Grafeno nº5 | dezembro 2022

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ANUNCIANTES

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Perkin Elmer 40 www.perkinelmer.com.br/

conteúdo | no 5 | dezembro 2022

Foto de capa Canva.

COLUNAS

Editorial 5

A superação do primeiro ano da Revista Grafeno por Marco Antonio Colosio Caros leitores, chegamos ao final de mais um ano marcado pelos mais importantes e diferentes acontecimentos, sejam eles nos campos tecnológico, político ou social.

Coluna 8

Grafeno e a nanotecnologia por Fernando Galembeck Ao longo da história humana, a descoberta ou invenção de novos materiais sempre levou à criação de novos produtos, até então inimagináveis.

Coluna 10

Quanta inovação precisamos para atendermos nossa percepção de que estamos em evolução? por Erwin Franieck Com o mundo exponencialmente em evolução, que confere aos nossos sentidos uma realidade fictícia, [...] muitas vezes enganamos nossos sentidos dos fenômenos reais que sempre foram a base de observação e construção da ciência.

Coluna 12

Grafeno, Nanotecnologia e Semicondutores hoje e amanhã - Parte 1 por Leandro Berti Caros leitores, nesta ocasião gostaria de apresentar a vocês o que vem acontecendo em termos de tecnologias e políticas públicas internacionais e nacionais

ARTIGOS

Importância dos novos materiais para tecnologias aplicadas ao Veículo Elétrico - VE 20 por Ricardo Takahira

Estamos percebendo um boom dos veículos elétricos, eu que atuo já a mais de 20 anos nesse segmento, percebo a presença cada vez mais forte, porém com algumas considerações.

Entrevista RoboFEI 27

por Marcelo Alexandre Tirelli

Entrevista concedida a Marcelo Alexandre Tirelli da Direção Técnica da Revista Grafeno por Plinio Thomaz Aquino Junior, Chefe do Departamento de Ciência da Computação no Centro Universitário FEI e Coordenador da Equipe RoboFEI.

Ferramentas de Engenharia a favor do Desenvolvimento, OPEX 31

por Eduardo Nunes

Os processos de melhoria contínua sempre acompanharam de maneira intrínseca a evolução do ser humano.

Uma nova Rota para a Produção de Filmes de Grafeno 34

por Mário Garcia

O pesquisador e professor Mário Garcia, especialista em tecnologia de Plasma Térmico está propondo uma nova rota para a produção de filmes de grafeno, onde carbono proveniente de hidrocarbonetos termicamente decompostos são depositados sobre uma superfície que fora modificada por implantação iônica com átomos de cobre.

Inmetro na Frente do Futuro do Grafeno no Brasil 36 por Joyce Araújo

Mirando na rede de ensaios em grafeno e visando a homologação de produtos industriais, a iniciativa surge como desdobramento do “Fórum Grafeno”, evento que ocorreu no Inmetro no primeiro semestre de 2022, com o objetivo de ser um espaço aberto pela presidência do órgão para que as empresas do setor trouxessem suas questões mais urgentes na temática da padronização e certificação de produtos que utilizam grafeno e podem vir a ser aplicados à diferentes setores industriais.

A superação do primeiro ano da Revista Grafeno

Caros leitores, chegamos ao final de mais um ano marcado pelos mais importantes e diferentes acontecimentos, sejam eles nos campos tecnológico, político ou social. Próximo ao final de 2022, nossa sociedade se despede deste ano com um ar de vitória ao superar diversos desafios, a começar pela mais dura pandemia presenciada nos dias modernos e acima de tudo, em tempos de superação, aprendemos a lidar com todas dificuldades e diversidades em nosso meio.

Nesta quinta edição, gostaria de explicar os nossos planos e metas e mostrar como temos trilhado o futuro da revista Grafeno e começo dizendo que já passamos pelo maior desafio em concluir o primeiro ano de existência, até a finalização deste material presente, a quinta triagem. Esta edição deve encerrar o ano com um ar de continuidade e esperança de crescimento, mantendo-se na nossa missão de estar presente em um público amplo e atuante. Nossas matérias têm um propósito diversificado para atingir a sociedade por completo, ou seja, sempre trazendo iniciativas dos nossos estudantes que brilham nas atividades estudantis, o potencial das ICTs (institutos de Ciência e Tecnologia) que atuam na área de materiais e nanotecnologia, a discussão dos principais acontecimentos do setor de eletrificação, industrial e meio ambiente e ainda trazendo material técnico da área de grafeno. Interessante olhar esta junção estratégicas de diferentes grupos, como estudantes e professores, meios tecnológicos, industrial e a comunidade do grafeno para responder à pergunta do sucesso da revista e cravar com a certeza que estamos mantendo o plano originalmente idealizado para nosso país e sociedade. Esta junção de diferentes temas é o que mais tem diferenciado o objetivo da revista com os outros materiais técnicos disponíveis no meio, porque acredito que, pelo fato da área de grafeno ser nova e ainda estar em fase de crescimento e consolidação, justifico que a forma de atuação da revista crescerá paralelamente a este público saindo do embrionário para sua consolidação.

Nesta edição, em um artigo dedicado, fizemos uma apresentação da nossa proposta da revista grafeno para o próximo ano, a qual estamos chamando de Revista Grafeno de Cara Nova, sendo mais um passo para um futuro na busca do sucesso. Neste sentido, a comissão da revista reuniu-se no editorial para relatar sua visão e estratégias e lançar um sonho mais audacioso que deve consolidar com a continuidade da revista para os próximos anos; leiam este material mais à frente nas próximas páginas. Como um spoiler desses relatos, já adianto que só se vence se tivermos estratégias claras e eficientes e a separação das edições da revista em quatro grandes áreas será mais um dos planos para consolidar uma forma mais agressiva de atuação dos nossos conteúdos técnicos, onde orientamos nossos colunistas e apresentadores no objetivo focado para cada uma das quatros edições de 2023.

Encerro esta edição relatando que ainda em paralelo a revista Grafeno, pretendo continuar atuando em iniciativas de grande relevâncias ao nosso meio, como por exemplo, uma recente atividade iniciada pelo Inmetro para acompanhar e estruturar os procedimentos e a credibilidade do universo de testes de produtos de e com grafeno em nosso país, por isso estou assumindo como um dos coordenadores deste programa juntamente com a equipe da entidade, a qual pretendo expor nas próximas edições o status das atividades e sua divulgação em nosso meio. Certamente, acredito que as diferentes ferramentas que temos atualmente para atuar nesta área nos conduzirá ao êxito na formação e consolidação do mercado de grafeno brasileiro. Aproveitem nesta edição o material estudantil da FEI, o relato do vasto campo de eletrificação brasileira, atividades na área de grafeno e os depoimentos de nossos colunistas que são influenciadores neste meio. Muito obrigado e acreditem e apoiem nossa missão para o próximo ano e também estejam próximos ao nosso grupo, onde todos terão oportunidades de contribuir e participar deste produto, um até logo e curtam com suas famílias este belo final é emocionante ano.

Um grande Abraço e até breve!

Mentor do Núcleo Grafeno da SAE BRASIL. Diretor da Regional São Paulo da SAE BRASIL. Engenheiro Metalurgista e Doutor em Materiais pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares-USP, pós-doutorado pela EESC-USP. Professor titular do curso de Engenharia de Materiais da Fundação Santo André e professor da pós-graduação em Engenharia Automotiva do Instituto de Tecnologia Mauá. Colaborador associado da SAE BRASIL com mais de 35 anos de experiência no setor automotivo nos campos de especificações de materiais, análise de falhas, P&D e inovações tecnológicas.

Marco Antonio Colosio marcocolosio@gmail.com

A Revista Grafeno de cara nova

ARevista Grafeno tem marcado presença na comunidade industrial e científica brasileira, neste primeiro ano tivemos grandes desafios para viabilização das edições e superamos os obstáculos a caminho de um futuro promissor.

O foco deste importante material está na criação de uma ferramenta que seja referência neste segmento e centralize materiais de uso coletivo e que possa ser bibliografias para consultas e aprendizados. Diante de uma tal importância em inovação, para o segundo ano de aniversário das edições, especificamente em 2023, estamos lançando a Revista Grafeno de Cara Nova, onde a equipe de editores, coordenadores e colaboradores focarão em quatro segmentos tecnológicos, ou seja:

1) Industrial (edição de março/abril)

2) Mobilidade (edição de junho/julho)

3) Biotecnologia (edição de setembro/outubro)

4) Meio ambiente (edição de novembro/dezembro)

A missão idealizada pela equipe propõe que, das quatros edições planejadas para 2023, cada uma foque nesses temas específicos, coletando materiais e interessados nos seus respectivos segmentos em adicional aos temas do dia-a-dia do universo grafeno.

A Revista Grafeno é uma iniciativa do Grupo Aprenda em parceria com a SAE BRASIL a serviço da nossa comunidade Brasileira, onde uma equipe de entusiastas trabalha na elaboração deste propósito. Neste sentido, cada colaborador direto forneceu seu próprio depoimento sobre a motivação ao assunto. O prof. Dr. Marco A. Colosio, editor responsável e articulador das entidades associadas relata em suas palavras a importância desta iniciava

“Nunca estivemos tão motivados para contribuir para um segmento que deve ser um dos nossos principais produtos brasileiros em um futuro próximo e sabemos que a cada pequena iniciativa realizada hoje resultará em grandes passos no futuro do grafeno brasileiro”.

Está claro em suas palavras que o time está caminhando para a criação de um futuro consolidado do grafeno e quando o professor Colosio se associou como coeditor, o pesquisador e empresário Dr. Leandro Berti, importante articulador tecnológico com experiência nacional e marcante na atuação, até meados 2019, na direção da pasta de nanotecnologia do Ministério de Ciências, Tecnologias e Inovações – MCTI; entre seus feitos, um de grande valor foi a introdução do campo de nanotecnologia no escopo do Rota 2030, sem esquecer que os

quatro primeiros projetos do grafeno fomentado pelo Cap. III do Rota 2030 foi de sua articulação, união de entidades e participantes, resultando ao convite formal para a Dra. Lucimara Stolz Roman professora da UFPR para assumir a coordenação geral do projeto. Considerado um entusiasta na área, o Dr. Berti relatou sua visão empreendedora e motivação como um profundo conhecedor do ramo de nanotecnologia.

“A Nanotecnologia é de fato uma das maiores descobertas do século, ela impulsiona e viabiliza tecnologias que estão na base na sociedade moderna que vai desde os semicondutores que dão suporte a todo o desenvolvimento acelerado das Tecnologias de Informação e Comunicações (TICs) até mesmo os cosméticos e fármacos de hoje. Um dos adventos da Nanotecnologia, é o Grafeno, um novo nanomaterial com potencial transformador que pode ser aplicado em tintas, revestimentos, polímeros diversos, sensores, wearables, têxtil, agronegócio, semicondutores e até em tecnologia de computação quântica. Esta descoberta, proporciona à sociedade ganhos inestimáveis nos permitindo desbravar novas oportunidades que trarão o pleno desenvolvimento nacional”

A união destes dois influenciadores do segmento de tecnologia brasileira, Prof. Colosio e Dr. Berti, apoiados pelo Grupo Aprenda em parceria com a SAE BRASIL, buscaram colaboradores relevantes no segmento tecnológico brasileiro como o prof. Dr. Marcelo Tirelli, experiente profissional da indústria e atuante na academia, autor do livro Segurança e Higiene do Trabalho e atual professor da FATEC e FASB, fascinado pelo campo de materiais, no qual já atuou em iniciativas tecnológicas com a Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, hoje é um peça chave na associação na visão acadêmica com a conexão ao setor industrial e alerta a sua importância, neste sentido, seu depoimento não poderia ser mais motivador:

“Richard Feynman, a exatos 63 anos atrás, em dezembro de 1959, em sua famosa palestra “There’s plenty of room at the bottom” (numa tradução livre: Há imenso espaço no fundo”) previu o futuro dos nanomateriais. Assim como em diversas aplicações da nanotecnologia, os compósitos à base de grafeno têm suscitado um enorme interesse científico devido as suas propriedades diferenciadas, como uma resistência 100 vezes maior que o aço e condutividade térmica e elétrica muito elevadas. Como previu Richard Feynman, há um imenso espaço lá no fundo e o grafeno faz parte desse universo”

Adicionando valor na formação deste grupo e pensando na conexão e inclusão das novas gerações de pesquisadores e pro-

fissionais do futuro, convidamos a profa. Camila Boldrini, doutoranda em ciências e a recém-formada Geisi Barreto, ambas da UFABC, nos têm feito aproximar as vozes das novas gerações com o nosso propósito. A profa. Camila tem uma atuação bem interessante do setor, e porque não dizer inovadora, vejam:

“Os materiais do futuro sempre me encantaram e são minhas motivações para seguir nos ramos acadêmicos, dentre este vasto universo, desperta o grafeno com um ar de mistério e nobreza, porque sei que ele será um grande ator com um papel importante em nosso país e tenho a convicção que estarei contribuindo para seu crescimento”

Geisi, revelação e representante da nova geração de pesquisadores, tem liderado desde 2021 como vice chairperson do simpósio de Grafeno da SAE BRASIL. Sua determinação forjada por um caráter inclusivo olha o planeta do futuro sendo mais amigável e saudável, em sua fala revela-se esta importante renovação:

“A fabricação sustentável do grafeno e sua aplicação na medicina e meio ambiente é, realmente, algo revolucionário. Ao passo que muitos sequer imaginam como suas vidas mudarão com a presença do grafeno, nosso foco é estar na vanguarda destas soluções tecnológicas, preparando as empresas e centros de pesquisas para identificarem e investirem em projetos com capacidade de servir aos interesses da sociedade 5.0.”

O sucesso do grafeno para alcançar no futuro vai muito além de nossos trabalhos, precisará ainda muito esforços para que o produto brasileiro atinja um lugar de destaque e uma moeda forte nos nossos negócios, por isto, sempre estaremos convidando todos aqueles que em adicional aos seus afazeres diários, sejam eles em seus trabalhos em empresas, institutos e academia ou ainda no convívio com suas famílias, dedicam-se um pequeno tempo a esta missão como uma ideologia social de empreendedorismo. A Revista Grafeno de Cara Nova será mais uma de nossas iniciativas e faremos o melhor para que esta chama não se apague e possa fazer parte dos nossos méritos.

Ao final, lembrando com carinho de nossos importantes colaboradores, um grande abraço e um muito obrigado pelas suas valiosas publicações, todas baseadas em fatos e direcionadas pelas suas opiniões, como as do Prof Dr. Fernando Galembeck, Dr. Erwin Karl Franieck, Prof. Dr. Diego Piazza, Me. Valdirene S. T. Peressinotto e a Me. Leila Teichmann.

Saudações da equipe da Revista Grafeno e sucesso em 2023

Grafeno e nanotecnologia

Ao longo da história humana, a descoberta ou invenção de novos materiais sempre levou à criação de novos produtos, até então inimagináveis. Por isso, a descoberta das excepcionais propriedades do grafeno excita a imaginação de empreendedores, engenheiros e cientistas, todos imbuídos do espírito dos navegadores e decididos a enfrentar os riscos do desconhecido.

A bússola, sextantes e outros instrumentos guiaram os navegadores através do oceano, onde o horizonte era sempre o mesmo, em todas as direções, dia após dia. Hoje, para conhecer o grafeno e explorar as oportunidades que ele oferece, somos guiados pelo atual estado do conhecimento sobre a matéria, dispomos de um arsenal de recursos experimentais e temos as ferramentas de análise e previsão da Inteligência Artificial.

Usando o que sabemos sobre átomos e moléculas, podemos entender por que o grafeno tem propriedades tão excepcionais. Ele é formado apenas por carbono, como o valioso diamante que é um símbolo de riqueza e como o carvão, um material comum e barato. Diamantes são caros e raros, sendo usados tecnologicamente devido a algumas propriedades que superam as de quaisquer outros materiais: a dureza e a condutividade térmica. São encontrados na Natureza, em lugares cuja história geológica expos massas de carbono a altas pressões e temperaturas. Mas as finíssimas lâminas de grafeno não são encontradas na Natureza separadas umas das outras. São encontradas na forma de grafite, que é formado pela superposição de milhares de lâminas de grafeno.

Figura 1. (esquerda) representação esquemática da esfoliação de grafite e da sua reorganização sobre uma superfície. (direita): Fotos de um baralho de cartas, sendo separado em montes menores e espalhado sobre uma superfície.

As diferenças entre grafeno e diamante resultam da maneira como os átomos de carbono se arranjam, em cada um deles. No diamante, cada átomo está ligado a quatro outros, em arranjos tetraédricos que se unem a outros tetraedros, em três dimensões. No grafeno, cada átomo de carbono está ligado a apenas três outros, formando arranjos planos hexagonais que se justapõem, formando lâminas finíssimas, com espessura inferior a um nanômetro. Por isso, o grafeno é um material bidimensional, enquanto o diamante é tridimensional.

A pequena espessura das lâminas de grafeno lhes dá uma grande área superficial: 1.300 metros quadrados por grama, o que é excepcional para um material não-poroso. Aqui surge um problema para quem quer produzir ou usar grafeno: a área superficial de qualquer pó sempre tende a diminuir espontaneamente, devido às forças de van der Waals responsáveis pela atração mútua das partículas. Portanto, mesmo que alguém consiga fabricar um pó formado por lâminas de grafeno, esse pó se transformará espontânea e rapidamente, ao ser armazenado. O produto dessa transformação é o grafite. Por isso, o grafite é um mineral abundante, mas não há relatos da existência de lâminas isoladas de grafeno, na Natureza. Além do mineral, também existe grafite sintético, fabricado com materiais ricos em carbono como o petróleo e o lixo de cozinha.

O abundante grafite tem propriedades interessantes que o tornam muito útil, mas não é excepcional como o grafeno. Por quê? As forças de van der Waals que unem as lâminas de grafeno, formando grafite, são muito menos intensas que as ligações covalentes entre os átomos de carbono formadores dos hexágonos das lâminas de grafeno. Por isso, a distância entre átomos de carbono em uma lâmina de grafeno é de 0.142 nm, mas entre duas lâminas vizinhas é de 0.335 nm. Essa distância permite a inserção de moléculas de gases entre as lâminas, aumentando a distância e contribuindo para que elas escorreguem facilmente umas sobre as outras. Por isso, usamos grafite como lubrificante, e um lápis B que contém muito grafite é mole, enquanto um lápis H é duro. Também íons de sódio e lítio se intercalam entre as lâminas no grafite, uma propriedade muito explorada nas baterias de lítio.

Outro fato que dificulta a exploração das excepcionais propriedades de grafeno, em grande escala, é a dimensão lateral das lâminas, que raramente atinge 1 cm. Portanto, é insuficiente para se produzir estruturas, cabos de suspensão e quaisquer produtos em que a resistência à tração ou flexão sejam importantes. Nesse caso seria necessário fundir ou sinterizar as lâminas produzindo lâminas muito mais longas, mas seu ponto de fusão é superior a 4 mil graus Celsius. As lâminas podem ser alongadas por sinterização que é usada na produção de componentes de máquinas, eletrodos e outros produtos para usos industriais. Esse material tem propriedades notáveis, mas ainda longe do que se espera para o grafeno.

Por estas razões, a pesquisa voltada para a melhoria das propriedades mecânicas de materiais tem se concentrado em compósitos, combinando grafite e grafeno a polímeros, metais, alumina e outros óxidos. Já surgiram resultados interessantes, como um aumento na ampacidade de cabos de cobre e aumentos de módulos de Young e de tensão máxima em vários materiais. Mas os resultados conseguidos são melhorias incrementais, sem quebrar paradigmas.

O caso de grafeno, grafite e diamante ilustra algumas ideias gerais sobre a matéria, respondendo a algumas perguntas. Por que

o grafite é abundante na Natureza, mas diamante e grafeno não são? A espontaneidade da transformação de grafeno em grafite já foi explicada nesta coluna. Quanto ao diamante, a Termodinâmica Química responde: a transformação de 12 gramas de diamante em grafite libera 2.900 quilojoules portanto é uma transformação espontânea. Pode demorar, mas os diamantes não são eternos. E por que o diamante, com uma rede de átomos mais densa que a do grafite é menos estável? A resposta vem das energias de ligação covalente entre os átomos de carbono: no diamante são quatro ligações simples por átomo, enquanto no grafite são só três ligações, mas de ordem 1,5. A soma das ordens de ligação no diamante é 4, no grafite é maior, 4,5. O grafite ainda tem um reforço adicional devido a uma propriedade chamada pelos químicos de aromaticidade, que não será discutida aqui.

As propriedades de uma substância podem mudar muito, quando esta se acha na forma de nanopartículas. Os efeitos da combinação de nanopartículas são explorados na Nanotecnologia, que já produziu resultados impressionantes na melhoria de muitos materiais metálicos, plásticos, cerâmicos, borrachas e semicondutores que fazem parte das nossas vidas. Grafeno é formado por nanopartículas e os seus produtos serão sempre materiais nano-estruturados. Por isso, o conhecimento acumulado em Nanotecnologia tem muito a contribuir, no desenvolvimento de aplicações do grafeno.

É bacharel, licenciado e doutor em Química pela USP onde começou sua carreira e chegou a livredocente em 1977, depois de pós-doutorados nas Universidades do Colorado e da Califórnia e de um estágio no Unilever Research Port Sunlight Laboratory. Mudou-se para a Unicamp em 1980, tornando-se professor titular em 1987. Dirigiu o Instituto de Química entre 1994 e 1998, foi Coordenador Geral da Universidade e se aposentou em 2011, assumindo a direção do Laboratório Nacional de Tecnologia, do CNPEM. Sempre manteve uma atividade ninterrupta e intensa de ensino de graduação e de orientação de estudantes, expressa em uma extensa produção científica e tecnológica que foi premiada em muitas ocasiões, no Brasil e Exterior, destacando-se os prêmios Álvaro Alberto em 2005 e o prêmio Anísio Teixeira de Educação, em 2011. Em 2020, recebeu o Prêmio CBMM de Tecnologia, a sua startup Galembetech recebeu prêmios da Abiquim e Abrafati e em 2021 foi premiado como Pesquisador Emérito do CNPq. Muitos dos seus estudantes destacaram-se profissionalmente, em universidades e empresas, no Brasil e no Exterior, sendo também premiados em muitas ocasiões.

Fernando Galembeck

Quanta inovação precisamos para atendermos nossa percepção de que estamos em evolução?

Com o mundo exponencialmente em evolução, que confere aos nossos sentidos uma realidade fictícia, nos colocando como se estivéssemos em jogos sofisticados, que chamamos de realidade aumentada, podemos trazer a ficção e a realidade tão próximos que muitas vezes enganamos nossos sentidos dos fenômenos reais que sempre foram a base de observação e construção da ciência.

Tivemos a grata surpresa de no congresso da SAE vivemos experiencias digitais, quer seja no painel sobre Meta-verso Industrial, quer seja na atividade do Jump Start que nos abrem caminhos novos em um vasto mundo novo, que pode ser explorado de forma quase que infinita.

Imagina que em um jogo no Metaverso, posso, ao passar por uma fase, optar por abrir uma porta que me leva dentro da Embraer por exemplo, e lá poderia viver um mundo que busca a realidade e aprendizados, permitindo que a Embraer nos conheça e nós a ela, transformando o jogo em uma oportunidade de treinamento e de abertura de oportunidade real nos aproximando do mundo desejado real através do mundo virtual dos jogos.

Como a ciência pode competir em atratividade com estas

oportunidades digitais fictícias?

Quanto tempo demora para desenvolver uma solução de um novo material? Quantos anos estamos debatendo o uso do Grafeno e buscando criar “na vida real” alternativas para que ele melhore a condução elétrica nos plásticos, que a lubrificação, a viscosidade dos óleos e os vazamentos sejam resolvidos, criando soluções mais leves e resistentes para que a realidade possa ser transformada e nos propicie experiências reais novas.

O despertar do interesse dos jovens, para entender a realidade e os fenômenos físicos que estão presentes no universo, está competindo com a realidade virtual, que pode ser modificada, independente dos fenômenos físicos comprovados cientificamente.

Quanto um sistema virtual que nos oferece oportunidades reais de emprego pode fugir do comportamento já conhecido fisicamente e levar-nos até as fronteiras no conhecimento humano?

A cada dia fica mais claro que precisamos ter legislações destes mundos virtuais, de forma a garantir que fosse informado ao usuário, que está passando por aquela experiência, o quanto ela é baseada em contexto que segue os fenômenos e materiais reais já conhecidos e na medida que ele escolha, possa ser transportado para um mundo distante dos fenômenos naturais já conhecidos, sabendo que ele está se afastando da ciência e entrando no campo da ficção.

Separar claramente o que é ficção do que poderia ser realidade e assim levar a todos nós, inclusive nossa juventude para os limites da ciência conhecida e criar os questionamentos que irão desafiar a criatividade humana e suas competências sociais em se unirem para desenvolverem soluções reais, ampliando as fronteiras do conhecimento humano.

Erwin Franieck franieck@unicamp.br 019 982051122

Engenheiro Mecânico de Projetos pela UNICAMP, professor e chefe do Colégio Técnico da UNICAMP, atuou por 35 nos na Bosch em Campinas, onde se aposentou como diretor de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação.

GRAFENO, NANOTECNOLOGIA E SEMICONDUTORES HOJE E AMANHÃ

– PARTE

1

Caros leitores, nesta ocasião gostaria de apresentar a vocês o que vem acontecendo em termos de tecnologias e políticas públicas internacionais e nacionais, que reforçam o compromisso dos países em manter sua soberania em tecnologias críticas como os semicondutores. Recentemente, e devido a disrupção na cadeia produtiva causada inicialmente pela pandeia, depois com a guerra da Ucrânia e Rússia, e agora com esta instabilidade geopolítica, os semicondutores praticamente sumiram do mercado. O problema de hoje é que praticamente tudo no mundo depende de semicondutores. Em especial, um dos setores noticiados que mais sentiu essa falta foi o automotivo e eletrônicos (Figura 1), que foi forçado a cortar a produção em um total de 19,6 milhões de veículos entre 2021 e 2023. Isso já causou uma perda de US$ 210 bilhões em 2021 e aumentou o lead time de 3 a 4 meses para 10 a 12 meses1. Segundo a J.P. Morgam, pelo cenário atual essa falta de semicondutores deve se estender até 20242. Esse problema foi causado pela forma como

a cadeia de valor global foi estabelecida e sua dependência intrínseca em silício (Si), germânio (Ge) e arseneto de gálio (GaAs). O mundo antes da pandemia, produzia 8.000 MT de silício e a China é de longe o maior produtor dessas matérias primas, em especial o silício, com produção de 6.000 MT em 2021, seguido da Rússia com 580 MT e o Brasil com 390 MT, ou seja, a China detém ao menos 70% da produção global. A China vem enfrentando diversos problemas trabalhistas em suas minas de silício, e recentemente os Estados Unidos começou a não aceitar mais o silício produzido na China.

A raiz do problema começa na falta do matéria-prima base para se produzir os semicondutores, no entanto existem somente 6 fabricantes de wafers de silício no mundo que fornecem para toda a cadeia de semicondutores. Isto implica em mais um imenso gargalo que segundo noticiado pela Bloomberg, já em 2022 aumentou o lead time do semicondutor para próximo de 30 semanas em média. De fato, um automóvel atual embarca mais de 1.400 semicondutores para

controlar desde airbags ao motor. Mas existem casos de tipos de semicondutores como os MOSFET, no qual o lead time médio chega a 52 semanas. Os MOSFET são muito utilizados no setor, para o acionamento de motores e uma ampla gama de aplicações, como bombas, ventiladores, ventilação, ajuste de assento ou teto solar entre outras aplicações. Devido aos cortes de produção na China e todo esse cenário de crise, o preço do silício disparou e aumentou 300%4 o que causou um aumento no wafer de silício de 25%.

Portanto, o problema da crise de semicondutores se focarmos na questão matéria-prima, possui dois gargalos principais: o e domínio de praticamente um país na produção das matéria-primas e o número de fabricantes de wafers para atender toda a demanda global. Mas o mundo não está assistindo essa crise sem tomar nenhuma providência. A primeira ação veio em julho de 2022, quando o Estados Unidos, passou a nova lei de Chips (Chips and Science Act), promulgado pelo Presidente Biden em agosto deste ano. A lei do Chip norte americana, libera um total de US$ 280 bilhões6: na qual foi destinado US$ 52,7 bilhões em subsídios para fabricantes de chips; um credito de imposto de 25% para novas plantas de fabricação de chips; US$ 10 bilhões para o Departamento de Comércio criar 20 hubs tecnológicos para semicondutores, e US$ 200 bilhões para iniciativas de fabricação e pesquisa em áreas como IA, robótica, computação quântica e muito mais. A lei ainda explicita que essa ação é uma frente de proteção dos Estados Unidos contra o rápido avanço e domínio Chines do mercado de semicondutores, que detém atualmente 24% do mercado contra apenas 12% pelos Estados Unidos7 Essa ação foi também desencadeada devido ao temor dos Chineses tomarem a produção de semicondutores de Taiwan.

A União Europeia também deu uma resposta a essa crise, e logo lançou o European Chip Act com um pacote de € 42 bilhões8 em recursos público e privados. A lei europeia é baseada em três pilares:

Pilar 1: criação da Iniciativa Chips for Europe para apoiar a capacitação tecnológica e a inovação em grande escala em toda a UE para permitir o desenvolvimento e a implantação de semicondutores e tecnologias quânticas de ponta e da pró-

xima geração que fortalecerão as capacidades e competências da UE em design avançado, integração de sistemas e produção de componentes; mais especificamente, a Iniciativa Chips for Europe inclui cinco objetivos operacionais relacionados com: o desenvolvimento de linhas-piloto, para testar e experimentar tecnologias de processo inovadoras e conceitos de design; o desenvolvimento de uma plataforma de design, para facilitar o acesso a recursos de design; suporte a chips quânticos; a criação de centros de competência e reforço de competências, para aumentar o acesso e o talento em toda a União; e um Chips Fund, para apoiar start-ups e expansão de PMEs; Pilar 2: criação de um quadro para garantir a segurança do abastecimento, atraindo maior investimento e capacidade de produção na fabricação de semicondutores, bem como na embalagem e testes avançados e montagem através de instalações de produção integradas inéditas e fundições abertas da UE; Pilar 3: estabelecer um mecanismo para coordenar a vigilância e a resposta à crise entre os Estados-Membros e a Comissão para reforçar a colaboração com e entre os Estados-Membros, monitorizar o fornecimento de semicondutores, estimar a procura, antecipar a escassez, desencadear a ativação de uma fase de crise e implantar uma caixa de ferramentas dedicada.

A Lei de Chips da UE também aponta para o atual domínio das empresas americanas no setor de serviços em nuvem ou Edge Computing (Computação de Borda), no qual as empresas americanas recebem 80% das receitas de processamento de dados, e visa dobrar a participação da UE na fabricação global de chips avançados de 10% para 20 % até 2030.

Não só os EUA e a Europa lançaram sua própria lei de chips, mas a Coréia do Sul também aprovou uma legislação destinada a sustentar sua própria indústria de semicondutores, reduzindo de 6% a 10% incentivo fiscal corporativo para investimento em instalações e 30% a 40% por cento de crédito fiscal para pesquisa e desenvolvimento9. Da mesma forma, a China acaba de anunciar US$ 143 bilhões10 em subsídios de chips e apoio à fabricação doméstica para combater as restrições e restrições à exportação dos EUA.

O Conselho de Comércio e Tecnologia EUA-Europa (TTC) não irá tentar desacelerar a China, o que provavelmente é

Figura 2. Lead time de semicondutores e suas aplicações na indústria automotivo5

uma missão impossível, dada a natureza e a velocidade dos avanços tecnológicos mundiais. Ele estará focado em acelerar seus parceiros por meio de projetos de pesquisa colaborativos. Uma aliança chamada Chip 4, incialmente concebida para EUA, Japão, Coreia dos Sul e Tawain, segundo especialistas será expandida para Chip X, pois incluirão a EU, Índia e Singapura na esperança de coordenação entre estes países com indústrias de semicondutores, aumentando os benefícios potenciais da aliança contra o avanço da China11

Todas essas medidas são protecionistas em maior ou em menor grau, mas o fato é que são mediadas que destravam trilhões de dólares a serem investidos nas próximas décadas em fabricação, desenvolvimento e pesquisas. O que se nota nessas leis é boa parte dos recursos destinados está alocado em Pesquisa de Desenvolvimento, pois a ênfase de todos esses incentivos e subsídios está ligada diretamente ao uso da nanotecnologia para a geração de novos semicondutores.

Os novos semicondutores estão sendo projetados para também reduzir a dependência do silício, utilizando outros elementos na fabricação, como os materiais 2D em especial o grafeno dopado com outros elementos químicos e até mesmo pontos quânticos devido a excelente capacidade de controlar fótons. Segundo a Mckinsey, os custos para as empresas de semicondutores continuam a aumentar à medida que mudam para as fábricas de próxima geração. Para obter ganhos de desempenho similares, as empresas devem aumentar os gastos de capital em até 40% (devido a requisitos para novos equipamentos) e os gastos com P&D em 150% para atingir o mesmo rendimento12 .

Além deste desafio, o crescimento no do silício também é incerto porque a inovação está alcançando as limitações físicas do materia. O tamanho limite da linha para construção de transistores de silício é de 2 nm. A TMSC, empresa de Tawain, anunciou recentemente que irá produzir wafer com nó de 3 nm13 de alta performance e alta densidade, custando o dobro do atual wafer (US$ 20.000 a peça). No entanto, ao se aproximar do limite do material, o desempenho do silício é severamente inibido por efeitos quânticos pouco conhecidos como o tunelamento, vazamentos e problemas de calor. Limitações na litografia, instrumentação e fabricação de estruturas nanométricas também impedirão os avanços em wafers de sílicio.

Ainda é incerto que o Grafeno substituirá o silício em semicondutores. O mais provável é que a substituição virá de um conjunto de combinações de propriedades eletrônicas, custo e facilidade de integração com a cadeia atual de fabricação de semicontudores. O grafeno tem muitas propriedades que o tornam um material ideal para dispositivos eletrônicos, desde suas propriedades superiores de condutividade elétrica até sua mobilidade balística e sua área de superfície ativa. Porém ao contrário do silício o grafeno é um condutor, ou seja, não pode ser ligado e desligado sob demanda assim como os semicondutores.

Leandro Antunes Berti www.leandroberti.com.br

A espessura atômica das folhas de grafeno imprime uma flexibilidade inerente não encontrada no silício ou em muitos outros materiais disponíveis. Isso torna o grafeno uma proposta muito viável e interessante para eletrônicos flexíveis, vestíveis e impressos. Essa característica pode descortinar

uma nova era na produção de semicondutores, que hoje é muito dependente de materiais sólidos e extremamente duros e não flexíveis, processos ultra limpos, de alta temperatura e de alto custo. O grafeno pode por exemplo ser adicionado em tinta e ser impresso facilmente em uma impressora convencional para a criação de circuitos, isso reduz drasticamente o custo dos eletrônicos. Mas enquanto não é possível simplesmente imprimir semicondutores em escala industrial para abastecer o mercado, engenheiros de Stanford conseguiram criar um chip complemente fabricado com nanotubos de grafeno (Figura 4)15 . A equipe demonstrou que transistores menores que 10 nm feitos de nanotubos num total de 178 transistores, energeticamente eficientes do que transistores

similares feitos de outros materiais como o silício. Apesar do feito, este chip de nanotubos possui 10 milhões de vezes menos transistores do que os microprocessadores atuais, funciona muito mais lentamente e opera em uma tensão cinco vezes maior, consumindo cerca de 25 vezes mais energia . Porém, foi feito e testado em um computador real no qual executaram um programa. Já existem outras iniciativas em andamento para substituir o silício em semicondutores, mas em sua maioria elas ainda estão maduras o suficiente para chegar ao mercado.

Qual o papel do Brasil em tudo isso? Estamos vivenciando neste exato momento uma nova janela de oportunidade para o Brasil se posicionar estrategicamente. A mais de 50 anos

Figura 4. Primeiro chip feito de nanotubos de grafeno sem silício16

atrás o Brasil perdeu uma grande chance de contribuir para esse extraordinário avanço tecnológico. Hoje o Brasil apenas exporta matéria-prima base, principalmente sílica (areia) para outros países beneficiarem. Precisamos fazer mais, pois o futuro do nosso país passa também em dominar ao menos um pouco dessa cadeia da produção de semicondutores para desfrutar de um lugar relevante no cenário mundial e não apenas ser um novo expectador.

Na próxima parte detalharemos mais como o Grafeno e outros nanomateriais poderão contribuir para o avanço dos semicondutores.

Grafeno é o futuro da sustentabilidade!

Muito obrigado pela atenção e aproveitem a nossa Revista Grafeno.

Aguardem as novidades nas próximas edições.

1. https://www.mckinsey.com/industries/semiconductors/ our-insights/semiconductor-shortage-how-the-automotive-industry-can-succeed

2. https://www.jpmorgan.com/insights/research/supply-chain-chip-shortage

3. https://www.bain.com/insights/a-chip-shortage-recovery-guide/

4. https://www.bloomberg.com/news/articles/2021-10-01/silicon-s-300-surge-throws-another-price-shock-at-the-world 5. https://www.bloomberg.com/news/articles/2021-10-26/chip-lead-times-begin-to-slow-suggesting-shortages-have-peaked 6. https://www.whitehouse.gov/briefing-room/statements-releases/2022/08/09/fact-sheet-chips-and-science-act-will-lower-costs-create-jobs-strengthen-supply-chains-and-counter-china/

7. https://www.forbes.com/sites/ethankarp/2022/09/27/ four-takeaways-from-americas-280-billion-industrial-policy-to-counter-china/?sh=25300ff3147e

8. https://techhq.com/2022/11/the-e43-billion-eu-chips-act-gets-green-light-from-european-nations-whats-next/

9. https://www.koreaherald.com/view. php?ud=20220124000671

10. https://www.reuters.com/technology/china-plans-over-143-bln-push-boost-domestic-chips-compete-with-us-sources-2022-12-13/

11. https://www.eetimes.com/in-a-switch-south-korea-joining-chip-4-talks/

12. https://www.mckinsey.com/industries/semiconductors/ our-insights/graphene-the-next-s-curve-for-semiconductors

13. https://www.siliconexpert.com/tsmc-3nm-wafer/

14. https://www.mckinsey.com/industries/industrials-and-electronics/our-insights/semiconductor-design-and-manufacturing-achieving-leading-edge-capabilities

15. https://www.smithsonianmag.com/smart-news/advanced-carbon-nanotube-microprocessor-created-180973013/

16. https://www.technologyreview.com/2013/09/25/176332/ the-first-carbon-nanotube-computer/

e Pós-doutor em

e Presidente da Associação Brasileira de Nanotecnologia– BrasilNano, Mentor do Nucleo de Grafeno da SAE BRASIL; Foi Idealizador e Coordenador do SUPERHUB de Nanotecnologia do Paraná, foi Coordenador-Geral de Tecnologias Convergentes e Habilitadoras (CGTC) e Coordenador-Geral de Tecnologias Estratégicas, do Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovação e Comunicações do Brasil (MCTIC), responsável pela política pública nacional, estratégia, iniciativas de Nanotecnologia, Fotônica, Materiais Avançados e Manufatura Avançada. Criou o Plano de Ação Nacional de Tecnologias Convergentes e Habilitadoras, incluiu a Nanotecnologia no programa Rota 2030, escreveu o Marco Legal da Nanotecnologia e Materiais Avançados (PL 880/2019). Foi Membro da Comissão de Ciência e Tecnologia do Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia, BRICS WG Photonics National Representative, OECD (Bio-, Nano- and Converging Technologies (BNCT)) - Nanotecnology National Representative, Brazil-Canada Joint Committee for Cooperation on Science, Technology and Innovation; Diretor do Centro Brasileiro-Argentino de Nanotecnologia, Presidente do Centro Brasileiro-Chinês de Nanotecnologia. Foi Secretário Executivo do API. nano, na Fundação CERTI. Autor dos primeiros livros nacionais sobre regulação com Nanossegurança: Guia de Boas Práticas em Nanotecnologia para Indústria e Laboratórios e Nanossegurança na Prática: Diretrizes para análise de segurança de empresas, laboratórios e consumidores que usam nanotecnologia.

CEO da FIBER INOVA (www.leandroberti.com.br), Leandro Antunes Berti: Doutor em Nanotecnologia

Nanobiotecnologia

Importante avanço na regulação do grafeno

ISO/TS 80004-13 divulga atualização sobre definição de grafeno e outros materiais bidimensionais (2D)

À medida que esses materiais são comercializados e vendidos em todo o mundo, aumenta a necessidade de um vocabulário associado, especialmente, para quem trabalha na indústria Acompanhe aqui os detalhes da ISO.

graphene

I n s c r i ç õ e s a b e r t a s a t é 5 d e f e v e r e i r o d e 2 0 2 3 .

2ª Feira Brasileira do Grafeno

Graphene Study está de volta na Europa!

O MCTI anuncia a 2ª Feira Brasileira do Grafeno para 2023, a ser realizada entre 2 e 4 de maio no campus da Universidade de Caxias do Sul (UCS), juntamente com o 1º Simpósio Brasileiro de Materiais Avançados Confira a programação e detalhes do evento através do site

A escola ajuda estudantes de doutorado e pesquisadores em início de carreira a se tornarem excelentes profissionais em grafeno O que vem a seguir?

Inscreva-se e prepare suas malas para conhecer as aplicações do grafeno no futuro na Áustria, de 2 a 6 de abril de 2023 Mais informações aqui CNPq

3-15 julho 2023 Propostas até 10/01/2023

Prorrogado prazo para submissão de projetos

| Chamada Pública nº 68/2022 - Programa de Mestrado e Doutorado para Inovação MAI/DAI

Chamada especial para Instituições Científicas, Tecnológicas e de Inovação (ICTs), que demonstrem capacidade para a execução do Programa MAI/DAI, paa realização de projetos de interesse do setor empresarial, mediante parceria com empresas Acesse a íntegra da chamada neste link

Escola Científica | CNPEM

MCTI divulga resultado preliminar do InovaGrafeno

Os selecionados devem conduzir estudos para aplicação na sociedade de soluções tecnológicas e empresariais usando o grafeno e materiais 2D à base de carbono Clique aqui para ver o resultado preliminar

Sustentabilidade exposta na #GrapheneWeek 2022

COVID ROTA 2030 MCTI FINEP

O evento retornou presencialmente em 2022, reunindo conteúdo científico e histórias de sucesso dos principais parceiros do Graphene Flagship, trouxe exemplos a serem seguidos: Papelão com cola enriquecida com grafeno Veja aqui o resultado

O que esperar para 2023?

Grafeno de fontes naturais

O grafeno é um material multidisciplinar com aplicações em quase todos os setores da ciência e da engenharia Esta chamada é para trazer as novidades no mercado para cientistas e engenheiros de materiais na academia e na indústria interessados em reduzir custos e empregar métodos de síntese verde em seu trabalho Assim como a Universidade Rice, nos Estados Unidos, que transformou os resíduos plásticos do lixo automotivo em grafeno, a inovação brasileira pode ser apresentada nas próximas edições da Revista 2023 Confira abaixo, as fontes potenciais para sintetizar o grafeno: carna-de-açúcar, mel, resíduos vegetais e animais, lixo de plástico, óleo essencial e casca de arroz

Elaborado por integrantes do MCTI e FINEP, após um biênio da sua redação, o texto traz temas atuais, como Rotas de Produção e Desafios, Panorama do Mercado e da Indústria Assim como retrata o cenário brasileiro, com um recorte de propostas recebidas em chamadas da FINEP, como Soluções Para o Combate da COVID-19, Tecnologias 4 0 e Assistiva, Rota 2030, Materiais Avançados e Minerais Estatégicos Já do CNPq, destaca: "Empreendedorismo e Soluções de Base Tecnológicas na Área de Grafeno" Para ler o relatório na íntegra, acesse esse link

Chamada para artigos na revista

Compartilhe sua pesquisa sobre o uso de fontes potenciais de matérias-primas naturais e produtos residuais, métodos de síntese ou caracterização.

IMPORTÂNCIA DOS NOVOS MATERIAIS PARA TECNOLOGIAS APLICADAS AO VEÍCULO ELÉTRICO - VE

Estamos assistindo um boom dos veículos elétricos em nosso país. Nos meus mais de 20 anos nesse segmento percebo esta presença cada vez mais forte, porém com algumas considerações: lá nos Estados Unidos, mais precisamente na Califórnia do que nos outros estados e na China obviamente, têm marcas de novos entrantes que nunca ouvimos falar. Aqui já temos alguns players como a BYD, recentemente a Higer e Yutong no segmento de ônibus, a Volvo carros com o nome de Geely e a Jaguar Land Rover como Tata; então às vezes temos uma marca muito conhecida, mas atrelada um grupo novo indiano ou asiático.

Temos sido classificados como um país sem presença da indústria automotiva, mas por aqui temos quase todos os atores presentes, porém ainda não temos uma política pública forte bem definida, por exemplo: o Brasil não tem uma data para deixar de comercializar veículos à combustão e por isto, ainda existe uma forte influência do setor de biocombustíveis, ponto que falarei mais à frente. No segmento de veículos leves, existem produtos com uma presença muito grande de importados, com exceção de algumas localizações de montadoras importantes como a Toyota, que manufatura o Toyota Híbrida Flex Etanol não plug-in, estratégia muito alinhada com nossa

Figura 1. https:// transportemundial. com.br/caminhoese-onibus-eletricoso-abismo-entre-obrasil-e-a-china/

por Ricardo Takahira

realidade brasileira. O Brasil tem um caráter automotivo muito diferente de todos os outros países, abençoado pela nossa matriz energética ampla e diversificada, mas contudo, ainda sem uma política pública e industrial definida no segmento de energia e em regras de eficiência energética com crédito de energia e de carbono; cada “player” quer fidelizar o cliente com a melhor escolha, com critérios claros de exploração e definição da demanda da indústria automotiva, que eu chamo de mobilidade sustentável, uma nova forma de descrever o setor, que antes era demandante; ela pedia para um fabricante de combustíveis uma gasolina aditivada ou um lubrificante sintético com a meta de sair do patamar de 10-12 km/l para 15 ou mais km/l ou lubrificante que estendesse a troca de óleo para 20.000/km ao invés de 10.000/km. Atualmente a motivação é outra, o setor de energia é quem demanda para o da mobilidade, definindo qual o tipo de energia, combustível ou propulsão serão necessários, ou seja, um híbrido plug-in ou um híbrido etanol, isso sem falar no futuro que seria o elétrico movido a célula de combustível com etanol. Hoje estamos testemunhando algumas mudanças em montadoras que estão deixando de produzir veículos a combustão que se refletem em algumas marcas por não terem sido posicionados há cerca de 7 a 10 anos. Também vimos algumas plantas e fábricas sendo desativadas por aqui, refletindo a nossa situação automotiva de carros leves. Por outro lado, temos um exce-

lente momento para veículos pesados, mais especificamente os ônibus e caminhões e por isto, tratarei também o segmento de utilitários leves, principalmente no segmento de last mile. Focando o segmento de ônibus e caminhões e o exemplo da cidade de São Paulo, uma lei municipal ambiental definiu novos índices de material particulado (MP) e isenta de rodízio municipal tais veículos. O MP refere-se à motorização diesel, parametrizado atualmente pelo euro 6, porém ainda é mais nítido a presença do euro 5, sem contar que se percebe veículos rodando que só atende o euro 3 e ou 4. A pressão na melhoria dos números de eficiência energética é muito grande para powertrain a diesel, por ser um combustível fóssil não renovável; e neste sentido, existem pesquisas para o diesel orgânico, NVO o óleo orgânico, “espremendo um coquinho”, mas ainda emite poluente, o nosso biodiesel é constituído por óleo de mamona, um combustível obtido de forma mais renovável. Com as leis ambientais atuais e a existência do motor a combustão (ICE) como um fator limitante para continuar utilizando um motor a diesel ou ciclo Otto, ainda não existe uma definição para um powertrain elétrico ou a etanol, porém o mercado vai se autorregular, embora o transporte público tenha grande influência da política pública.

Recentemente, a SPTRANS em São Paulo enviou uma carta aos mais de 99 operadores de transporte público, alegando que não seria mais possível comprar ônibus a diesel na cida-

de. São Paulo tem uma previsão de 1.000 ônibus até o final do ano e mais 1.000 ônibus para o primeiro semestre do ano que vem, o total da frota de ônibus é mais de 10.000 unidades e espera-se que toda a frota possa ser renovada até 2030.

Vejam dados interessantes: empresas como BYD estão operando com importação, porém há indícios de localização de fábricas provavelmente no Nordeste; a empresa Ambiental produz trólebus há décadas; a ELETRA já fez ampliação nas suas instalações, inaugurando uma fábrica nova em São Bernardo do Campo com maior capacidade, tendo vários projetos em oferta na parte de retrofiting de caminhões a diesel para elétrico, evitando o custo maior de um caminhão novo.

Citando o tema caminhões, a VWCO com o e-delivery e uma família nova de caminhões sendo produzida em Resende-RJ e o reposicionamento de outras encarroçadoras como a Marcopolo. A Marcopolo deixou de ser simplesmente uma encarroçadora que utilizava os chassis eletrificados da BYD e passou a produzir o ônibus verticalmente desde o eixo elétrico, com todo o sistema de eletrônica de potência e carroceria, devido a publicação de leis e licitações com essas políticas públicas definindo data e limites para uso de ônibus a diesel o mercado se movimentou, no caso, seriam elétricos pelo melhor custo-benefício, mas não há imposição tecnológica, apenas a ambiental. A EMTU fez testes em ônibus a hidrogênio com um reformador da Petrobras, mas o projeto acabou não se concretizando, então hoje é muito importante o país entender a nossa matriz energética, aí vem o LCA – Life Cycle Assessment – que é quanto você está emitindo de CO2 e não é somente quando o veículo

está rodando, tudo é contabilizado desde a sua fabricação e obtenção de matéria prima e descarte, desde a obtenção do combustível e da cadeia da eletrificação. Por exemplo, a matriz chinesa ainda é muito suja, embora eles tenham investido muito em aerogeradores e fotovoltaica, grande parte da energia em kWh ainda é produzida por usinas termoelétricas, então percebe-se apenas a mudança da origem de emissão de CO, CO2 para longe das grandes cidades onde o efeito do ar poluído respirado e da qualidade de vida é mais sentida. O Brasil tem uma grande fonte de geração elétrica limpa, principalmente hidroelétricas e isso não quer dizer que não temos emissões, mas é muito mais limpa que uma termoelétrica chinesa e a mesma coisa acontece com o etanol com o sequestro de carbono, realidade não possível para uma Alemanha, talvez similar para a Índia, com certeza nos EUA com o metanol, o álcool a partir do milho, mas mesmo queimar etanol produz emissões como aldeídos, que são comprovadamente cancerígenos. Importante entender a questão da matéria prima e materiais, mesmo quando se fala de H2 a PEM, a membrana pode ter um material muito nobre que é a platina e nós estamos focando muito no SOFC na Fuel Cell (FC) que seria junto com um reformador capaz de gerar H2 a partir do Etanol, lembrando que todos os combustíveis tem o HC – Hidrocarboneto então tem H2, o C se recombina e vira CO e CO2, e ai se temos o H2 somente, sendo utilizado a recombinação em uma FC onde entra só H2 que recombinado com o O2 do ar gera somente eletricidade, calor e água limpa. Então essa situação de H2 Verde (H2V) que começamos a identificar como H2 de Baixo

Figura 3. https://ekkogreen.com.br/onibus-e-caminhoes-eletricos-volvo/

Carbono, a despeito da classificação por cores, conseguiremos ter várias opções, porque o H2 verde depende de uma fonte de energia renovável sustentável que pode ser a fotovoltaica, eólica ou a própria hidroelétrica, a questão da matéria prima da cana ou do milho das emissões, da platina na FC, tudo isso merece uma grande pesquisa por parte dos ICT que tem os fomentos e incentivos, projetos não só do ROTA 2030 e P&D ANEEL mas várias outras chamadas do FINEP do MCTI, BNDES e Fundos internacionais. Para que essas pesquisas sejam realizadas, ou seja, do lado acadêmico qualquer trabalho de pesquisa faz sentido, do lado da iniciativa privada é necessário ter uma certa segurança, um horizonte para investir, não é necessário ser muito longo e específico, uma visão regulatória: até onde vamos com a combustão, o híbrido vai ter incentivo fiscal, isenção de ICMS, IPVA, IPI de I.I., qual vai ser, como existe hoje a questão da eficiência energética e etiquetagem para essas fontes mais verdes, teoricamente quando você tem um carro moderno e eficiente, mais eletrônica, mais soluções embarcadas, de forma que ele fique não competitivo, portanto, é necessário ajudar com um tipo de isenção fiscal e talvez essa isenção fiscal possa gerar um fundo de renúncia fiscal, como é a fórmula do ROTA 2030.

O Rota 2030, continuidade do Inovar Auto, foi construído a partir de questões de políticas públicas baseadas em soluções técnicas, permitindo que a academia possa entregar novas tec-

nologias para a iniciativa privada, seja para o órgão regulador ou para o parceiro que cooperou com a pesquisa. A pergunta que fica aqui é: temos essa situação em curso dentro da cadeia do carro elétrico? Certamente não, a resposta é que pouco se foca no Brasil, mas globalmente há uma corrida em desenvolver novos materiais para estes veículos, principalmente aos utilizados em baterias. Citando um exemplo aqui em nosso país, o SENAI ISI (Instituto SENAI de Inovação) junto com a UTFPR, Renault e a Clarios (Heliar) tem pesquisado as tecnologias em baterias e com ajuda do sistema 5S pode fabricar células de baterias na maior parte do formato do Pouch, combinando vários materiais para o ânodo, cátodo e às vezes para o separador e o eletrólito que é basicamente a constituição de uma célula de bateria; esse tipo de pesquisa é bastante efetiva e interessante para o setor de eletrificação. Em adicional a este primeiro projeto, outras empresas interessadas em materiais, por exemplo a CBMM com o nióbio e a CBA com o alumínio, ambos fomentados com recursos do Rota 2030, mantém temas de estudos nestas linhas. Focando o nióbio e alumínio, existe uma clara vantagem local competitiva; porém com o emprego do níquel cobalto manganês - NCM não ocorre esta situação, ou seja, muitos materiais provenientes do Congo na África, como o cobalto por exemplo, ainda utilizam mão de obra infantil, típicos das minas, que utilizam pequenos buracos onde só as crianças conseguem entrar.

O pilar do social da questão é muito importante em tempos de ESG (Environment Social Governance), porém o ponto do E-environment é parte do problema, isto é, ambiente não está só na emissão zero de CO2 do veículo elétrico, mas também a consideração de uma atividade de mineração, como por exemplo aos que levaram a grandes acidentes, como os que ocorreram em Brumadinho-MG e outras minas de exploração, situação de perigo com grandes massas de rejeitos.

Uma discussão importante pode ser levada para a questão do impacto ambiental, no emprego dos materiais nobres e as outras possíveis alternativas, exemplo no caso do nióbio, como sendo uma aplicação muito interessante em máquinas elétricas na parte dos supérrimas de neodímio, com a obtenção a partir da escória gerada no enriquecimento do nióbio; porém, apesar de dominarmos o conhecimento da cadeia inteira da manufatura do neodímio, o Brasil fornece para a Ásia a matéria prima gerada no processo do Nb e eles executam a extração do neodímio e por fim, o novo produto retorna com um alto valor agregado; esse é exatamente o nosso desafio, ou seja, avaliar os nossos recursos, ver a sua abundância e seu impacto ambiental, extração das reservas, quais as eficiências e vantagens da aplicação e a reciclagem no final de sua vida. Nessa parte do ambiente, já existem pesquisas da ONU/UNECE que mapeiam todas essas matérias primas e elementos que são utilizados na cadeia do carro elétrico. https://unece.org/ sustainable-energy/news/un-framework-classification-helps-eu-manage-raw-materials-batteries-and.

Existem peças com os crossmembers produzidos em fibra de carbono como alternativas ao alumínio ou aço, tecnicamente há vantagens na resistência mecânica e redução de peso, mas

Figura 5. https://automotivebusiness.com.br/pt/posts/conte%C3%BAdo-de-marca/como-as-praticas-esg-na-industria-automotiva-estabelecem-vinculos-com-diferentes-elos-da-sociedade/

Figura 8. https://autoesporte.globo.com/eletricos-e-hibridos/noticia/2022/11/ van-eletrica-criada-no-brasil-promete-revolucionar-entregas-e-custo-de-operacao-75percent-mais-baixo.ghtml

pouco se sabe se seu impacto ambiental no uso da fibra de carbono é sustentável. Será que na hora da destinação final fica muito caro ou não fica nada efetivo e compensado? Estas respostas nos dão o motivo que temos que ter sobre o uso e LCA, o TCO (Total Cost of Ownership ) na discussão da carga de emissões e energia. Não seria apenas o LCA, mas a rota Cradle to Grave (do berço ao túmulo), mais abrangente com o Well to Wheel (do poço ou bem à roda). O carro 100% elétrico, do ponto de vista de zero emissões, considera-se a energia gerada para sua construção, manufatura do pneu, bateria etc., todos diante ao impacto na matriz energética. Precisamos também entender o ciclo de energia na cadeia do Eletroposto, não se utiliza muito metal no revestimento, mas cobre como condutor e materiais resinados com característica de resistência mecânica e isolação elétrica; nestes casos se houver alguma fuga de corrente e o conector não sendo metálico, daria uma maior segurança para o operador e em caso de quebra da isolação. Este é exatamente o ponto de vista da busca incessante de tecnologia olhando os materiais, às vezes

os materiais podem não ser tão eficientes do ponto de vista elétrico, mas eles têm uma aderência ambiental muito grande.

O VE tem dois olhares muito importantes:

1º) O tamanho do mercado no Brasil, o P&D nos veículos pesados e leves importados são afetados pelos modelos de negócio, manutenção mais espaçada e mais cara, a rede de concessionárias. Caso tenha que trocar o banco de bateria, o custo é elevado devido ao alto percentual deste componente no custo dos veículos, e assim definir o que fazer com o descarte desta bateria de eletroquímica diferente da chumbo-ácida.

2º) A mão de obra necessita ser recapacitada para faturar nesse mercado, será necessário recapacitar ou formar profissionais qualificados no setor, principalmente uma certificação na segurança para o trabalho em alta tensão continua; a NR10 não é totalmente adequada na modalidade elétrica, deveríamos indicar uma capacitação e certificação para atuar com VE. A NR10 continuará sendo adotada e ela é autorregulada, porém não existe uma portaria INMETRO, ANATEL, sendo uma exigência da área de segurança do trabalho e do RH. Pode-se considerar adequada para Eletroposto mas não para o EV com rodas a mobilidade elétrica e baterias com até 800V, lembrando que o nosso limite na norma é 1500 VDC e já imagina-se até 3000 A na recarga. Precisamos de uma resistência galvânica muito alta, medidas e controles em megaohms e os materiais metálicos que já têm um ciclo de reciclagem implementado vão dar lugar aos novos materiais. Esses materiais em tempos de ESG precisam mitigar as emissões de CO2 e aumentar a eficiência na produção, mas é importante avaliar a forma de obtenção do uso e do final de vida e serem sustentáveis por todos esses pontos de vista. A pesquisa de materiais tem uma significância enorme e as baterias hoje não são baratas e ainda de baixa eficiência porque não chegamos em um resultado de materiais satisfatório para atender todos os requisitos. Será que a bateria de lítio ferro fosfato LiFePo4, NHM níquel hidreto metálico, de cádmio, a de chumbo ácida cuja cadeia está toda implementada, outras como a NCM ainda não estejam bem consolidadas, levando em conta o final de vida no setor automotivo, mas ainda sim adequadas na aplicação estacionária para energia elétrica gerada pelo fotovoltaico e aerogeradores.

O Fotovoltaico que tem geração durante o dia e a recarga do VE é normalmente à noite e esta questão precisa-se de uma solução urgente, caso contrário haverá colapso na infraestrutura de geração, distribuição e concessão por ser limitante, a situação do last mile, mas, o que é isso?

Last mile são os utilitários, e-bikes ou motocicletas elétricas que se utilizam na entrega das compras do comércio eletrônico, exemplos da Ducato, Sprinter, e-Jumper, e-Expert, Scudo e estão disponíveis em uma versão 100% elétrica e nessa pegada de trocar um veículo a diesel ou a combustão mesmo que seja flexfuel e então, mitigar por um veículo totalmente elétrico. Provavelmente a carroceria, a bateria e todos os outros materiais mudem seu ciclo de vida uma vez que talvez o carro não seja mais adquiri-

Figura 7. https://adi-analytics.com/2022/10/25/new-materials-and-chemistries-for-lithium-ion-batteries/

Figura 9. https://www.youtube.com/watch?v=za8YAiBimhM

do e provavelmente seja compartilhado, e, portanto, terão uma vida mais curta. Para adaptação destes veículos, o emprego do alumínio terá um impacto menor no ciclo de energia e é uma outra visão não só do EV, mas também da indústria 4.0, somados aos processos aditivos, digital twin, linhas de retrofitting, da questão da gestão ambiental e tudo ligado a essa questão de obtenção, descarte e reuso dos materiais. Fica uma reflexão para que não tratemos só dos EVs esquecendo a sua maturidade, o custo-benefício que talvez os novos modelos de negócios exijam. O emprego das novas tecnologias e materiais, da obtenção das matérias primas e como estes serão combinados e recombinados, retrabalhados, reduzidos e reciclados, sejam nas gerações 1, 2, 3 e 4 e também focando nas ODS (Objetivos de Desenvolvimento Sustentável). Sabemos que o VE tem apoio e apelo muito grande, mas precisamos avaliar como está a maturidade e a tecnologia dos materiais. O GRAFENO tem uma promessa muito grande, hoje na eletroeletrônica e telecomunicações praticamente já está dominando, mas ainda não se tem a mesma situação nas baterias tracionarias e elas ainda precisam evoluir na questão do estado sólido que é também um desafio de materiais e tecnologia do processo de fabricação visando segurança. O preço será definido pelo mercado, mas o investimento não será disponibilizado sem atender esses novos requisitos técnico-ambientais como a quantidade de uso de água no processo.

“A idade da pedra não acabou por falta de pedra”, as montadoras não resolvem fechar fábricas de um ano para outro, não se preocupar hoje com o que será importante amanhã pode nos conduzir ao erro em não se posicionar. Pesquisar e investir em Carros Autônomos pode parecer futurista agora e pode-se achar que vai demorar muito para acontecer, mas com certeza eles não serão feitos em plataformas de veículos a combustão. Pode estar aqui uma oportunidade de resgatar o P&DI local, seja o powertrain diferente do ICE, porque o SDV – Veículo Definido por Software com certeza é quem vai acomodar e integrar todos os novos requisitos e nossa engenharia não pode ficar fora disso, mas esse é assunto para outra prosa.

Ricardo Takahira, Professor, Consultor, Vice Coordenador do CT VHE SAE BRASIL, Membro de Comissões Técnicas na SAE Brasil, ABNT, AEA, IBMS Voluntário FSAE, BAJA e FSD (Baterias - Body e Ecossistemas). Engenheiro eletricista, coordenador do Módulo de Mobilidade autônoma da MAUÁ, Docente da pós graduação em VHE na FACENS, SENAI e IMT.

ENTREVISTA ROBOFEI

Entrevista concedida a Marcelo Alexandre Tirelli da Direção Técnica da Revista Grafeno por Plinio Thomaz Aquino Junior, Chefe do Departamento de Ciência da Computação no Centro Universitário FEI e Coordenador da Equipe RoboFEI.

1. Como forma introdutória, fale um pouco sobre como surgiu o projeto ROBOFEI, seus integrantes, as categorias e modalidades e competições que vem participando até o momento. Professor Plínio Aquino: O projeto RoboFEI teve início em 2003, inicialmente atuando em robôs de serviços para jogar

futebol, robôs que colaboram entre si com um objetivo comum de maneira autônoma. Depois evoluímos participando da plataforma de humanoides, também jogando futebol. Em 2015, começamos com robô de serviço, que desenvolve atividades domésticas ou em contextos correlacionados à hospitais, universidades e shoppings.

A equipe RoboFEI nasceu como integração de áreas, com participação de Engenharia Mecânica, Engenharia Elétrica, Engenharia de Automação e Controle. E principalmente dos dois “carros chefes”: Engenharia de Robôs (que é o único no Brasil) e Ciência da Computação, por conta de toda computação embarcada. Há

Equipe RoboFEI

envolvimento de alunos de graduação, mestrado e doutorado, motivando pesquisa de ponta nas áreas de inteligência artificial, visão computacional e fusão de sensores.

As modalidades que participamos até hoje competindo mundialmente, na América Latina e na Brasileira são: SSL (Small Size League), Humanoide e @Home (área de robôs de serviço.)

2. Quais foram os maiores desafios enfrentados pela equipe até o momento, em relação ao desenvolvimento do robô, seus materiais, design e projeto de automação?

Professor Plínio Aquino: Os desafios são diversificados. Na área de mecânica sempre estamos pensando em estruturas mais eficientes, inclusive utilizando materiais mais leves e mais resistentes para a execução de tarefas dos robôs. Também estamos preocupados em tipos de conexões, modularização e facilidade de acoplamento de sensores.

Na parte de eletrônica embarcada, buscamos torná-la mais eficiente e com menor custo, além de considerar também a durabilidade. Isso nas três modalidades, mesmo nos robôs pequenos (SSL), Humanoides e nos robôs de serviços (@Home). Na eletrônica temos um grande desafio com as baterias. A eficiência das baterias é um fator bem importante para todas as plataformas, por exemplo: para os robôs de serviço, existem algumas tarefas que consomem muita energia, já que são robôs autônomos, mas como eles precisam ligar muitos sensores para uma determinada atividade, como reconhecimento de pessoas e o computador também executa uma série de processamentos, a bateria é decisiva para você conseguir concluir todas as tarefas. Na parte de computação, temos os desafios em toda parte de interação humana × robô, por exemplo: com os robôs de serviços precisamos ter um bom processo de interação com os humanos, o robô precisa reconhecer as pessoas, trocar uma série de informações de uma maneira que tenha uma boa experiência do usuário. Consequentemente tudo isso é uma evolução das nossas pesquisas de mestrado e doutorado, em inteligência artificial e visão computacional, acaba sendo utilizada nas outras duas plataformas. Toda evolução de inteligência artificial e visão computacional, influenciam em melhores algoritmos e desempenhos.

3. Fale sobre a OBR, Olimpíada Brasileira de Robótica, que a FEI sediou no dia 27 de agosto de 2022. Ainda sobre a feira, fale sobre a participação do HERA (Home Environment Robot Assistant), projeto da RoboFEI, que foi o vencedor da categoria @Home da Robocup Internacional de 2022 na Tailândia. Professor Plínio Aquino: A OBR (Olimpíada Brasileira de Robótica), aconteceu na FEI como edição nacional, com a participação de escolas do Brasil e com jovens que possuam robôs autônomos que consigam reconhecer um trajeto e nele resgatar uma suposta vítima. Desenvolvendo a estrutura dos robôs, toda questão de eletrônica, e principalmente a computação embarcada, para que os robôs consigam navegar na arena e fazer o resgate de uma vítima em um ambiente. São robôs em uma arena pequena (que possui 2 por 2), mas que simulam muito bem as questões técnicas da robótica.

A MNR (Mostra Nacional de Robótica) é uma iniciativa muito interessante, onde as escolas submetem projetos que usam os conceitos de robótica aos jovens, com o objetivo de propor suas invenções. Era possível encontrar, por exemplo: robôs autônomos realizando atividades na indústria, bengala para deficiente visual, chapéu que identifica obstáculos. Esses projetos são interessantes que nascem das ideias dos jovens.

A HERA ganhou primeira colocação no maior evento de robótica do mundo, na categoria @Home (robôs de serviço) na Robocup Mundial, na Tailândia que ocorreu em Julho de 2022. Também participou do Latino-Americano, e em uma disputa acirrada, ficamos no segundo lugar na competição de robótica de serviço. HERA apresentou problemas na competição, como problemas de conectividade dos sensores e alimentação das baterias, motivando novas pesquisas e melhorias na plataforma robótica que competirá em 2023 na RoboCup em Bordeaux na França.

4. Sabemos que o grafeno é um material versátil, graças à combinação de características como leveza, flexibilidade, condutividade e resistência. Diante dessas e outras propriedades, como anda o desenvolvimento da robótica com relação ao grafeno? A FEI já utiliza ou tem planos para utilizar o grafeno em sensores ou outras aplicações dentro do projeto RoboFEI?

Professor Plínio Aquino: O grafeno ainda não é um elemento que faz parte das estruturas ou dos equipamentos de nenhum dos nossos robôs, porém há um alto potencial de aplicação e desenvol-

Equipe RoboFEI

vimento de pesquisas. Estamos articulando docentes pesquisadores que trabalham com o assunto para colaborar com a pesquisa.

5. Quais são os planos para o futuro frente ao desenvolvimento de robôs pela FEI?

Professor Plínio Aquino: Considerando a liga SSL, a previsão de próximos passos é de trabalhar com inteligência artificial, fazendo predição das características de jogo entre equipes. Em Humanoides, o grande desafio é o desenvolvimento de robôs de tamanho adulto, onde aumenta a complexidade de mobilidade e todo o projeto de servo motores, e o peso do robô para que ele tenha uma altura representativa. No robô de serviço, estamos trabalhando em novas versões de base, e novas versões com mais sensores e funcionalidades computacionais. Será uma ótima oportunidade de evolução das plataformas, considerando os avanços e resultados com grafeno.

6. Ilustre as melhores práticas executadas durante o projeto RoboFEI para atingir esta alta classificação no campeonato OBR (figuras são bem-vindas)?

Professor Plínio Aquino: Utilizamos como melhores práticas toda questão de gestão de projetos, todas ligas que participamos existem alunos de diversas áreas e as atividades são segmentadas em atividades de mecânica, automação e controle, eletrônica e computação. Além da área de marketing, que toma conta dos detalhes institucionais e divulgação em mídias. As contribuições de mecânica, elétrica e computação, usamos como ferramenta o Notion, ferramenta gratuita para logins educacionais, onde você consegue ter quadros de gestão de atividades segmentando por áreas. Utilizamos o Scrum, para a criação de backlogs de tarefas e atividades, elas são dívidas entre os membros e gerenciadas semanalmente, na evolução das suas atividades. Para um bom rendimento nas competições nós trabalhamos com modularização e muito teste de software. A modularização permite uma personalização mais rápida durante a prova, e toda questão de recorrência de testes antes das competições é muito importante para validação dos códigos da corretude do projeto de mecânica e de eletrônica, além da resistência de todo esse material para as provas.

7. Quais foram as ferramentas de engenharia utilizadas na execução do projeto, ilustre com gráficos e figuras.

Professor Plínio Aquino: Para mecânica, utilizamos modelagem estrutural em toda a questão da documentação dos projetos de peças e em todos os aspectos de inventários dos robôs. Na parte de eletrônica, todos os softwares de layout de placas são importan-

tes para parte de computação, trabalhamos com ferramentas de versionamento, trabalhando com Git e Dockers para conseguir versões de plataforma. O robô trabalha com plataforma Linux com pacote ROS.

8. A partir da publicação deste artigo na revista grafeno, novos alunos terão interesses em participar deste seleto grupo campeão; quais são as dicas para eles entrarem, os caminhos e os benefícios estudantis que terão?

Professor Plínio Aquino: Para entrar no projeto, os alunos precisam se dedicar nas disciplinas da graduação, e ficar atento nas chamadas em nossas redes sociais. Temos redes sociais do ROBOFEI no Facebook e Instagram, onde divulgamos todas as vagas. Entrevistas são realizadas buscando alunos com disponibilidade e bom rendimento acadêmico, muita dedicação e interesse em desenvolver pesquisa, e fazer parte de uma equipe campeã.

Marcelo Alexandre Tirelli é Doutor e Mestre em Engenharia de Materiais pela USP, Engenheiro de Segurança do Trabalho, MBA em Gestão Ambiental e Pós-graduação em Higiene Ocupacional. É professor da FATEC e professor e coordenador no curso de Engenharia de Produção da Faculdade de São Bernardo – FASB e também professor nos cursos de Engenharia Química e Química. Leciona as disciplinas de nanotecnologia, ciência dos materiais e resistência dos materiais, dentre outras.

de Produção.

Engenharia

Foto: Luana Salvador Muniz

FERRAMENTAS DE ENGENHARIA A FAVOR DO DESENVOLVIMENTO, OPEX

por Eduardo Nunes

Os processos de melhoria contínua sempre acompanharam de maneira intrínseca a evolução do ser humano. Um dos marcos da sua estruturação na indústria ocorreu no Japão na década de 50 com o nome “Lean” e posteriormente aperfeiçoado pela Toyota com foco principal na melhoria da velocidade dos processos. Outro movimento importante foi o “Six Sigma” que teve origem na Motorola na década de 1980 e aperfeiçoado pela GE como uma estratégia operacional de negócios com o foco principal no aumento da satisfação do cliente. E assim foi, os desafios trazidos pela evolução da indústria consequentemente demandaram o surgimento de muitas metodologias otimizadas de análise e soluções de problemas, tais quais Lean Six Sigma, DFSS, DMAIC, RED-X, Design Thinking, Agile, Scrum etc. Com tantas opções, muitas empresas se estruturaram com uma área específica de OPEX (excelência operacional) que aplicassem de maneira sistemática

através de projetos interdepartamentais estas metodologias de maneira a contribuir para o sucesso da empresa.

Uma das metodologias mais aplicadas no desenvolvimento do produto é o DFSS (design for six sigma). O fundamento é baseado em quatro pilares:

Maximizar o benefício através de uma cultura centrada no cliente.

Minimizar os custos buscando sempre o máximo de eficiência de cada atividade, assim como, todo o ciclo de vida do produto / processo.

Encontrar alternativas que minimizem o tempo de cada atividade / lançamento do produto.

Compreender todas as condições de utilização do produto, desenhando um produto robusto a estas condições, minimizando os riscos.

Em outras palavras, implementar soluções que aumentem o

lucro da empresa.

Outro aspecto fundamental presente em todos os pilares é o desenvolvimento da cultura de que cada processo de decisão deve ser dirigido por evidências. Por exemplo, na prospecção de oportunidades de projeto que irão melhorar a empresa. Uma possível ferramenta para priorização seria o Pareto, onde os dados coletados sobre os candidatos a projetos e os seus potenciais benefícios são plotados em um gráfico em ordem decrescente.

Uma vez escolhido o projeto, escopo, objetivo e desenvolvido um planejamento de coleta de dados para suportar as decisões chaves de cada fase e seus recursos necessários, uma ferramenta interessante de usar (caso aplicável) seria entender se os requisitos de engenharia adotados para validar o produto realmente estão alinhados com a satisfação do cliente.

Por exemplo, na indústria automotiva, alguns projetos que foram trazidos de outros continentes e adaptados localmente, possuem oportunidades de ajustes com relação ao clima, qualidades das ruas e estradas etc., em outras palavras, o que foi projetado para funcionar entre 0 e 50°C, talvez não funcione adequadamente entre a -20°C ou em ruas lisas e asfaltadas versus ruas cheias de buracos. Enfim, produtos que funcionam bem no campo são produtos robusto a variação, porque os clientes são grande fonte de variação. Como usam seus veículos, mantém, envelhecem, o ambiente em que dirigem, etc. Se o produto for robusto a estas variações os clientes ficaram felizes. Por outro lado, se o projeto for superdimensionado, o preço do produto também o será e talvez o cliente ache outra opção melhor. Este balanceamento é uma arte.

O desenvolvimento do conceito geralmente é feito em duas

etapas. A Primeira é a definição do conjunto de físicas pela qual a função do produto será exercida. Por exemplo a junção de dois componentes pode ser feita por elementos de fixação, solda, cola, fitas adesivas etc, ou seja diferentes físicas.

Quanto maior o número de alternativas levantadas maior a probabilidade de sucesso.

Existem várias ferramentas que podem ser utilizadas para alavancar a criatividade e aumentar a geração de alternativas na geração de conceitos. Mike Vance da Disney Corporation definiu a criatividade como “fazendo o novo ou rearranjando o velho”, sendo a última muito mais aplicada, como no caso da metodologia TRIZ, desenvolvida por Altshuller, enquanto estudava patentes Russas. Ele notou que os mesmos princípios eram usados repetidamente para resolver problemas similares. TRIZ é a compilação das mais efetivas soluções para problemas técnicos diferentes independentes da indústria.

Resumindo, a maneira mais eficiente com menor custo de desenvolver produtos robustos é primeiro encontrar o melhor conjunto das leis físicas aplicadas no desenvolvimento do conceito que serão o mais robusto possível a todas as fontes de variação do processo fabricação e utilização / desempenho do produto. Na segunda etapa, após estabelecido o conceito robusto, é desenvolvido os parâmetros / características do produto de maneira a maximizar a sua robustez, podendo utilizar DOE, Taguchi ou outra ferramenta de otimização dos parâmetros. Em seguida faz se a analise de valor ou tolerâncias que vão determinar os processo de fabricação, em outras palavras, quanto de dinheiro será pago para produzir aquele produto.

Para aumentar a eficiência deste ciclo é necessário manter uma boa gestão de dados históricos referentes aos modos de falhas (FMEA), monitoramento de falhas no campo e testes físicos durante desenvolvimento, regiões críticas em termos de tensões mapeadas nas simulações dos testes físicos de maneira que todos eles conversem minimizando o risco do projeto.

Eduardo Nunes, Engenheiro de materiais na General Motors. Doutor em Engenharia de Materiais pela Escola Politecnica, USP. BEng em Engenharia Metalúrgica, forte conhecimento em investigação de falhas. Design para Six Sigma, Master Black Belt. Especialista em encontrar a melhor rota de fabricação de peças metálicas considerando critérios técnicos e comerciais.

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UMA NOVA ROTA PARA A PRODUÇÃO DE FILMES DE GRAFENO

por Mário Garcia

Opesquisador e professor Mário Garcia, especialista em tecnologia de Plasma Térmico está propondo uma nova rota para a produção de filmes de grafeno, onde carbono proveniente de hidrocarbonetos termicamente decompostos são depositados sobre uma superfície que fora modificada por implantação iônica com átomos de cobre.

O objetivo do trabalho é o desenvolvimento do processo de geração de grafeno a partir da decomposição térmica do metano e hidrocarbonetos, utilizando a tecnologia de plasma térmico. Na proposta pretende-se ainda quantificar e avaliar a viabilidade do aproveitamento do hidrogênio liberado no processo. Busca-se um processo limpo, mitigando os impactos ambientais na cadeia de produção do grafeno. Neste desenvolvimento, pretende-se definir as condições de produção em uma unidade piloto para que se crie um modelo que permita escalar o processo para uma planta industrial.

O grafeno consiste em uma folha plana de átomos de carbono em ligação sp2 densamente compactados e com espessura de apenas um átomo, reunidos em uma estrutura cristalina hexagonal (https://periodicos.ufv.br/jcec/article/ view/2437/1742). A rota proposta consiste na injeção de hidrocarboneto em uma tocha de plasma térmico juntamente com um gás de plasma para que, a uma temperatura do plasma entre 5.000 °C e 15.000 °C, a reação de separação dos átomos de carbono e dos átomos de hidrogênio se dê em voo, sem rotas químicas, simplificando o processo e reduzindo significativamente os impactos ambientais. Esta separação promovida pelo jato de plasma, em condições de atmosfera controlada e na presença de uma superfície catalítica, busca-se a formação das lâminas do grafeno. Além disso, ao promover a dissociação dos componentes do hidrocarboneto, ocorre a liberação do hidrogênio, que pode ser recolhido e aproveitado. Do processo ainda será avaliada e quantificada a produção deste hidrogênio e o seu aproveitamento como fonte de energia.

A inovação proposta vem principalmente da fonte de energia utilizada para a decomposição química do hidrocarboneto, o Plasma Térmico, que atinge temperaturas da ordem de

50.000 °C no núcleo de seu jato. Com o Plasma a velocidade de decomposição do hidrocarboneto é maior, acelerando o processo de formação do grafeno. Além disso, serão utilizados gases aditivos ao hidrocarboneto com a função de acelerar o crescimento do grafeno na superfície do cobre, assim como reduzir sua aderência da superfície catalítica. Cabe destacar que a modificação da superfície catalítica também é feita com uso da tecnologia de plasma.

A geração do plasma ocorre em uma tocha de plasma que é colocada em um reator onde recebe o hidrocarboneto que é utilizado juntamente com o gás de plasma. A saída deste gás nas condições de superaquecimento é submetida à uma condição de agitação circular promovida por sistema de vórtex, causando uma maior homogeneidade na reação que ocorre em voo. Na região de saída de gases da tocha de plasma será instalada uma câmara de paredes refrigeradas revestidas de material catalítico, para a formação do grafeno. O grande diferencial deste projeto é justamente a extensão desta câmara, que poderá gerar folhas de grafeno de dimensões muito maiores que nos demais métodos. Os gases produzidos, principalmente

o hidrogênio, serão analisadas e avaliadas as condições de seu aproveitamento energético e comercial.

Confirmada a redução da aderência na superfície catalítica, há a possibilidade de vir a testar a fabricação de placas ou fitas contínuas de grafeno, com a aplicação do plasma como elemento de processamento. Busca-se uma modificação na superfície do cobre (ou outro material catalisador) para reduzir a aderência do grafeno na superfície. Somente essa possibilidade de redução da aderência na superfície catalítica já justifica a aplicação da tecnologia, comparada a outras rotas. Além disso, esse processo não utiliza rotas líquidas e nem substâncias de manuseio controlado, o que facilita o processo, além de ser ambientalmente correto. Mesmo os gases resultantes do processo, pela própria característica do processo a Plasma Térmico, são inertes e poderão ser descartados na atmosfera sem maiores danos. Testes já foram realizados na direção da produção desta superfície modificada utilizando um bloco de zircônia em aglomerados manométricos para a implantação de íons de cobre, formando a superfície catalítica, mostrada na figura 3.

Os impactos esperados com o processo proposto com a aplicação do Plasma Térmico são os seguintes:

- Redução da aderência do grafeno na superfície catalítica, sendo o cobre ou outras ligas, pela modificação da superfície catalítica, buscando facilitar a sua remoção. Este resultado pode, inclusive, facilitar a outras rotas de produção de grafeno. Esta característica de redução da aderência deverá ser objeto específico de patente.

- Aumento da velocidade de crescimento das placas de grafeno na superfície catalisadora com a aplicação do Plasma Térmico, quando comparado com as tecnologias atuais. Não somente a velocidade de formação, mas também a possibilidade de obter placas ou fitas de dimensões maiores que as obtidas nos processos atuais limitadas pelas dimensões das plaquinhas de cobre.

- Com isso, deverá resultar em um processo com menor custo de produção para o grafeno, competindo em qualidade e tecnologia com outros produtores mundiais.

- Utilizando gás hidrocarboneto como matéria prima, até

mesmo gases alternativos poderão ser testados, como gás natural ou até mesmo biogases de fontes alternativas com a aplicação do Plasma Térmico.

- Formação de carbono sólido residual do processo, que pode ser utilizado para aplicações que utilizem negro de fumo ou para produção de carvão ativado.

- Apesar de não ser o objeto do projeto, haverá a formação de hidrogênio, que poderá ser utilizado no próprio processo ou exportado para outras utilizações

- Formação de expertise nacional sobre a produção do grafeno e mão de obra especializada com a aplicação do Plasma Térmico.

Atualmente, os trabalhos avançam na direção de obter melhores resultados na elaboração da superfície catalítica, o que se mostra em uma fase muito promissora e, com certeza, revolucionará a produção de grafeno no Brasil e no Mundo.

Mário Gonçalves Garcia Jr é Engenheiro Elétrico formado desde 1986, com mestrado em Eletrônica de Potência e doutorando em Engenharia de Energia. Começou a trabalhar com Plasma Térmico em 1996 nos Laboratórios de Plasma do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) com projetos de retificadores e conversores de potência para Tochas de Plasma e automação de processos. Em 2002 fundou a RAE ELECTRIC e desde então tem trabalhado na implantação e projetos com utilização de plasma térmico. É Coordenador e professor dos cursos de Engenharia da Fundação Santo André

INMETRO NA FRENTE DO FUTURO DO GRAFENO NO BRASIL

por Joyce Araújo

Mirando na rede de ensaios em grafeno e visando a homologação de produtos industriais, a iniciativa surge como desdobramento do “Fórum Grafeno”, evento que ocorreu no Inmetro no primeiro semestre de 2022, com o objetivo de ser um espaço aberto pela presidência do órgão para que as empresas do setor trouxessem suas questões mais urgentes na temática da padronização e certificação de produtos que utilizam grafeno e podem vir a ser aplicados à diferentes setores industriais. Um dos setores

interessados na utilização de grafeno em seus produtos é o setor automotivo, que hoje é uma locomotiva para outros setores da indústria visando alavancar a produção e aplicação em larga escala do grafeno. Porém, o maior gargalo para que isto de fato aconteça é ter a confiabilidade necessária em toda cadeia produtiva para manter as propriedades chave em uma mistura grafeno-matriz polimérica pré-fabricada. Com esse intuito, os participantes do “Fórum Grafeno” decidiram criar o grupo de trabalho voltado à harmonização de rotinas de

Figura 2. Planilha dos testes realizados em matrizes poliméricas

Figura 3. Planilha dos testes realizados em matrizes elastoméricas

caracterização e ensaios de proficiência visando a criação de condições no Brasil para homologação de produtos à base de grafeno. Esse trabalho tem como missão e objetivo:

Missão

• Estabelecer uma rede brasileira de metrologia do produto grafeno primário e processado em território nacional que padronize os testes, certifique a garantia da qualidade e as informações geradas no universo do produto grafeno.

Objetivo

• Reconhecimento da demanda nacional em fabricação e aplicação de grafeno via padronização das formas de testar e especificar as características dos produtos, com foco na homologação dos mesmos e na qualificação dos equipamentos e laboratórios de testes brasileiros.

Descrição

• Os participantes do Fórum Grafeno idealizaram um mapa geral da atuação do time em referência as necessidades brasileiras. Na Figura 1, observa-se o modelo de trabalho.

Diante das necessidades, ainda sendo listadas pelo grupo de trabalho, dois exemplos de aplicações (matrizes polimérica e elastomérica) foram demonstrados para visualizar o tamanho da importância desta iniciativa em referência a diversidade de aplicações. As Figuras 3 e 4 mostram o mapa destes materiais que entrarão em discussão para cada tipo de teste; nota-se que os agrupamentos são vastos e o trabalho precisará abranger todas as situações de testes, a medida de prioridades, demandas do setor e importância e o sucesso de inclusão de grafeno nestas matrizes. Estes quadros são uma realidade de setor de homologação de materiais para aplicação no setor da mobilidade, todavia, outros setores industriais, biotecnológicos e ambientais ainda podem ter demandas adicionais que deverão ser exploradas pelo grupo de colaboradores.

O estudo do grafeno quando aplicado diretamente em diferentes materiais, tais como blendas, compósitos e dispersões ainda evoluindo-se encontra na etapa de Pesquisa & Desenvolvimento visando a determinação de métodos padronizados de testes. Já existem muitos artigos científicos na literatura tratando de aspectos importantes sobre dispersão do grafeno em matrizes tais como teor de carga, interações químicas na região de interface, grau de esfoliação da carga e efeito das condições de processamento nas propriedades mecânicas, térmicas, estruturais e morfológicas destas misturas, por outro lado, pouco se sabe da amplitude destas condições. Em um caso hipotético, para estas duas matrizes do setor da mobilidade (matrizes poliméricas e elastoméricas) se ocorrerem 100% dos testes, serão possíveis mais de 700 combinações (formulações). Considerando o grande número de matrizes possíveis a incorporarem o grafeno bem como a grande quantidade de ensaios a serem realizados, o grupo

de trabalho constituído no âmbito do “Fórum Grafeno” terá muito trabalho pela frente e por isto a terá a necessidade de abranger a máxima representatividade do universo de aplicações de grafeno existente em nosso mercado local.

Adesão à rede

Faça parte do Grupo de Trabalho em uma das seguintes categorias:

1- Produtores de grafeno.

2- Processador de matéria-prima com grafeno (polimérico, borracha, aditivos para tinta, lubrificante, filtrante.

3- Inmetro (testes: procedimento, credenciador e infraestrutura da qualidade).

4- Laboratórios de testes a serem acreditados.

5- Laboratórios desenvolvedores de protótipos e Startups.

Para participar preencha o formulário de intenções clicando aqui:

Joyce Araújo, Chefe Substituta da Divisão de Metrologia de Materiais; Diretoria de Metrologia Científica e Tecnológica (Dimci); Divisão de Metrologia de Materiais (Dimat)