores eléctricos. Seguido, se ajusta el ángulo de fase para igualar la salida de la señal imaginaria con el cambio en reactancia capacitiva.

Ejemplo de la generación de la señal de calibración. Puntos importantes: 1 - frecuencia de fuente resonante ~ 3 GHz. 2 - se iguala impedancia de fuente y punta, para máxima sensitividad. 3 - Etapas de cancelación y amplificación no aparecen en figura. 4 - La única modificación al AFM es en el apoyo de la punta.

Los gráficos relacionados a los resultados experimentales son producidos por el programa en la computadora asociada al AFM, en la forma de mapas de colores falsos como indica la figura de arriba donde la contribución capacitiva a la impedancia aparece en función de posición en la muestra. Es importante notar la resolución obtenida por esta técnica.

polyteck.com.br | Revista Polyteck | 9

La punta a voladizo del AFM ha sido diseñada y fabricada especialmente para esta aplicación (sMIM) usando los procesos de micro-fabricación en silicio común en MEMS (de las siglas en Ingles para sistemas electro-mecánicos micro-fabricados).

Estudio de Materiales Carbonaceos

Muestras de materiales carbonaceos porosos, tales como OLC (carbones parecidos a cebollas, de sus siglas en Ingles, que son aquellos materiales parecidos a Fullereemos concéntricos ) y materiales carbonaceos CDC (carbones derivados de carburos, de sus siglas en Ingles) han sido sujetos a examen por el sistema sMIM. Los OLC previamente han sido tratados termalmente en el rango de temperaturas desde 1000 a 1800 ºC, donde este material muestra conductividad eléctrica proporcional a la temperatura de cocido. También hemos medido tres muestras de CDC cocidas a diferentes temperaturas.

Combinando el trabajo experimental con simulaciones es una forma importante de cuantificar los resultados. Nosotros utilizamos COMSOL, un producto comercial para la solución numérica de ecuaciones diferenciales parciales y problemas de valores de contorno. El grafico mostrado abajo deja ver un mapa de colores falsos con la penetración de la onda evanescente donde la punta del AFM toca las muestras. Los circulitos blancos denotan la posición de granitos de material aislador con permitividad dieléctrica e y conductividad v.

La figura de arriba nos destaca un perfil de contraste falso, producido por sMIM en una muestra de CDC cocido a 1200 ºC (buen conductor eléctrico) y mezclado con 5% por volumen de PTFE (poli-tetra-flúoro-etileno, TEFLON, un buen aislador eléctrico). El perfil muestra la distribución espacial del material aislador (teflón), pues el instrumento sMIM media reactancia capacitiva.

Notemos que aunque el perfil mostrado arriba puede poseer alguna convolucion entre impedancia y topografía, el hecho que el perfil mostrado aquí no es un duplicado de la topografía indica como factores estructurales bajo la superficie pueden afectar el comportamiento eléctrico.

La técnica sMIM ofrece al físico, quimico-fisico o ingeniero la ventaja de una caracterización de propiedades eléctricas a nivel local, esto es, con resoluciones espaciales a niveles nano y micro métricos, permitiendo

el estudio de agregaciones muy pequeñas, y ahora con la electrónica acercándose a nodos bajo 10 nanometros, el reto de la ley de Moore y su extrapolación logarítmica, al igual que IoT, nos conduce a estudiar las ventajas ofrecidas por sMIM.

Referencias • Zhengyu Wang, Michael A. Kelly, ZhiXun Shen, Gang Wang, Xiao-Dong Xiang, and Jeffery T. Wetzel, "Evanescent microwave probe measurement of low-k dielectric films", Journal of Applied Physics 92, 808 (2002) • Timothy S. Jones, Carlos R. Pérez, and Jorge J. Santiago-Avilés, "Simulation of Sample Inhomogeneity in Microwave Impedance Microscopy", 2015 COMSOL conference, Boston, USA.

Jorge SantiagoAviles es profesor

asociado de e Ingeniería Electricista y de Sistemas de la Universidad de Pennsylvania. Los intereses del grupo de investigación del profesor Santiago abarcan materiales y dispositivos para aplicaciones de electrónica incluida la conversión y almacenamiento de energía, en particular, supercondensadores, materiales nano-compuestos, y los métodos de deposición tales como electrospinning y electrodeposición.

10 | Revista Polyteck | polyteck.com.br

CUBESATS grandes missões em pequenos pacotes

Imagem: Radius Space - radiusspace.com

Por Fábio Teixeira, Gabriel Augusto Gomes e André Sionek

Cubos de 10 centímetros construídos com tecnologia de prateleira e que custam apenas milhares de dólares, ao invés dos milhões gastos com os grandes satélites tradicionais, estão povoando a órbita da Terra. E mais ainda: os CubeSats estão começando a fazer ciência de verdade.

O

s engenheiros espaciais não poupam despesas e trabalham por anos para criar satélites perfeitos. Em cada projeto são utilizados componentes especialmente desenvolvidos para as condições extremas que o equipamento enfrentará no espaço. O Telescópio Espacial James Webb, por exemplo, esta em construção há pelo menos uma década a um custo de 8 bilhões de dólares. Outro exemplo é o satélite de monitoramento de clima Joint Polar Satellite System (JPSS) da Administração Oceânica e Atmosférica Nacional dos EUA (NOAA), que custou 11,3 bilhões de dólares. Uma vez lançados nos próximos anos, o Telescópio Webb e o JPSS nunca mais serão construídos novamente. Por outro lado, quando os custos de construção e lançamento juntos ficam muito abaixo de um milhão de dólares, é possível fabricar não apenas um, mas dezenas ou até centenas de satélites - e esse é o conceito chave por trás das aplicações de nano-satélites, ou CubeSats, na ciência. Para criar seu próprio satélite basta utilizar componentes eletrônicos de prateleira (os mesmos transistores, diodos e resistores não resistentes à radiação presentes no seu smartphone) e comprar um espaço para lançá-lo como carga secundária em um foguete. Ou você pode até mesmo enviá-lo para o espaço de graça nas próximas missões da NASA para a Estação Espacial Internacional.

Os CubeSats são satélites miniaturizados definidos por uma especificação open-source proposta pela primeira vez no final da década de 1990 pelos professores Jordi Puig-Suari e Bob Twiggs. Tratam-se de cubos de 10 cm de lado e com peso máximo de 1,3 kg que qualificam individualmente uma unidade de medida chamada de U, a partir da qual podem ser construídos CubeSats com variadas dimensões: 1U, 2U, 3U, 6U e até 12U. O objetivo era criar uma plataforma onde estudantes de pós-graduação pudessem desenvolver atividades práticas de projeto, desenvolvimento, teste e operação de satélites.

Por que um cubo de 10 centímetros?

Jordi Puig-Suari, engenheiro aeroespacial na California Polytechnic State University (Cal Poly), um dos proponentes dos CubeSats, conta em uma reportagem da revista Science que a dimensão surgiu meio que acidentalmente. Na década de 80 os estudantes construíam satélites com hardware duvidoso comprado em lojas de automóveis e de eletrônicos.

Isto encarecia o lançamento e fazia com que as empresas de foguetes ficassem apreensivas em colocá-los junto com a sua carga primária. Em 1999, Puig-Suari se encontrou com Bob Twiggs, na época engenheiro aeroespacial na universidade

polyteck.com.br | Revista Polyteck | 11

Um foguete Minotauro I carregando, entre outras cargas, 11 CubeSats de pesquisa como parte do quarto programa de Lançamento Educacional de Nanosatélites da NASA (ELaNa). O lançamento ocorreu no dia 19 de novembro de 2013 a partir do espaçoporto chamado de MidAtlantic Regional Spaceport, localizado na Ilha Wallops, no estado americano da Virgínia. Foi o primeiro lançamento de um satélite construído por escolas secundárias: o TJ3Sat da Thomas Jefferson High School, Alexandria, estado da Virgínia.

Crédito da Imagem: NASA/Ali Stancil

Stanford, para discutir maneiras de colocar mais projetos de estudantes no espaço. Ao focar em reduzir o tamanho e massa do satélite, pois a massa aumenta o custo de entrar em órbita, surgiu a ideia de padronizar os satélites estudantis em um cubo de 10 cm.

Para participar do programa CSLI os nano-satélites devem realizar pesquisas em ciência, exploração, tecnologia ou educação que estejam alinhadas com os interesses da agência.

As universidades são as maiores beneficiárias do programa, porém o tempo de espera é longo.

Os lançamentos

A democratização do espaço

Há pouco mais de uma década, os primeiros CubeSats foram enviados ao espaço. O primeiro lançamento aconteceu em 30 de Junho de 2003, colocando em órbita dois CubeSats alemães, dois japoneses, um canadense e um americano. Até o final de 2014, mais de 230 nano-satélites já tinham sido lançados e a previsão para 2015 era de mais 500 novos CubeSats.

Os grandes investimentos em eletrônicos de consumo diminuíram o tamanho e custo ao mesmo tempo em que aumentaram a capacidade da maioria dos componentes de satélites - computadores, rádios, painéis solares, etc. Porém a única grande despesa até então continuava a ser o transporte até o espaço. Aqui os professores Twiggs e Puig-Suari também apresentaram uma importante inovação: um sistema de lançamento em órbita padronizado chamado de Poly Picosatellite Orbital Deployers ou P-PODs. Esse sistema garante que todos os desenvolvedores de CubeSats atendam aos requerimentos físicos de dimensão e peso. O P-POD mantém os nano-satélites isolados da carga principal dos foguetes, desempenhando um papel crítico na interface entre o veículo de lançamento e os CubeSats. Com o tempo, o P-POD ganhou a confiança dos maiores lançadores de foguetes no mundo. Isso fez com que os construtores de CubeSats encontrassem maneiras mais baratas de entrar em órbita: acomodando os dispositivos em voos de carga para a Estação Espacial Internacional ou em espaço vazio ao redor de satélites maiores. Até mesmo o exército americano e agências de espionagem agora acomodam nano-satélites se um foguete tiver um pouco de espaço sobrando.

Existem hoje diversos players no mercado mundial que oferecem o serviço de lançamento de CubeSats com valores em torno de US$ 40.000 por U. Quem não tiver condições de pagar pelo seu próprio lançamento pode contar com o apoio da NASA através do “CubeSat Launch Initiative“ (CSLI), uma iniciativa que provê o lançamento gratuito de nano-satélites como carga secundária em missões previamente planejadas.

12 | Revista Polyteck | polyteck.com.br

O acesso à exploração espacial por todos foi a maior revolução dos CubeSats. Graças a eles, o espaço não é mais o domínio de grandes governos ou corporações; os 29 países que já lançaram nano-satélites incluem nações em desenvolvimento como Peru, Vietnã e Brasil, que teve o seu primeiro CubeSat, AESP 14, lançado em órbita pelo braço robótico japonês kibo a partir da Estação Espacial Internacional em fevereiro de 2015. Com uma especificação open-source e diversos players comercializando todos os seus componentes, construir um CubeSat passou a ser algo de criança, literalmente. Foi o caso dos alunos da Escola Municipal Tancredo Neves, de Ubatuba - SP, que com ajuda do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais construíram o UbatubaSat. Foi o grupo mais jovem do mundo a ingressar na área espacial.

Na época do primeiro lançamento, essas caixas de 10 cm3 concebidas nas universidades Stanford e Cal Poly eram vistas principalmente como uma ferramenta educativa. Além de uma plataforma de estudos, eram uma maneira efetiva de treinar cientistas espaciais, permitindo que estudantes universitários colocassem “Sputniks” no espaço. Embora a plataforma tenha sido desenvolvida para fins acadêmicos, a indústria aeroespacial tradicional vem assistindo a uma verdadeira revolução. Agora não se veem somente projetos de estudantes, mas nano-satélites implementados por agências espaciais, empresas privadas e por militares realizando ciência de ponta. Hoje, empresas inteiras oferecem serviços comerciais que vão desde observação da Terra até rastreamento de navios de carga utilizando CubeSats. Elas são parte do que é chamado de “New Space”: empresas privadas adentrando o setor espacial, financiadas em sua maioria por mecanismos de capital de risco. E as grandes agências têm uma papel fundamental nesta nova era do espaço: a NASA, por exemplo, disponibiliza gratuitamente centenas de patentes todos os anos através do seu programa de transferência de tecnologia.

a plataforma CubeSat Ao contrário dos satélites convencionais, os CubeSats não possuem propulsão e portanto ainda não são capazes de corrigir a sua órbita, embora algumas empresas e universidades já estejam testando técnicas de propulsão a íons ou vento solar. Em geral os CubeSats são lançados em órbita baixa, entre 250 km e 600 km de altitude, e a reentrada na atmosfera acontece depois de semanas ou meses dependendo da altitude de lançamento. Outro fator determinante na vida útil dos aparelhos é o fato de

que, em sua maioria, os CubeSats utilizam COTS (Comercial Off The Shelf), componentes eletrônicos de prateleira não resistentes à radiação.

Os principais componentes (BUS) de um CubeSat são: processador de bordo, painéis solares, baterias, transceivers de dados e telemetria, controle térmico, GPS, sensor de estrelas para navegação, unidade de medição inercial (IMU), controle de atitude para posicionamento e o instrumento objetivo da missão que

Estrutura (frame)

O instrumento e os diversos subsistemas devem estar dentro de uma estrutura (frame) que serve não só para proteger o satélite do ambiente agressivo do espaço, mas também como interface com o veículo lançador.

Um nano-satélite é composto por duas partes principais: a plataforma e o instrumento. O instrumento (câmera, repetidor, etc.) é definido pela missão do satélite, que pode variar desde observação da Terra e telecomunicações, até previsão do tempo e astrofísica; já a plataforma é constituída por vários subsistemas, cada um com uma função específica de controle do satélite.

Subsistema de alimentação

Os dispositivos eletrônicos a bordo do CubeSat necessitam de energia elétrica, por isso o satélite precisa de um subsistema de alimentação, que é responsável pela geração, armazenamento e distribuição de energia elétrica, obtida majoritariamente de pequenos painéis solares instalados no frame.

Subsistema de controle de atitude

CP8 (IPEX) - Crédito da Imagem: Cal Poly at San Luis Obispo

este carrega: uma câmera para missões de sensoriamento remoto, por exemplo.

Componentes como câmeras e antenas requerem uma orientação espacial específica, por isso um sistema é responsável pelo controle do posicionamento e atitude do satélite no espaço.

Subsistema de manipulação de dados

Subsistema de controle térmico

As condições que o satélite enfrenta em órbita são extremas: a temperatura no ambiente espacial pode variar entre -170 °C (durante eclipse) e +100 °C (em pleno sol). Por isso os CubeSats precisam de um sistema de controle térmico que assegure que a temperatura de cada equipamento a bordo opere dentro de seus limites.

Um subsistema responsável pela manipulação dos dados também é essencial, pois todos os sistemas do satélite, incluindo o instrumento da missão, devem ser controlados remotamente. O seu papel é receber comandos da estação de controle em terra e executá-los a bordo do satélite, assim como transmitir os dados da missão de volta para a Terra. Para isso são necessários alguns equipamentos de comunicação como transceivers e antenas.

CubeSats vs Satélites Convencionais

A principal desvantagem dos satélites convencionais é a baixa frequência com que eles passam sobre um mesmo ponto da Terra. Um exemplo claro são os satélites de sensoriamento remoto operados pelo Serviço Geológico dos Estados Unidos, USGS: com a Terra inteira para varrer com somente dois satélites em funcionamento, Landsat 7 e 8, uma frequência de 8 dias é o melhor que o sistema Landsat consegue realizar. Em comparação, algumas dezenas de CubeSats poderiam realizar uma tarefa semelhante e tirar fotos diárias de cada ponto da superfície terrestre. Imagens mais frequentes podem ajudar a medir a propagação de incêndios florestais e desmatamentos, ou a direcionar equipes de resgate para os locais mais afetados por enchentes e desastres ambientais, entre outros.

A Planet Labs, startup americana focada na construção e gerenciamento de CubeSats de sensoriamento remoto, já tenta explorar várias áreas de interesse comercial para os seus equipamentos. Na agricultura pode-se explorar a habilidade de monitorar a produtividade de plantações.

A indústria extrativista, como mineradoras, pode querer comprar imagens de CubeSats para provar aos órgãos reguladores que restauraram uma determinada área aos padrões exigidos. Uma outra aplicação seria no monitoramento do crescimento de estradas e casas, onde a startup pode auxiliar na identificação de áreas onde empresas de internet deveriam focar seus esforços.

Como o custo dos CubeSats é muito inferior ao dos satélites convencionais, os engenheiros podem testar novas funcionalidades e lançar os nano-satélites a ciclos iterativos muito mais agressivos. Se um CubeSat falhar, basta construir outro e colocá-lo em órbita no próximo lançamento agendado, em um processo que dura poucos meses. Essa rápida taxa de produção e lançamento está encorajando algo nunca antes visto na indústria espacial: a tomada de riscos. Isso contrasta com satélites tradicionais como o Landsat, que, caso apresente defeito após o lançamento, deixa poucas alternativas aos seus donos a não ser chorar pelos milhões (ou bilhões) de dólares perdidos, e aguardar alguns anos pela construção e lançamento de outro equipamento. A noção de observar a Terra através de uma constelação de pequenos satélites representa também um risco para empresas tradicionais do setor aeroespacial que constroem grandes e caros satélites para agências como a NASA. O Landsat 8, por exemplo, lançado em 2013, foi construído pela Orbital Sciences a um custo total de 855 milhões de dólares.

Mas os CubeSats não levam vantagem em tudo: alguns nano-satélites de sensoriamento remoto já apresentam resolução na faixa de 3 a 5 metros (melhor do que os 15 metros de resolução do Landsat 8), mas mesmo assim perdem para outros serviços de imageamento da Terra que possuem resolução inferior a um metro. Outra diferença é que os Cubesats em órbita ainda levam câmeras capazes de observar a Terra somente nas três bandas básicas de cor (RGB), enquanto satélites maiores podem obter imagens em centenas de bandas espectrais e ainda possuem um sistema de herança que garante que as imagens estejam

14 | Revista Polyteck | polyteck.com.br

precisamente calibradas de uma missão para a próxima.

Certamente os Cubesats não vão seduzir as agências de espionagem com suas imagens em relativa baixa resolução, mas os intervalos frequentes com que as imagens são obtidas podem ser muito úteis para monitorar desflorestamento, desenvolvimento urbano e mudanças em rios.

Alguns cientistas acreditam até que os Cubesats podem desempenhar papéis em missões fora da órbita da Terra. A NASA, por exemplo, começou a trabalhar no Mars Cube One, um projeto de CubeSats gêmeos de 6U que vão pegar uma carona para Marte junto com a InSight, uma sonda que irá pousar em solo marciano para investigação sísmica e geodésica, e ajudar a enviar seus dados de volta para a Terra. A missão deveria aproveitar a janela de lançamento de março de 2016, mas foi suspensa no final do ano passado, pois a InSight ainda não estava pronta. Espera-se também que, em breve, CubeSats equipados com velas solares - finas folhas refletoras que utilizam a luz do Sol para propulsão - ou propulsão a íons, possam viajar para a Lua ou asteroides próximos da Terra.

Previsão do tempo

Dados de infravermelho e micro-ondas são constantemente coletados por satélites meteorológicos que orbitam a Terra. Porém as sondas infravermelho não conseguem “ver” através das nuvens e a umidade interfere no sinal que seria recebido pelos sensores micro-ondas, o que acaba acrescentando incertezas às predições do caminho e intensidade das tempestades.

Justamente aí que os CubeSats podem tirar vantagem de uma das técnicas de sensoriamento remoto mais promissoras dos últimos 20 anos: a rádio-ocultação de GPS. Dezenas de satélites de GPS circulam a Terra em órbita média, emitindo sinais de rádio que são constantemente utilizados para localizar tudo, de telefones celulares a aeronaves não tripuladas. Quando esse sinal de rádio atravessa a atmosfera terrestre, ele se curva levemente, como a luz refratando em uma piscina. Um satélite em baixa órbita pode capturar esses sinais que atravessaram a atmosfera e calcular, a partir do tempo de viagem desde o satélite emissor, qual foi a refração sofrida pela onda. Este índice de refração calculado pode ser utilizado para traçar um perfil da atmosfera ao inferir características como temperatura, pressão e umidade em diferentes altitudes. Esse perfil atmosférico é similar ao coletado pelos balões meteorológicos, mas estes são lançados principalmente em terra e no hemisfério norte. As rádio-ocultações GPS ocorrem a todo momento e estão distribuídas igualmente ao redor do globo.

Até agora estes dados de rádio-ocultação GPS têm vindo de satélites governamentais, mas as startups já estão enxergando uma oportunidade: uma constelação de nano-satélites poderia medir milhares desses perfis atmosféricos a cada dia. Uma constelação de 12 nano-satélites seria capaz de coletar cerca de 34 mil perfis atmosféricos por dia.

A ideia das startups é licenciar estes dados para as principais agências de previsão do tempo do mundo, que poderão então incorporá-los aos seus modelos meteorológicos para aumentar a acurácia e reduzir os erros de previsão.

Ciência de Ponta

Com avanço da eletrônica miniaturizada, capaz de processar cada vez mais dados, e o refinamento dos instrumentos utilizados nos satélites, agências como NASA e ESA, assim como empresas privadas, já estudam missões complexas utilizando CubeSats. Em janeiro de 2015, a ExoCube lançou o primeiro nano-satélite com um espectrômetro de massa desenhado para medir a composição da exosfera e ionosfera. Em março do mesmo ano, um CubeSat que carrega um radiômetro de micro-ondas - instrumento que pode mapear a estrutura térmica 3D das tempestades ou a presença de gelo no oceano e é tipicamente encontrado nos satélites meteorológicos de bilhões de dólares - foi lançado a partir da Estação Espacial Internacional.

Outro avanço expressivo em sensoriamento remoto foi a concepção de sensores hiperespectrais: uma tecnologia capaz de revelar detalhes sobre as propriedades físico-químicas dos materiais presentes na imagem captada pelo sensor, incluindo a sua composição bioquímica. A startup americana Hypercubes, fundada pelo brasileiro Fabio Teixeira e seu sócio Brian Lim, da Austrália, é um exemplo de ciência de ponta realizada com CubeSats. A empresa está desenvolvendo uma constelação de satélites equipados sensores hiperespectrais capazes de capturar imagens em centenas de diferentes bandas do espectro, trabalho que há alguns anos só seria realizado por um satélite de centenas de quilos com custo estratosférico. São diversas as indústrias que podem se beneficiar de nano-satélites equipados com sensores hiperespectrais: agricultura de precisão, exploração de minérios, monitoramento de linhas de gás e óleo, mapeamento de vegetação e rastreamento de gases poluentes estão entre as mais promissoras.

Recentemente, a Hypercubes, em parceria com a International Space University e Ohio University, conduziu experimentos com sensores hiperespectrais a bordo de um avião bi-motor rastreando vazamentos de metano no estado americano de Ohio provenientes de atividades de fracking - técnica não-convencional de extração de gás que consiste na perfuração de um poço vertical de centenas de metros seguido pela injeção de grandes quantidades de água, areia e aditivos químicos sob alta pressão que fraturam a rocha, liberando o gás natural. A equipe da startup afirma

Se uma imagem fala por mil palavras, então um hiperespectro é uma enciclopédia em um pixel Os sensores de imagem CCD tradicionais detectam as cores majoritariamente em três bandas do espectro eletromagnético visível (vermelho, verde e azul).

Um sensor hiperespectral é capaz de dividir o espectro em muito mais bandas e pode se estender para além do visível, detectando comprimentos de onda superiores a 700 nm (infravermelho) e menores do que 400 nm (ultravioleta). Com imageamento hiperespectral é possível coletar e processar o espectro de cada pixel de uma imagem com uma fina resolução de comprimento de onda.

O resultado final é a extração da assinatura espectral da cena ou objeto observado. Como cada material possui um espectro eletromagnético característico (absorve alguns comprimentos de onda e reflete outros), é possível determinar a composição química de cada pixel ao cruzar os dados de imageamento hiperespectral com uma biblioteca de assinaturas espectrais.

Um cubo de imagem hiperespectral é construído conforme um objeto passa na frente do sensor. Ele é uma imagem tridimensional composta por dados espaciais (coordenadas x e y) e dados espectrais (criados por uma grade de difração que dispersa os comprimentos de onda da luz). O alto número de bandas espectrais muito finas resulta em uma curva espectral contínua para cada pixel. Crédito da imagem: Virtual Outcrop Geology

Hypercube One, projeto do primeiro satélite da Hypercubes apresentado no NASA Ames Research Park em dezembro de 2015. A startup pretende realizar o imageamento hiperespectral de plantações com CubeSats. Crédito da imagem: Hypercubes.

polyteck.com.br | Revista Polyteck | 15

que o monitoramento hiperespectral dos efeitos atmosféricos das atividades de fracking a partir de nano-satélites pode fornecer dados sistemáticos, atualmente escassos, acerca dos seus efeitos sobre o meio ambiente e auxiliar na tomada de decisões sobre as vantagens e desvantagens do processo de fraturamento hidráulico.

Agricultura 2.0

Estima-se que população mundial deva atingir a casa de 9,6 bilhões de pessoas até 2050. Para alimentar toda essa gente, precisaremos produzir mais alimentos nas próximas décadas do que tudo o que já foi produzido nos últimos 10 mil anos. Além desse desafio quantitativo, deveremos ainda levar em conta o impacto ambiental dessa agricultura intensiva. De acordo com o Global Resources Institute, a agricultura contribui com cerca de um quarto das emissões de gases de efeito estufa global, usa 37% das terras do planeta (desconsiderando a Antártica), e é responsável por 70% de toda a água doce que utilizamos.

Uma coisa parece certa neste cenário: não poderemos mais produzir alimentos da mesma forma como produzimos hoje.

O primeiro passo para uma cadeia produtiva mais eficiente é a disponibilidade de informação. Afinal, não podemos melhorar o que não podemos medir. A startup Hypercubes pretende colocar CubeSats em órbita para realizar o imageamento hiperespectral de plantações. A ideia é obter informações quantitativas sobre o grau de fertilidade do solo e nível de saturação de água, detectar doenças muito antes dos olhos humanos e até mesmo caracterizar os nutrientes presentes nas folhas das plantas.

A agricultura levada ao estado da arte.

Estágio de Verão

No verão de 2015, a Capitol Technology University recebeu 19 estudantes brasileiros do Ciência sem Fronteiras para um programa especial focado em CubeSats. Através dos esforços de Marco Figueiredo e Antônio Duarte, o programa teve a sua primeira edição e reuniu estudantes de todas as engenharias e diversas universidades brasileiras. A faculdade de Laurel fica a 10 minutos do primeiro centro de pesquisa da NASA: o Goddard Space Flight Center e tem um contrato de parceria estabelecida com o laboratório.

Diversos engenheiros, cientistas e professores agraciaram os alunos com palestras relacionadas a área de Engenharia Aeroespacial e Satélites Espaciais.

Durante a primeira parte do curso, os alunos tiveram o primeiro contato com a tecnologia e receberam instruções em assuntos variados, passando por mecânica orbital até o hardware específico do CubeSat. Com grupos de trabalho estabelecidos e coordenação do Dr. Sandy Antunes, os alunos decidiram a missão para cada equipe e simularam planos de teste para os nano satélites. A maioria dos projetos de CubeSats utiliza versões adaptadas do Arduino mas para esse programa em específico, o computador usado pelos alunos no simulador foi o Raspberry Pi 2. Com baixo custo e grande versatilidade, o pequeno computador oferece grande capacidade de processamento a um custo de U$35 e foi apelidado de “PiCube”.

Na segunda parte do programa, os estudantes tiveram liberdade para continuar suas pesquisas em projetos independentes. A idéia inicial era inovar e a partir de softwares já existentes, criar novas funcionalidades para auxiliar projetos futuros de CubeSats. Com a supervisão do Dr. Pat Stakem (engenheiro com mais de 40 anos de NASA), os estudantes Gabriel Augusto Gomes e Guilherme Korol tiveram a oportunidade de trabalhar em novas funções para uma implementação do PiCube Control Center. Com o título de LightWeight Open Source Command and Control Center for CubeSats, o trabalho foi publicado no workshop FSW 2015, em outubro de 2015, na Johns Hopkins University.

Mais do que uma plataforma educativa, os Cubesats tornaram-se uma realidade comercial que provém serviços para mais variadas indústrias. Seu baixo custo de construção e lançamento permite a criação de missões de constelação, que oferecem inúmeras vantagens sobre missões monolíticas. Avanços em comunicação, laser, óptica, impressão 3D, propulsão a íons e painéis solares podem tornar esta plataforma o futuro da exploração espacial. Enquanto grandes agências como a NASA buscam promover o avanço de nano-satélites através de iniciativas como CubeQuest Challenge, nós gostaríamos de ver o Brasil lançando muitos outros CubeSats e utilizando-os para formar novos engenheiros espaciais e realizar ciência de ponta.

16 | Revista Polyteck | polyteck.com.br

Referências • Eric Hand, "CubeSats promise to fill weather data gap", Science 350, 6266, (2015) • Eric Hand, "Startup liftoff", Science 348, 6231 (2015) • David Bannon, "Hyperspectral imaging: Cubes and slices", Nature Photonics 3 (2009) • "Tracking fracking : monitoring atmospheric effects of hydraulic fracturing using remote sensing", ISU Team Project reports, International Space University (2015) •

Hypercubes

•

UbatubaSat - http://www.ubatubasat.com/

• NASA Technology Transfer - http:// technology.nasa.gov/ • NASA CubeSat Launch Initiative http://www.nasa.gov/directorates/heo/home/ CubeSats_initiative

Fabio Teixeira

é co-fundador e CTO da Hypercubes.

Formado em analise e desenvolvimento de sistemas pela FIAP foi o primeiro indivíduo no mundo a conquistar uma bolsa integral para cursar o prestigiado programa da Singularity University, situada no campus de pesquisa da NASA na Califórnia. Sua teoria de tele transporte do efeito fotoelétrico para transmissão de energia solar do espaço lhe rendeu mais uma bolsa, desta vez para estudar na International Space University. Fábio também criou e fundou a Boozebox, uma máquina de preparo automático de drinks.

Gabriel Gomes

estuda Análise e Desenvolvimento de Sistemas na FATEC e foi bolsista do Governo Brasileiro na University of Colorado.

Participou de um estágio de verão em uma parceria da NASA com foco em inovação para CubeSats. Antes do intercâmbio, trabalhou com mobile apps em uma startup de tecnologia. Gabriel também é colaborador do Localização sem Fronteiras, plataforma online para reunir brasileiros vivendo no exterior.

André Sionek é cofundador e CEO da Revista Polyteck. Cursou graduação sanduíche na University of Pennsylvania, nos EUA, pelo programa Ciência Sem Fronteiras.

O futuro do

processamento da informação quântica Por Raisa Jakubiak

T

alvez os autores de ficção científica do passado tenham errado em algumas previsões, como carros voadores e colônias em todo o Sistema Solar. No entanto, se falássemos para um pesquisador dos anos 50 que em 2016 as pessoas poderiam carregar dezenas de gigabytes de informação no bolso, ele certamente riria. O IBM 500, o primeiro hard drive, foi lançado em 1956 e tinha aproximadamente o tamanho de um guarda-roupas, com uma capacidade de armazenamento de 3,74 MB. Em 1980, a IBM lançou o primeiro HD com capacidade na ordem de gigabytes. Apesar da aparência de motor de carro, na época era o HD mais poderoso do mundo, com capacidade de armazenamento de 2,52 GB. A verdade é que a tecnologia para armazenamento e processamento de informação cresceu de forma assustadora nos últimos 30 anos.

Num mundo sobrecarregado com crescentes quantidades de dados, encontrar novas maneiras de armazenar e processar informação é obrigatório. O rápido desenvolvimento veio graças à eletrônica baseada em silício, com a construção do primeiro transistor em 1947. Os dispositivos foram ficando cada vez menores, e estamos chegando perto de camadas de apenas um átomo. Segundo a Lei

de Moore, que é a observação de que o número de transistores em um circuito integrado dobra aproximadamente a cada dois anos, há um limite para até quando isso pode acontecer - e o limite físico um dos fatores predominantes.

Quando as dimensões dos dispositivos são muito pequenas, problemas como leakage (perda gradual de energia com o tempo) e limitações nos materiais para o gate e canal começam a aparecer.

Outro conjunto de efeitos que gera problema é o de caráter quântico, como o tunelamento. Apesar disso, analisar estes fenômenos pode trazer novas alternativas para armazenamento e processamento no futuro.

Informação quântica

Em dispositivos convencionais a informação é armazenada e manipulada de maneira binária. Os componentes elementares destes dispositivos, os bits, têm dois estados, cada um codificando 0 ou 1. Para ir além do sistema binário, é possível explorar as leis da mecânica quântica. Um objeto com dois níveis de energia à sua disposição não só pode ocupar qualquer um dos dois níveis, mas também uma combinação arbitrária dos dois – chamada de superposição. Isso resulta em uma infinidade de estados quânticos que um único bit quântico, ou qubit, pode assumir. Junto com outra propriedade esquisita da mecânica quântica, o emaranhamento, é possível construir uma plataforma de informação muito mais poderosa do que com componentes convencionais.

O processamento da informação quântica (QIP, de Quantum Information Processing), usa os qubits como unidades básicas de informação, e pode ser aplicado em simulações, em criptografia e na computação quântica – que se espera ser uma solução para

polyteck.com.br | Revista Polyteck | 17

problemas complexos que os dispositivos convencionais não são capazes de resolver. Para ser útil para QIP, um qubit precisa estar isolado do ambiente e ser totalmente controlável, o que impõe protocolos bem restritos ao ambiente físico da sua realização. Mas este é só o início do problema: para construir um computador quântico, é preciso conhecer arquiteturas viáveis e parâmetros para correção de erros que possam ser realizados paralelamente à computação, assim como algoritmos eficazes para a solução de problemas. Este é um grande desafio tanto teórico como experimental, mas alguns avanços significativos já vêm sendo observados na área.

Alguns tipos de qubit que satisfazem pelo menos algumas condições necessárias já foram sugeridos e testados experimentalmente, inclusive no que diz respeito ao tempo de coerência – que é a correlação entre as fases medidas em diversos pontos de uma onda, ou seja, se houver diferença de fase, o bit não é considerado útil.

“O futuro da QIP promete ser brilhante, apesar dos grandes desafios que vêm pela frente. Como um bônus, esses desafios também irão trazer avanços na pesquisa básica”, afirma Elia Strambini, pesquisador do Instituto MESA+ de Nanotecnologia, na Universidade de Twente, Holanda. E já está trazendo: uma nova propriedade pode ajudar a compreender a geometria ideal de circuitos para computação quântica.

Os cientistas do instituto MESA+ descobriram uma nova propriedade fundamental de correntes elétricas em circuitos muito pequenos.

Eles demonstraram como os elétrons podem se espalhar em forma de ondas por um circuito e causar interferência onde não há passagem de corrente elétrica.

A interferência - que ocorre quando ondas se propagando interagem de maneira coerente - do som ou da luz é bem conhecida. No entanto, portadores de carga como elétrons também podem sofrer interferência, assim como notado na experiência da fenda dupla de Young: a natureza ondulatória faz com que a luz que passa pelas duas fendas interfira, produzindo bandas claras e escuras na tela.

Representação esquemática do experimento de interferência não localizada de elétrons. Quando uma corrente contínua e um campo magnético variável são aplicados, é possível detectar interferência eletrônica do outro lado do anel, mesmo que nenhuma corrente esteja passando por lá.

que o anel, o efeito foi bem pronunciado.

Este efeito é fruto da não localidade, uma propriedade fundamental da mecânica quântica – e um dos pilares da diferenciação entre ela e a mecânica clássica. Ela é o fenômeno pelo qual medidas feitas a nível microscópico contradizem a noção que temos como verdadeiras na mecânica clássica. É conhecido que a interferência quântica é afetada pela decoerência (que pode ser vista como a perda de informação do sistema para o ambiente) e pela realização de uma medida de caminho, que destrói o padrão de interferência.

Com isso a equipe cita, no seu trabalho publicado no periódico publicado pela Nature Scientific Reports, a importância da geometria do circuito na hora de desenvolver o sistema de detecção que preserve a não-localidade (ou seja, não interferindo nas medidas): “Com nossas medidas e modelo teórico, nós mostramos que esse mecanismo é uma propriedade intrínseca da dinâmica quântica.

Compreender os vínculos geométricos da não localidade é algo crucial ao projetar redes quânticas para processamento da informação quântica”, afirmam os pesquisadores no artigo. Desta maneira, mais um passo é dado no árduo caminho em direção à compreensão dos mecanismos para a construção do primeiro computador quântico.

O anel de ouro

O que os pesquisadores fizeram foi demonstrar a interferência entre elétrons em um anel de ouro com diâmetro de 500 nm. Um nanofio por onde era possível passar corrente elétrica foi conectado a um lado do anel. No outro lado, o anel foi conectado a outro nanofio, acoplado a um voltímetro. Quando uma corrente contínua e um campo magnético variável foram aplicados, foi possível detectar interferência eletrônica do outro lado do anel, mesmo que nenhuma corrente estivesse passando pelo outro lado. Isso mostra que as ondas podem “vazar” pelo anel e mudar as propriedades em todo o resto do circuito – algo que não seria esperado em um circuito clássico. Apesar de o anel de ouro ser difuso, ou seja, o caminho livre médio eletrônico é menor do

Revista Polyteck - Edição 15 | Fevereiro / Março 2016 Distribuição gratuita em mais de 80 universidades de todo o Brasil.

Diretor Executivo: André Sionek Diretora de Redação: Raisa Requi Jakubiak Diretor Comercial: Fábio A. S. Rahal Revisão: Rudolf Eckelberg Imagens: Shutterstock; Capa: NASA (ISS038-E-003870) Impressão: Gráfica Capital

Para saber mais • Jelena Stajic, "The Future of Quantum Information Processing", Science 339, 6124 (2013) • E. Strambini, K. S. Makarenko, G. Abulizi, M. P. de Jong & W. G. van der Wiel, "Geometric reduction of dynamical nonlocality in nanoscale quantum circuits", Scientific Reports 6, 18827 (2016) • "Researchers discover new fundamental quantum mechanical property", Phys.org, 06/01/2016

RECEBA EM CASA! DHN8RG ACESSE: polyteck.com.br/loja/assinatura/ e utilize o cupom acima para garantir o desconto. *Válido até 15/04/2016 - Promoção não cumulativa

Patrocínio Editora Polyteck Ltda - ME 41 3011-6080 / 9269-4372 / 9622-3369

Este trabalho é licenciado sob Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License. Os pontos de vista expressos nos artigos não refletem necessariamente a posição da Editora Polyteck.

REALIZE SEU DOUTORADO EM UMA UNIVERSIDADE DA AUSTRÁLIA! A Latino Australia Education é representante oficial de todas as universidades australianas no Brasil.

Oferecemos assessoria gratuita durante todo o processo de candidatura para o seu curso.

Aqui você encontrará informações atualizadas sobre instituições classificadas entre as melhores do mundo e ainda terá suporte na busca do orientador ou supervisor para realização da sua pesquisa acadêmica.

Converse conosco e conheça todos os serviços que oferecemos para você realizar seu projeto de estudos no exterior.

phd.latinoaustralia.com.br

MULTIFÍSICA PARA TODOS A evolução das ferramentas computacionais para simulação numérica de sistemas físicos atingiu um marco importante.

Agora, especialistas em simulação multifísica estão usando o Application Builder no COMSOL Multiphysics® para desenvolver seus aplicativos customizados.

COMSOL MULTIPHYSICS ®

APPLICATION BUILDER

APPLICATION

Com uma instalação local do COMSOL Server™, os aplicativos podem ser distribuídos para toda a organização e acessados em todo o mundo.

Faça com que sua empresa se beneficie do poder da simulação multifísica.

br.comsol.com/application-builder

© Copyright 2016 COMSOL. COMSOL, COMSOL Multiphysics, Capture the Concept, COMSOL Desktop, COMSOL Server, LiveLink, and Simulation for Everyone are either registered trademarks or trademarks of COMSOL AB. All other trademarks are the property of their respective owners, and COMSOL AB and its subsidiaries and products are not affiliated with, endorsed by, sponsored by, or supported by those trademark owners. For a list of such trademark owners, see www.comsol.com/trademarks