Sensor gera sua própria energia para monitorar indústrias

Sistemas de ar comprimido

Sistemas de ar comprimido não estão apenas em postos de gasolina para que você calibre os pneus do seu carro. Eles estão presentes em virtualmente todas as indústrias, existindo inclusive linhas de produção inteiramente pneumáticas, funcionando com base na pressão do ar.

Sensores de pressão

É claro que ocorrem vazamentos, que fazem a pressão do ar cair, podendo até mesmo interromper a produção na indústria até que o problema seja sanado. Para minimizar essas falhas, são utilizados sensores de pressão que monitoram constantemente a pressão do ar, apontando qualquer queda brusca que possa indicar o surgimento de um vazamento.
Embora funcionem bem, esses sensores de pressão poderiam ser melhores. Eles utilizam baterias, que precisam ser checadas constantemente, ou são ligados por fiações que introduzem incertezas e riscos adicionais ao próprio monitoramento de segurança. Isso sem contar os locais onde seria adequado que a pressão do ar fosse monitorada, mas que é impossível instalar um sensor lá.

Linhas de produção pneumáticas

Agora, pesquisadores do Instituto Fraunhofer, na Alemanha, criaram uma nova tecnologia que permite a fabricação de uma categoria inteiramente nova de sensores de baixa manutenção e energeticamente autônomos.
"Nosso sistema é eminentemente adequado para sensores em plantas pneumáticas, na medida que podemos converter a energia cinética do ar ou da água em eletricidade," explica o engenheiro Israel Ramirez.

Transdutor de energia fluídica

"O transdutor de energia fluídica gera eletricidade na faixa dos microwatts ou miliwatts. Isto é suficiente para abastecer os sensores de operação cíclica com energia suficiente para que eles leiam e transmitam os dados relevantes," diz Ramirez.
A conversão fluido-eletricidade ocorre no interior de um compartimento fechado, através do qual o fluido é injetado em trajeto similar ao do sangue passando pelo coração.
O chamado efeito Coandã faz com que o fluxo constante de fluido oscile. A oscilação produz uma flutuação periódica de pressão nas placas de retorno, que são acopladas a pequenos blocos de cerâmica piezoelétrica. A variação da pressão sobre a piezocerâmica faz com que ela gere a eletricidade necessária ao funcionamento do sensor de pressão.
A nova técnica pode ser utilizada em qualquer sistema no qual um fluido - ar, água ou qualquer gás - passe por uma geometria fixa. Outra grande vantagem é a eliminação total de partes móveis no monitoramento da pressão.

Brasil desenvolve tecnologia de materiais luminescentes usando terras raras

Pesquisadores do Instituto de Química (IQ) da USP estão utilizando íons de terras raras para sintetizar compostos altamente luminescentes que podem ser usados como marcadores ópticos em exames médicos e para a confecção de dispositivos moleculares emissores de luz.

Os materiais desenvolvidos contribuirão para a inovação tecnológica de novos marcadores, fornecendo indicações que auxiliem na conservação de alimentos congelados, vacinas e medicamentos.

Terras raras

"Embora se utilize o termo terras raras, na verdade ele diz respeito a elementos que exigiam processos complexos para serem isolados", aponta o professor Hermi Felinto de Brito, do IQ, que coordena a pesquisa. "O elemento menos abundante dessa categoria, o Túlio, é mais comum na natureza do que o ouro, a prata e a platina".

Submetidas a radiação ultravioleta os íons terras raras emitem luzes de colorações variadas, como vermelho (európio trivalente), azul (túlio trivalente) e verde (térbio trivalente).

Alta intensidade luminescente

O estudo testou a utilização do európio bivalente combinado com silicatos e aluminatos para a produção de fósforos (compostos que emitem luz) que apresentem persistência luminosa. "A adição de pequenas concentrações de terras raras (dopagem) em matriz inorgânica, como sílica e alumina, permite que o sistema apresente alta intensidade luminescente quando irradiado", conta Tiago Becerra Paolini, aluno de mestrado do IQ.

O marcador óptico em estudo armazena energia quando irradiado a baixa temperatura e a sua emissão só acontece quando há aumento de temperatura. "Em embalagens de alimentos congelados, por exemplo, o marcador seria colocado em uma etiqueta lacrada", explica Roberval Stefani, pós-doutorando do IQ e participante do projeto. "Se o produto for descongelado no armazenamento, a energia irá se dissipar e a etiqueta com o marcador perderá a luminescência, o que poderá ser visualizado pelo consumidor ao abrir o lacre".

LEDs, monitores e lâmpadas

Atualmente, compostos de terras raras vêm sendo empregados em dispositivos luminosos, como lâmpadas fluorescentes, dispositivos orgânicos emissores de luz (OLED) e monitores de computador.

"Um fenômeno interessante exibido por alguns compostos de terras raras é a persistência luminosa, que é uma emissão luminosa que persiste por um longo período de tempo (aproximadamente 10 horas) depois de cessada a excitação (UV, luz do dia etc.)", aponta Brito. Esse tipo de material luminescente pode ser utilizado, dentre outros, em sinalização de emergência (hospitais, laboratórios, edifícios etc.), sinalização de trânsito e tintas fosforescentes.

Usos dos marcadores ópticos

Além da indústria alimentícia, o marcador óptico pode ser adotado em medicamentos e vacinas que necessitem de refrigeração. "A conservação desses produtos exige cuidados especiais, pois pequenas variações de temperatura podem comprometer todo o material", destaca Stefani. "A utilização dos marcadores pode ajudar a tornar mais adequadas as condições de conservação e armazenamento".

De acordo com Paolini, o marcador será aperfeiçoado com o aumento do tempo de persistência luminosa bem como de sua intensidade de emissão. "A idéia é que ele possa ser incluído na composição de alguma das tintas utilizadas para imprimir etiquetas", planeja. "Uma empresa do setor de impressão já manifestou interesse em receber a tecnologia em seus processos produtivos".

Outra aplicação prevista é a utilização de compostos luminescentes em sistemas de rastreabilidade. "Devido à grande ocorrência de roubos de cargas, os marcadores poderiam ajudar na localização de produtos farmacêuticos, entre outros", acrescenta o pós-doutorando. O professor Brito lembra que o Brasil é o sétimo produtor mundial de terras raras, que são abundantes nas areias monazíticas do litoral do Sudeste e do Nordeste e na região do Planalto Central, em Goiás.

Nariz eletrônico é capaz de detectar cheiros desconhecidos

Usos do nariz eletrônico

Além de monitorar processos industriais - na indústria de alimentos, farmacêutica e de produtos de beleza - e garantir a segurança de astronautas - detectando qualquer emissão tóxica no interior da nave - o nariz eletrônico é uma ferramenta cada vez mais pesquisada para a detecção de contaminantes ambientais e até de agentes patogênicos que possam estar se espalhando pelo ambiente.

Detectando cheiros desconhecidos

A grande vantagem da nova abordagem, em relação aos narizes eletrônicos já existentes, é a capacidade para detectar assinaturas químicas para as quais o nariz eletrônico não foi previamente treinado. Embora já existem equipamentos semelhantes com sensores à prova de desgaste, o módulo de reconhecimento adapta-se automaticamente às variações nas respostas do sensor à medida que ele envelhece.

O sensor do nariz eletrônico é na verdade um conjunto composto por oito sensores integrados, cada um construído para detectar uma família diferente de compostos químicos - os cheiros chegam até o nosso nariz na forma dos chamados elementos-traço, minúsculas quantidades de compostos químicos que representam a "assinatura" de cada material ou produto.

Essas moléculas cheirosas ativam neurônios sensoriais que transformam as interações químicas em sinais elétricos, por sua vez interpretados pelo cérebro como cheiros. Nós possuímos cerca de 350 tipos de neurônios sensoriais; animais como cães e ratos têm centenas de vezes mais do que isso.

Sensor monitora ossos e implantes sem eletrônica e sem baterias

O sensor mecänico passivo não contém nenhuma parte eletrônica e não requer energia para funcionar.
Cientistas suíços desenvolveram um novo tipo de sensor mecânico passivo, sem fios e sem circuitos eletrônicos, que permitirá que os médicos acompanhem a recuperação de ossos fraturados à medida em que eles se recuperam. Os dados coletados podem ser lidos por meio de um aparelho de ultra-som comum e interpretados por um programa de computador.
Dependendo dos valores das forças medidas pelo sensor, os médicos poderão decidir se o processo de cicatrização óssea e recalcificação está progredindo normalmente ou se há risco de que a fratura ou implante possam estar sofrendo sobrecargas, o que exigiria uma pronta intervenção.
Sensores sem fios e sem eletrônica
Já existem sensores com a mesma finalidade, mas eles são grandes e empregam complicados circuitos eletrônicos para enviar os dados coletados para fora do organismo, onde podem ser coletados como ondas de rádio.
Segundo o engenheiro Felix Gattiker, do laboratório Empa, sensores mecânicos passivos, sem partes eletrônicas terão muitas vantagens além de não usarem baterias, principalmente no aspecto financeiro, por que custarão muito menos. Além disso eles estarão muito menos sujeitos a falhas.
Medindo compressão e tensão
O sensor mecânico tem a forma de uma pequena espiral feita com tubos ocos, que é instalado sobre o implante ou a fratura, juntamente com um reservatório de líquido. Quando o implante é sujeito a compressão ou tensão, o nível do fluido na espiral muda.
O médico pode ler o nível do fluido com a ajuda de um aparelho de ultra-som. Um programa de computador então se encarrega de transformar o dado lido em uma informação sobre a carga a que está sujeito o implante.
Eco e força
A imagem do ultra-som propriamente dita é muito ruim para que o nível do fluido seja determinado visualmente. Para resolver essa limitação, os pesquisadores aproveitaram o fato de que há uma dependência entre o eco ultra-sônico produzido por toda a espiral e o nível real de líquido em seu interior - quando mais o alto nível do fluido, mais fraco será o eco que retorna do sensor, o que significa uma maior força atuando sobre ele.
O novo sensor já passou por todos os testes iniciais, inclusive nas avaliações econômicas, sendo mais barato de se produzir do que os equipamentos hoje disponíveis no mercado. O próximo passo da pesquisa é fazer os testes em animais, um passo necessário antes que ele possa vir a ser utilizado em humanos.

A ciência por trás do carro mais veloz de todos os tempos

Andy Green, o atual recordista mundial de velocidade em carros, e Richard Noble, o recordista anterior, uniram-se para construir um novo carro supersônico e estabelecer um novo recorde de velocidade terrestre. Eles estão construindo o BloodHound SSC (Super Sonic Car), que deverá se tornar o carro mais veloz de todos os tempos ao atingir mach 1.4.
Antes que isso seja possível, várias equipes de engenheiros e cientistas estão se debruçando sobre as pranchetas e inserindo gigantescas quantidades de dados em seus simuladores computadorizados, levando os conhecimentos científicos ao limite, a fim de viabilizar o projeto.
Carro supersônico
O carro supersônico, capaz de viajar a mais de 1.600 quiilômetros por hora, impulsionado por uma turbina e por um motor-foguete, deverá também ter os elementos mínimos para garantir a segurança do seu piloto. Entre os componentes mais críticos, estão as rodas e o próprio motor-foguete.
O BloodHound será inicialmente impulsionado por uma turbina EJ-200, até atingir a velocidade de 460 km/h. Neste ponto, o motor-foguete será acionado, e o carro será acelerado até o recorde pelo funcionamento simultâneo da turbina e do foguete. Ao atingir a velocidade máxima pretendida pela equipe, de 1.680 km/h, os motores são desligados e o carro começará a desacelerar.
Rodas antichoque
Para levar o carro muito acima da velocidade do som, as rodas do BloodHound deverão girar a 10.500 rpm, sem se deformar e sem sofrer qualquer dano pelas pedras que elas fatalmente encontrarão pela pista, localizada em um deserto.
Também deverão ser leves e resistentes o suficiente para suportar todas as forças necessárias, não apenas para suportar o peso do carro, mas principalmente das cargas sofridas durante a aceleração e a desaceleração.
Os cientistas do laboratório NPL, da Inglaterra, estão encarregados de projetar estas rodas. Eles estão trabalhando com vários materiais, avaliando ligas de titânio, alumínio e metais compósitos. Além das exigências de peso, suspensão e frenagens, as rodas deverão suportar as ondas de choque criadas quando a velocidade do som for ultrapassada.
Aerodinâmica do carro supersônico
A equipe da Universidade Swansea será a responsável por analisar as questões aerodinâmicas do carro supersônico. "Do nariz à cauda, nós estamos modelando qualquer coisa que tenha qualquer tipo de influência aerodinâmica," diz o pesquisador Ben Evans.
Estudos desse tipo normalmente são feitos em túneis de vento. Só que não existem túneis de vento capazes de simular um carro correndo sobre o solo acima da velocidade do som - o BloodHound deverá viajar a uma velocidade cinco vezes maior do que a velocidade de um carro de Fórmula 1.
Dinâmica dos Fluidos Computacional
Tudo será simulado utilizando a Dinâmica dos Fluidos Computacional. Embora o carro atualmente detentor do recorde mundial de velocidade tenha superado a barreira do som por alguns segundos, o BloodHound atingirá mach 1.4, mantendo uma velocidade supersônica por um tempo muito mais longo.
"Uma vez que você se aproxima, e então supera a velocidade do som, você não pode mais enviar uma onda de pressão adiante para dizer ao ar à frente que você está chegando. O que acontece é que surge um gigantesco muro de pressão à sua frente. Em vez do ar sair lenta e suavemente do seu caminho, em velocidades supersônicas essas mudanças acontecem repentinamente em uma onda de choque," explica Evans.
São essas ondas de choque que chegam ao solo na forma de um estrondo quando um avião ultrapassa a velocidade do som. O desafio dos cientistas é descobrir como essa onda irá se comportar e interagir com o carro, que estará a poucos centímetros do solo.
Os próprios cientistas afirmam que não sabem exatamente quais são os desafios com que eles irão se defrontar, e que novos problemas fatalmente surgirão conforme eles forem avançando.
Por isto, a própria equipe está lançando desafios para a comunidade científica, para que questões adicionais possam ser levantadas e pesquisadas. A equipe planeja fazer sua primeira tentativa de bater o recorde mundial de velocidade sobre o solo em 2011.

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Hidrogênio biológico poderá ser produzido a partir do esgoto

Um projeto de pesquisa que integra a geração de energia e o controle da poluição ambiental rendeu a docentes e estudantes da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC - USP), a primeira colocação na quinta edição do Prêmio Mercosul de Ciência e Tecnologia, na categoria Integração.

O trabalho foi feito por pesquisadores do Laboratório de Processos Biológicos da EESC, em parceria com colegas da Universidade da República (Udelar), no Uruguai.

Hidrogênio renovável

O estudo propõe a produção de hidrogênio como fonte de energia renovável, em alternativa aos combustíveis fósseis, a partir do tratamento de águas residuárias.

Um dos coordenadores, Marcelo Zaiat, professor do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC, explica que a produção biológica de hidrogênio pode ocorrer por duas vias: fotossíntese e processo fermentativo.

"A produção fermentativa foi o tema abordado na pesquisa, que objetivou o desenvolvimento de biorreatores anaeróbios e o estudo das melhores condições para produção de hidrogênio. A fermentação é tecnicamente mais simples e, nesse caso, o hidrogênio pode ser obtido a partir da matéria orgânica presente em águas residuárias", disse Zaiat à Agência FAPESP.

Hidrogênio extraído do esgoto

Segundo ele, o processo anaeróbio de conversão de matéria orgânica divide-se basicamente em duas fases: acidogênica e metanogênica. O hidrogênio é obtido na primeira fase (acidogênica), a qual é mediada por organismos que consomem a matéria orgânica das águas residuárias e produzem ácidos orgânicos, álcoois e hidrogênio.

"O desafio nessa fase está no desenvolvimento de reatores biológicos mais adequados para essa conversão, permitindo a maximização da produção de hidrogênio. O uso de biorreatores acidogênicos conjugados com os metanogênicos possibilita o tratamento de água residuária, assim como a produção de hidrogênio como fonte de energia", apontou.

Biohidrogênio mais controle da poluição

Nesse contexto de associação entre a produção de hidrogênio com baixo custo e o controle da poluição ambiental, Zaiat aponta que os trabalhos de pesquisa na área começaram a ser desenvolvidos na década de 1990 e que, até hoje, mais de 200 estudos sobre bioprodução de hidrogênio já foram publicados no mundo.

Os grupos de pesquisa premiados da USP e da Udelar têm desenvolvido reatores biológicos inovadores com o aprimoramento de parâmetros de engenharia para maximizar a produção de hidrogênio.

"Muitos problemas de engenharia ainda devem ser resolvidos antes de essa tecnologia poder ser aplicada em escala industrial, mas os dois grupos têm trabalhado com águas residuárias de várias origens, buscando aplicações em vários setores produtivos ligados à América Latina", apontou o professor da USP.

Águas residuárias

Águas residuárias são águas utilizadas em algum processo, seja industrial ou residencial, e que são devolvidas ao ambiente. Um exemplo são os esgotos domésticos que, lançados nos rios sem o devido tratamento, podem causar impactos negativos ao meio ambiente.

"O nosso projeto propõe que, acoplado à estação de tratamento do esgoto doméstico, possa estar um reator acidogênico para produção do hidrogênio, um combustível limpo que gera, nas células, a água como único produto", disse Zaiat. Entre as formas de obtenção de hidrogênio estão a queima de combustível fóssil, eletrólise e a produção biológica.

Combustível limpo

"A produção biológica é a mais atrativa por envolver tecnologias de baixo custo quando comparada a outras técnicas, além de requerer menos energia para geração. Esse tipo de produção pode contribuir para a redução de custos na geração de hidrogênio principalmente se a matéria-prima, os compostos orgânicos, for obtida de águas residuárias geradas por indústrias ou esgoto de domicílios", afirmou.

Segundo o pesquisador, além de ser um combustível limpo, outra vantagem é que o hidrogênio é quase três vezes mais energético do que os hidrocarbonetos. "Essa conta é feita pela termodinâmica. O calor de combustão do hidrogênio é de 122 quilojoules por grama (kJ/g), cerca de 2,75 vezes maior do que o dos hidrocarbonetos", calculou.

Robô assistente é inspirado em cão-guia para cegos

Se o cão já é considerado o melhor amigo das pessoas sem deficiências físicas, torna-se difícil definir a relação entre um cão-guia e uma pessoa cega. O animal treinado é capaz de alterar completamente a rotina do deficiente, permitindo o desempenho de tarefas impossíveis sem ele e melhorando muito a qualidade de vida do seu dono.

O problema é que um cão-guia para cegos é um luxo para poucos. Um animal treinado, geralmente importado, pode chegar a custar até US$40.000,00.

Cães-guia robóticos

A solução para esse problema, abrindo caminho para que mais cegos possam ter acesso a guias treinados, pode estar nos robôs - nos cães-guia robóticos. Esta é a proposta de pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos Estados Unidos.

Mesmo não lembrando em nada um cão, o robô-guia é capaz de imitar 10 tarefas comumente feitas por um cão-guia, podendo inclusive ser acionado pela voz do seu dono.

Robô assistente

O robô assistente é dotado de um braço multifuncional, montado sobre uma torre, o que permite que o braço deslize para alcançar objetos em várias alturas. Isso o torna capaz, por exemplo, de apanhar um controle remoto caído no chão, girar a maçaneta de uma porta, abrir gavetas ou acionar os interruptores de luz.

"É um caminho para termos robôs por aí ajudando as pessoas brevemente," diz o pesquisador Charlie Kemp. "Cães de serviço têm uma longa história no auxílio das pessoas, mas há uma lista de espera de vários anos. É algo muito caro de se ter. Nós acreditamos que os robôs eventualmente irão nos ajudar a atender a essas necessidades."

Cães de serviço como inspiração par robôs

O próprio robô ainda tem deficiências, que precisarão ser sanadas em futuras versões. Por utilizar rodas, ele tem sua mobilidade muito limitada. E vários comandos exigem que o usuário aponte o objeto desejado com uma caneta a laser, o que torna essas funcionalidades inacessíveis às pessoas cegas, embora continuem sendo úteis para outros deficientes e para pessoas idosas.

Contudo, a inspiração em cães-guia para a construção de robôs assistentes parece ser promissora. "Eu acredito que nós seremos capazes de atingir as capacidades de um cão-guia muito antes de atingirmos as capacidades de um enfermeiro humano," diz Kemp.