nano
robôs
Distribuição Gratuita - nº 11 | Abr / Mai 2015
Vai além da sala de aula
A
N
D
de
GAME OF DRONES
ciência, tecnologia e legislação
para veículos aéreos não tripulados
página 5
REATORES DE TÓRIO
usinas nucleares mais
limpas e seguras
página 15
VÍCIO EM AÇÚCAR
a fisiologia do doce
no organismo
página 3
Faça Engenharia
A National Instruments fornece o hardware e software de que os
estudantes precisam para fazer experimentos, ir além da teoria e
simulação e compreender o que significa a prática da engenharia.
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(11) 3149-3149
Açúcar,
um prazer
viciante
texto por Raisa Jakubiak
A
lguns comportamentos do ser humano não são só instintivos, mas também prazerosos. Isso acontece como
um “incentivo” para que ações como alimentar-se ou
fazer sexo sejam repetidas, garantindo não só a sobrevivência
dos indivíduos, mas também da espécie como um todo. Afinal,
quem toparia ir naquele churrasco de domingo, sabendo
tudo o que vai acontecer depois, sem nenhuma recompensa?
E é isso o que o açúcar é: uma recompensa natural.
Nossos ancestrais aprenderam a interpretar gostos como
sendo diferentes sinais enviados pelos alimentos encontrados na natureza. Tipicamente, enquanto o gosto azedo indica
que o alimento, como uma fruta, ainda não está maduro,
ou o gosto amargo pode ser um alerta de “Cuspa isso já, é
venenoso!”, alimentos doces são naturalmente identificados
como uma boa fonte de carboidratos – que, apesar de tratados como vilões por dietas restritivas como a Atkins, são
fundamentais para o bom funcionamento do organismo. É
natural que algumas pessoas tenham preferências diferentes
das outras, mas a grande maioria de nós encara um docinho
como uma agradável recompensa.
A fisiologia do doce prazer
Através das eras, o processo evolutivo favoreceu o desenvolvimento do que chamamos de sistema mesolímbico, ou
via mesolímbica, que é responsável por modular e interpretar os estímulos naturais que entendemos como recompensa.
Basicamente, quando realizamos alguma atividade prazerosa,
um feixe de neurônios chamado de área tegmental ventral usa
a dopamina, um neurotransmissor que é o precursor natural
da adrenalina, como sinalizador para uma parte do cérebro
Você com certeza deve saber que
açúcar em excesso faz mal. Mas
você sabia que, além de trazer
malefícios à saúde, o doce pode
ser tão viciante quanto cocaína?
Isso mesmo: vício em açúcar.
O açúcar torna o indivíduo
dependente ao “sequestrar” a
via de recompensa do cérebro.
Evidências neuroquímicas e comportamentais recentes mostram
como o açúcar atua no organismo transformando um prazer
palativo em dependência.
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chamada de núcleo accumbens. E é a conexão entre o núcleo
accumbens e o córtex pré-frontal medial que vai decidir qual
será o seu próximo passo: “Será que como mais um desses
mil folhas com esse recheio de creme maravilhoso?”. O córtex pré-frontal medial é o responsável também por ativar
hormônios que fazem com que você decida se algo é bom
ou não, guardando esta informação para estímulos futuros.
Açúcar adicionado
Nossos ancestrais comiam frutas, raízes e batatas doces
como recompensas. Mas o que comemos hoje? A verdade é
que, além do açúcar natural dos alimentos, há açúcar adicionado em quase todos os produtos industrializados que
ingerimos – mesmo que ele seja salgado.
A vida corrida e dinâmica que a maioria da população
enfrenta torna a escolha da alimentação, na maioria das vezes,
mais inclinada à praticidade do que à qualidade. Chegar em
casa cansado e ainda ter de preparar uma refeição é algo
impensável para muitos. Além disso, mesmo que você corte
ou diminua os doces esperando emagrecer, fugir dos açúcares adicionados não é tarefa fácil. Assim como conservantes,
hoje em dia é muito difícil encontrar alimentos processados
que não contenham nenhuma forma de açúcar adicionado.
É quando consumimos este açúcar sem perceber que ele se
torna o vilão: nos tornamos dependentes às escuras.
Assim como a nicotina e a cocaína, o açúcar dispara a
liberação de dopamina no núcleo accumbens. A longo prazo,
o consumo regular de açúcar literalmente muda a expressão
de determinados genes e a disponibilidade de receptores de
dopamina tanto do mesencéfalo quanto do córtex frontal.
O que acontece especificamente é que o açúcar aumenta a
concentração de um tipo de receptor excitatório chamado
D1, porém diminui o número de receptores inibitórios D2.
Outra consequência trazida pela ingestão regular de açúcares é a inibição da atividade da proteína transportadora de
dopamina, que bombeia o neurotransmissor para fora das
sinapses e de volta ao neurônio após disparar.
Resumindo, o acesso contínuo a açúcar leva, em longo
prazo, à sinalização prolongada de dopamina, grande excitação das vias de recompensa do cérebro e uma necessidade de
“doses” cada vez maiores de açúcar para que todos os receptores do mesencéfalo sejam ativados como antes. Assim como
em dependentes químicos, a pessoa necessita cada vez de mais
açúcar para atingir o mesmo prazer de comer do que antes.
Desta maneira, como os açúcares adicionados estão
disfarçados em quase todos os alimentos industrializados, é
compreensível que seja tão difícil abandonar certos hábitos,
perder peso e vencer a compulsão por açúcar já que, diferente
do vício por drogas, o cérebro está sendo estimulado a cada
refeição, muitas vezes sem sabermos – a bolacha água e sal,
que teoricamente é salgada e é queridinha de quem faz dieta,
está recheada deles.
substância viciante predispõe alguém a se viciar em outra).
Todos estes componentes foram observados tanto em modelos
animais com vício desenvolvido em drogas quanto em açúcar.
Em um dos experimentos, ratos eram mantidos sem
comida 12 horas por dia. Durante as 12 horas seguintes, os
animais tinham acesso a uma solução açucarada e ração
comum. Depois de um mês deste processo, os ratos passaram a mostrar comportamentos similares aos de abuso de
drogas, como uma compulsão pela solução açucarada muito
maior do que pela ração. Eles também mostraram sintomas
de ansiedade e depressão durante o período de privação de
comida. Outros comportamentos curiosos foram observados
em outros experimentos, similares aos da depressão. Quando
submetidos a um teste onde precisavam nadar para voltar a
uma situação de conforto, ratos com abstinência de açúcar
tendiam a apresentar comportamentos mais passivos do que
ativos. Eles ficavam lá apenas boiando, ao invés de tentar
escapar. Este comportamento passivo sugere sentimentos de
desamparo e falta de esperança, típicos de um perfil depressivo.
Finalmente, um novo estudo publicado pela equipe
de Victor Mangabeira no Physiology & Behavior indica que
privação de açúcar também pode levar a comportamentos
compulsivos. No estudo, alguns ratos eram treinados a receber
água apertando uma alavanca. Após o treinamento, os animais foram relocados em suas jaulas e tinham acesso tanto
a água pura quanto a uma solução açucarada. Após 30 dias,
os animais foram novamente estimulados a pressionar uma
alavanca para receber água, e o resultado chama a atenção
pela similaridade com o comportamento humano: os ratos
que se tornaram dependentes de açúcar pressionavam a alavanca muito mais vezes do que os ratos do grupo de controle,
o que sugere ansiedade e comportamento impulsivo. Além
de estarem ansiosos para ingerir açúcar, os ratos viciados
consumiram muito mais do que precisavam para sobreviver.
Apesar extremos, já que não nos submetemos a 12
horas de privação de alimentação e depois nos acabamos de
tomar refrigerantes e comer bolo no fim do dia (pelo menos
não a maioria de nós) e nem precisamos ficar apertando uma
alavanca para receber alimentos, esses estudos certamente
trazem novas evidências, com dados alarmantes, dos traços
da dependência de açúcar no organismo. A parte assustadora é que não se pode negar que os resultados são muito
semelhantes ao que observamos em pessoas que chamamos
de “formigas”. ■
Fontes:
»» Jordan Gaines Lewis, “Here’s what happens to your brain when you give up
sugar for Lent”, The Conversation (2015)
»» USA National Institute of Drug Abuse - http://www.drugabuse.gov/
»»Added Sugar in the Diet, Harvard School of Public Health
»»Avena NM1, Rada P, Hoebel BG. , “Evidence for sugar addiction: behavioral
and neurochemical effects of intermittent, excessive sugar intake”, Neurosci
Biobehav Rev. 32, p 20-39 (2008)
Abstinência e evidências comportamentais
Há componentes principais no vício: a compulsão, abstinência, desejo e sensibilização cruzada (a noção de que uma
4 | Revista Polyteck | www.polyteck.com.br
»» Mangabeira V., Garcia-Mijares M., Silva MT., “Sugar withdrawal and
differential reinforcement of low rate (DRL) performance in rats” Physiol
Behav. 139, p 468-73 (2015)
Oferecimento
of
ame
G
Drones
texto por André Sionek
O uso comercial e científico de Veículos Aéreos Não
Tripulados começou a ganhar força novamente na última
década com o barateamento das tecnologias utilizadas
nas aeronaves.
As violentas lutas jurídicas entre cientistas, empreendedores, órgãos reguladores e outras famílias nobres para
ter controle sobre uma pequena porção do espaço aéreo,
parecem ser a principal barreira para a proliferação
dos drones. Enquanto isso, nas regiões desconhecidas
ao norte da Muralha e nos continentes ao leste, novas
tecnologias começam a surgir.
O
s primeiros experimentos
científicos com veículos
aéreos não tripulados (Vants)
- popularmente chamados de drones começaram na década de 70, quando
a Agência Espacial Americana
(NASA) desenvolveu modelos customizados para a pesquisa em grandes altitudes. Apesar dos esforços na
época, as aeronaves não tripuladas
equipadas com sensores de ponta
eram muito caras, e as versões mais
simples não serviam para o propósito
da maioria das aplicações. Durante
a última década, entretanto, a queda
nos preços desses equipamentos e os
avanços tecnológicos - desde a utilização de navegação a bordo utilizando o Sistema de Posicionamento
Global (GPS) até a miniaturização
dos pilotos automáticos - têm estimulado vários grupos de pesquisa a
realizar experimentos com drones.
No final de setembro de 2014,
por exemplo, a Administração
Oceânica e Atmosférica Nacional
(NOAA), nos EUA, se preparou para
dar uma olhada no interior do furacão Edouard enquanto ele avançava
pelo Oceano Atlântico. Os caçadores
de furacões da NOAA, entretanto estes que têm voado para dentro de
tempestades por décadas - tiveram
que ficar em casa: a agência resolveu
enviar drones. Durante o voo de mais
de uma hora nos ventos do furacão, os drones "Coyote", com quatro
metros de envergadura, transmitiram dados sobre temperatura, pressão e vento a uma altitude abaixo
de 900 metros - onde aeronaves
tripuladas não poderiam voar com
segurança - de volta para o Centro
Nacional de Furacões da NOAA em
Miami. Um deles até orbitou brevemente na parede formada pelos
ventos intensos em torno do olho
do furacão antes de cair no oceano.
As aeronaves não tripuladas
já oferecem uma maneira eficiente
de coletar dados e realizar importantes avanços em pesquisas nos
pólos, vulcões, tempestades e também sobre a vida selvagem em locais
de difícil acesso. Drones relativamente baratos com capacidades de
imageamento e sensores avançados
também têm ajudado a aumentar a
produtividade e a reduzir os danos
em plantações. Algumas empresas
de varejo já têm trabalhado inclusive no desenvolvimento de Vants
que realizarão entregas de encomendas no ambiente urbano.
O que fica no caminho para o
uso mais amplo de drones são alguns
desafios técnicos e, principalmente,
os jurídicos. Os pesquisadores tentam
melhorar a sua autonomia, capacidade de manobra e resistência, mas as
leis de muitos países colocam limites estritos sobre onde e como essas
aeronaves podem ser utilizadas. Se
essas leis forem afrouxadas, e há
sinais de que serão, robôs científicos
voadores provavelmente começarão
a ir para o céu em maior número.
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Legislação
Os drones parecem estar em
todos os lugares, mas não em ambientes externos. Embora tenham aplicação diversificada, a falta de regulamentação implica em uma série de
restrições à operação destas aeronaves no país. Elas são classificadas e
regulamentadas conforme o propósito de uso: para lazer, hobby, esporte
ou competição, o equipamento é visto
como um aeromodelo. Contudo, o
aparelho passa a ser entendido como
um Vant se possuir qualquer carga
útil embarcada não necessária para
o voo (uma câmera, por exemplo).
Para voar com os equipamentos em
ambientes externos, seja para fins
comerciais ou de pesquisa, tanto nos
Estados Unidos quanto no Brasil, é
preciso fazer uma solicitação formal para os órgãos reguladores, tais
como a Agência Nacional de Aviação
Civil (Anac) ou a Administração
Federal de Aviação (FAA), nos EUA.
A Anac já sinalizou que pretende permitir voos de drones de
até 25 quilos em lugares públicos
a até 120 metros de altitude com
regras facilitadas. A nova legislação
dará mais flexibilidade e agilidade
no uso de Vants, o que deve influenciar diretamente na sua comercialização e utilização no Brasil.
Nos Estados Unidos, obter uma
autorização para voar um drone
demora, em média, 60 dias. Uma
vez obtida, o grupo pode voar com
a aeronave durante o dia por um ou
dois anos, contanto que notifiquem
a FAA com antecedência todas as
vezes que quiserem voar. A boa notícia é que, contanto que não ocorram
acidentes, o consenso parece ser de
que as legislações devem afrouxar.
Privacidade
Os problemas jurídicos não se
limitam a regras sobre como e onde
os drones poderão voar: as oportunidades de aplicações, e as potenciais violações de privacidade, parecem infinitas. Eles podem monitorar
vida selvagem em extinção, lançar
mísseis, mapear florestas e filmar
casamentos, mas também podem
voar sobre uma vizinhança ou simplesmente pairar do lado de fora de
uma janela de um quarto. Já foram
construídos drones não muito
maiores do que insetos; e uma vez
que as baterias fiquem pequenas
o suficiente, eles podem, literalmente, virar mosquitos na parede.
O que os torna tão poderosos é também uma das coisas que
os torna mais encantadores: câmeras. Quando você voa um drone, de
repente, a realidade - em grosseiras
duas dimensões - a que você estava
acostumado ganha uma dimensão a
mais, e é possível observar o mundo
do ponto de vista da aeronave diretamente na tela do seu computador,
tablet e até mesmo smartphone.
Essa liberdade está mudando
muitos negócios. Cineastas rotineiramente usam drones para capturar cenas de perseguição que
nunca poderiam ser filmadas antes.
Engenheiros podem inspecionar
USO M ILITAR E CIVIL
um drone Global Hawk, fabricado pela
Northrop Grumman, a NASA ganhou
um da força aérea americana. A agência tem conduzido pesquisas de clima
e furacões com o Vant que pode voar a
20 quilômetros de altura - muito mais
alto do que os aviões comerciais voam.
A maior parte dos cientistas tem que
se contentar com sistemas muito menores e mais baratos. Uma aeronave de
asas fixas controlada por rádio pode
ser comprada por alguns milhares de
dólares. Já um helicóptero com quatro
Foto: Shutterstock
O uso de drones pelas forças militares americanas para caçar inimigos
gerou bastante polêmica nos últimos
anos. Em virtude do caráter secreto
das operações em que são empregadas,
principalmente pelos Estados Unidos,
informações imprecisas e até contraditórias alimentam discussões, porém,
algumas destas aeronaves também têm
sido utilizadas para ciência.
Enquanto os cientistas interessados
devem estar preparados para desembolsar 20 milhões de dólares para comprar
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rotores (quadricóptero) custa cerca de
300 dólares; anexe alguns sensores, um
autopiloto e um controlador tão simples
quanto um Arduíno, que você terá um
Vant para pesquisas.
Apesar das diferenças nos equipamentos, os programas militar e civil de
pesquisa em drones estão muito relacionados, com avanços circulando nas
duas direções. Muitos dos programas
universitários de pesquisas em Vants
são financiados pelas forças armadas.
pontes e edifícios sem ter que fazer
escaladas arriscadas. As empresas de
distribuição de energia, por exemplo,
têm desenvolvido drones para inspecionar linhas de transmissão e instalações de usinas comumente localizadas em regiões públicas. O seu uso
reduz drasticamente o risco pessoal
de colocar funcionários para realizar
essas inspeções; além disso, há um
aumento na eficiência dessas inspeções, visto que um Vant pode realizá-las de forma muito mais rápida.
Cidadãos americanos, por
exemplo, foram condenados por plantar maconha no próprio quintal com
base em observações feitas a partir de aviões, pois a Suprema Corte
concluiu que ninguém é dono das
vias aéreas e que qualquer um pode
tirar fotografias em espaços públicos. Do outro lado, uma lei recentemente proposta na Califórnia tornaria ilegal que paparazzi utilizassem
drones para tirar fotos de celebridades dentro de suas propriedades.
A Administração Federal de
Aviação dos Estados Unidos está
produzindo novas leis que devem
limitar onde e como drones comerciais podem voar; acredita-se que
elas podem até ajudar a proteger a
privacidade em alguns casos. Muitos
outros países também estão discutindo sobre como balancear liberdade
e privacidade com a proliferação dos
Vants. Entretanto, a implementação de tais leis pode aparentemente
proteger os cidadãos, mas também
pode potencialmente conter avanços no uso industrial de drones.
Toda nova tecnologia traz certos riscos, o importante é aprendermos a gerenciá-los ao mesmo tempo
que aprendemos a fazer bom uso
dela. E por mais que pareça assustador ser observado por uma aeronave controlada por outros, existem
tecnologias que levantam questões muito mais sérias sobre privacidade, como os telefones celulares e o uso dos dados coletados
pelos aplicativos que rodam neles.
A ideia de um drone pairando do lado de fora da janela de um quarto pode assustar
muita gente, mas existem tecnologias que levantam questões muito mais sérias
sobre privacidade: como os telefones celulares e o uso dos dados coletados pelos
aplicativos. Foto: Mike Segar/Reuters/Corbis
M EASURING
VOLCANIC ACTIVITIES
In 1984, the volcano Mauna Loa erupted in Hawaii. The
only way that geologists had to observe and collect measurements from the lava flow, was by flying an helicopter into
the turbulent air from the 800 °C lava. Making data collection
difficult and even dangerous. It is risky for any jet airplanes to
fly into a volcanic plume, because their blades become clogged with melted ash. Researchers who study volcanoes, as
well as aviation safety experts, rely mostly on infrared data
collected by satellites to determine the thickness and density
of an ash plume. Thats why scientists wants to use unmanned
aerial vehicles (UAVs), that fly in the ash to get more accurate
data from the volcano.
In march 2015, half-dozen Dragon Eye UAVs have flown
into the volcanic plume of the Turrialba volcano near San Jose
in Costa Rica. The small electric drone, that is also used by
the military in some reconnaissance missions, can only carry
a payload of 500 grams, but the researchers managed to fit
two cameras, a sulfur dioxide sensor, a particulate sensor, a
nanoparticle counter, and a vacuum bottle that sucks up ash
and gas samples into the UAVs.
By flying multiple UAVs at once, the risk to human life was
lessened and the scientists could track the chemical characteristics of many spots in the gas and ash clouds simultaneously.
NASA used the measurements of sulphur dioxide collected by
the drones to compare with those made by the Terra satellite
in order to calibrate the space-based readings. These data
may help the development of models that predict volcanic
activity and damage. They are also planning experiments to
study how the chemistry of plumes change over time, and
with increased distance from a volcano. Data that could aid
in decisions regarding where aircrafts can safely fly.
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(in)Segurança
Para pilotar um Vant com
segurança são necessários essencialmente três tipos de conexão sem
fio: o sinal de entrada de navegação
que vem dos satélites do Sistema de
Posicionamento Global; um ou mais
sinais para notificar e ser notificado
sobre outras aeronaves nas proximidades, e uma conexão de duas vias
entre o solo e a aeronave. A violação de qualquer um desses canais
de comunicação pode significar
desastre, e até hoje não há soluções
claras para mantê-las protegidas.
Um drone que utiliza GPS sempre tem a sua navegação complementada por sensores inerciais de orientação, magnetômetros, altímetros e até
mesmo câmeras. Porém, ao contrário
desses outros dispositivos, o receptor
GPS funciona em todas as condições
meteorológicas com precisão, fazendo
com que seja uma peça fundamental.
Porém o GPS civil é de livre acesso
e não criptografado, ao contrário da
versão militar. Embora ela seja muito
popular, não possui qualquer forma
de autenticação, dando origem a uma
perigosa fraqueza: um sinal falso
pode facilmente substituir o real.
Outra possibilidade seria
um sequestrador explorar falhas
de segurança nas transmissões de
rádio entre o piloto e a aeronave. Ao
enviar sinais falsos ou bloquear a
linha de comunicação, um hacker
pode alterar a trajetória de um drone
fazendo com que colida contra o
solo ou até mesmo outra aeronave.
Os Vants criaram desafios que
as agências reguladoras parecem
estar mal preparadas para enfrentar. As funções de órgãos como a
Anac, no Brasil, e FAA, nos EUA,
deverão ser estendidos para além do
papel tradicional de evitar a colisão
de aeronaves: alguns passos técnicos e legais ainda precisam ser tomados para garantir que os sinais que
controlam as aeronaves estejam
protegidos contra malfeitores que
queiram assumir o seu controle.
Pesquisas em Drones
Por enquanto, a maior parte dos
pesquisadores trabalha para melhorar
as tecnologias de drones, deixando-os mais ágeis, autônomos e melhor
preparados para trabalhar em grupos. A autonomia requer um conjunto de algoritmos para interpretar
dados dos sensores e tomar decisões
sobre onde voar, assim como classificar os objetos capturados pelas
suas câmeras. Toda essa computação tem que ser realizada em tempo
real, dentro de pequenos processadores embarcados na aeronave.
Uma área de interesse é o
desenvolvimento de navegação baseada em visão computacional, o que
possibilitaria a navegação em áreas
urbanas ou internas, onde a precisão do GPS é insuficiente ou o sinal
inexistente. Uma das possíveis aplicações é na busca de sobreviventes em
edifícios danificados por terremotos.
Uma coluna de cinzas e fumaça sai do vulcão Turrialba, na
Costa Rica, em março de 2015. Coletar dados sobre a erupção
com uma aeronave tripulada é perigoso e pouco eficiente.
Pequenos drones elétricos foram utilizados para estudar as
características químicas da nuvem.
Foto: AP Photo/Grupo Nacion, Alonso Tenorio
8 | Revista Polyteck | www.polyteck.com.br
Neste caso, o Vant precisará desviar
de vigas, janelas fechadas e outros
obstáculos. Para realizar uma tarefa
como essa, a aeronave requer um
complexo sistema de câmeras, giroscópios e acelerômetros para descobrir
onde está - e onde os obstáculos estão.
Um time da Universidade
de Oxford, no Reino Unido, ensinou drones equipados com câmeras olho de peixe a se localizar. Os
algoritmos do robô conseguem
identificar a linha do horizonte e
então estimar a sua altitude e orientação. O time está desenvolvendo
algoritmos semelhantes para voos
urbanos, reconhecendo as linhas
verticais e horizontais de prédios e
ruas para auxiliar na navegação.
Para manter baixos tanto o
peso quanto o custo do equipamento,
geralmente os drones são pequenos e
têm pouca capacidade de combustível,
o que significa voos curtos. Alguns
grupos de pesquisa estão trabalhando
para miniaturizar baterias, ou para
criar aeronaves movidas a energia
solar, enquanto outros querem desenvolver aeronaves inteligentes que
aproveitam correntes de ar ascendentes e outras características do vento.
Na internet é possível encontrar vários vídeos que demonstram as capacidades de pequenos
Vants. Um dos mais famosos no
YouTube, com quase quatro milhões
de visualizações, foi gravado pelo
do grupo de pesquisa do professor Vijay Kumar, da Universidade
Drones agricultores viraram uma ferramenta semelhante
a qualquer outro dispositivo eletrônico. A ideia é irrigar
menos e usar menos pesticidas nas plantações. Mais e
melhores informações podem reduzir o uso de água e
a carga de produtos químicos no ambiente e na nossa
alimentação. Foto: Shutterstock
da Pensilvânia, nos EUA, e mostra drones autônomos trabalhando
em conjunto para tocar o tema de
James Bond em vários instrumentos.
Pesquisas com Drones
Embora a maior parte da pesquisa em Vants seja para melhorar os equipamentos em si, alguns
cientistas já os utilizam para outros
propósitos. Recentemente a NASA
utilizou o Dragon Eye, um pequeno
drone elétrico militar para fotografar e coletar amostas do fumo que
saía do vulcão Turrialba, perto de
São José na Costa Rica. Seria muito
perigoso enviar uma aeronave tripulada para realizar tal tarefa.
Vários estudos que medem
as características do gelo no ártico
também utilizam Vants, pois seria
impossível uma aeronave tripulada voar a 30 metros do gelo, sob
ventos de 150 km/h e temperaturas de 40 ºC negativos. Literalmente
do lado oposto do mundo, eles são
utilizados para medir jatos de ventos no planalto antártico; as medidas
ajudam cientistas a entender a dinâmica da formação do gelo em torno
do continente, processo que movimenta correntes marítimas devido ao
afundamento da água salgada mais
densa resultante do congelamento.
Na agricultura, drones já
são utilizados principalmente na
Austrália e Canadá, que possuem
legislações mais amigáveis e menos
burocráticas. Câmeras acopladas aos
equipamentos podem ajudar a identificar ervas daninhas, possibilitando a
aplicação de herbicidas somente nas
regiões necessárias. Outros grupos
de pesquisas trabalham para “ensinar” os drones a distinguir uma
planta da outra para criar mapas da
vegetação utilizando somente um
GPS, câmera e sensores inerciais.
Novos talentos estão ajudando
a criar Vants mais baratos e inteligentes, assim como a descobrir novas
formas de utilizar essa tecnologia.
Aparentemente, as leis que controlam voos não tripulados serão a
maior barreira para expandir o seu
uso tanto em pesquisa quanto comercialmente. No futuro, realizar trabalho de campo com o auxílio de
drones será tão fácil que ficará até
chato: eles farão tudo sozinhos. ■
Fontes:
»» Emma Marris, “Drones in science: Fly, and
bring me data”, Nature 498, p. 156–158 (2013)
»» Kristin Majcher, “How Will We Keep Drones
from Running into Things?”, MIT Technology
Review, 21/01/2015
»» Chris Anderson, “Agricultural Drones”, MIT
Technology Review (2014)
»» Sarah C. P. Williams, “Studying volcanic
eruptions with aerial drones”, PNAS 110, 27, p.
10881 (2013)
»»T. Stan Gregory et al., “Drones: Balancing risk
and potential”, Science 347, 6228, p. 1323 (2015)
»» David Shultz, “Game of Drones”, Science 347,
6221, p. 497 (2015)
»»Wesson, Kyle, Humphreys e Todd, “Hacking
Drones”, Scientific American 309, 5 (2013)
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| Revista
nanorobôs de
A
DN
texto por André Sionek
Foto: Shutterstock
Desde a invenção dos circuitos integrados na década de
60, nos acostumamos com a ideia de que a computação
ocorre somente em componentes eletrônicos impressos
em um substrato de silício. Por isso, a palavra nanorobô
remete à imagem de uma máquina em miniatura feita
de metal, plástico e circuitos integrados capaz de realizar
diversas atividades por meio da computação. Porém, um
nanorobô não tem nenhuma semelhança física com os
robôs macroscópicos a que estamos acostumados: eles
são criados a partir de DNA e RNA, as moléculas de ácido
nucleico que codificam as informações genéticas dentro
das células.
Cientistas já utilizaram a molécula de DNA para criar portas
lógicas e circuitos simples, os blocos de construção básicos
da computação; outros conseguiram dobrar a molécula
para criar barris ou caixas que guardam em seu interior
uma carga de medicamentos ou anticorpos. Juntando
essas duas técnicas um grupo de pesquisadores construiu
nanorobôs e os testou dentro de um organismo vivo. No
futuro, os nanorobôs serão capazes de executar tarefas que
variam desde ferramentas para diagnóstico que utilizam
informações bioquímicas e fisiológicas do paciente, até
a entrega de medicação direcionada somente às células
que atendam a alguns critérios previamente programados.
10 | Revista Polyteck | www.polyteck.com.br
Qual a semelhança entre o DNA e um computador?
L
eonard M. Adleman, matemático e cientista
da computação, realizava algumas pesquisas
sobre AIDS, porém sentia que não conseguia
comunicar as suas ideias para a comunidade de
pesquisa. Por isso, em 1993, entrou em um laboratório de biologia molecular pela primeira vez num
esforço para ampliar seu leque de conhecimentos
com conteúdos mais profundos sobre o HIV e, consequentemente, aumentar o seu poder de persuasão.
Lá, aprendeu vários métodos da biologia moderna
e começou a trabalhar na criação de moléculas de
ácido nucleico que serviriam como marcadores na
produção de proteínas em uma bactéria.
Leonard conta que para construir um computador, apenas duas coisas são realmente necessárias: um método para guardar informação e
algumas operações simples que atuem sobre os
dados armazenados. Um computador tradicional
guarda informações como sequências de zeros e
uns na memória e utiliza uma série de portas lógicas em seu processador para transformar diferentes
entradas em uma saída previsível.
O DNA consegue armazenar uma incrível
quantidade de dados: todas as informações necessárias para construir e fazer o corpo humano funcionar. Os dados armazenados nas quatro letras
- A, T, C e G para adenina, timina, citosina e guanina - são transformados e reorganizados rotineiramente dentro das células. Isso não lembra
o funcionamento de um computador? Leonard
acabou percebendo algumas semelhanças: existia
matemática e computação na biologia!
Em 1936, Alan M. Turing, o famoso matemático britânico - e, independentemente, Kurt Gödel,
Alonzo Church e S. C. Kleene - começou um estudo
rigoroso sobre a noção de computabilidade. Um
trabalho puramente teórico que precedeu a invenção dos computadores em aproximadamente uma
década. Para esse estudo, Turing tinha inventado
a noção de um “computador de brinquedo” para
a investigação matemática, hoje conhecido como
máquina de Turing. Uma versão dessa máquina
consistia em um par de fitas e um mecanismo chamado de controle finito, que se moveria pela fita
de entrada lendo dados ao mesmo tempo em que
se moveria pela fita de saída lendo e escrevendo
outros dados. O controle finito era programável
com instruções muito simples, qualquer um conseguiria escrever um programa que para dado um
A na fita de entrada, gravaria um T na fita de saída,
e lendo um C, escreveria um G na saída.
Ao ler a definição da DNA polimerase, uma
enzima essencial para o processo de replicação dos
ácidos nucleicos, Adleman percebeu que as similaridades entre ela e a máquina de Turing dificilmente seriam mais óbvias. Sob certas condições,
dada uma cadeia de ácidos nucleicos, a DNA polimerase produz uma fita complementar WatsonCrick; ela se liga a uma fita de DNA e desliza sobre
cada uma de suas bases nitrogenadas, realizando
a sua leitura e “escrevendo” o seu complemento
em uma nova molécula de DNA. Nesse processo,
todo C é trocado por um G, e todo G por um C,
cada A por um T e todo T por um A. Por exemplo,
dada uma molécula com sequência GTCCATG, a
DNA polimerase vai produzir uma nova molécula
com a sequência CAGGTAC.
As células têm utilizado o DNA por bilhões
de anos para armazenar informações, e utilizam
enzimas como as polimerases e ligases para operar
sobre essas informações. Isto convenceu Adleman
de que sim, existiam elementos suficientes para
construir um computador com DNA.
Mais uma importante informação torna
essa similaridade realmente surpreendente: uma
máquina de Turing poderia ser programada para
computar qualquer coisa que fosse computável.
Em outras palavras, o computador de brinquedo
imaginário de Turing poderia ser programado
para produzir cadeias complementares de WatsonCrick, calcular a raiz quadrada de números, jogar
xadrez e assim por diante.
Leonard conta que a sua primeira ideia foi
criar um computador de DNA à imagem de uma
máquina de Turing, com o controle finito substituído por uma enzima. Porém, como foram três
ou quatro bilhões de anos de evolução que resultaram em nanomáquinas como a DNA polimerase,
é extremamente improvável que exista alguma
enzima na natureza que pegue informações em
uma fita de DNA e calcule a sua raiz quadrada;
tão difícil quanto, é conseguir criar uma molécula que realize esta função. Para contornar esse
problema, os cientistas precisam trabalhar com
algumas ferramentas de engenharia genética que
estão à sua disposição. Em 1994, Adleman publicou um artigo na revista Science descrevendo um
método para a solução de problemas combinatórios
utilizando ácidos nucleicos. Hoje é considerado o
“pai” da computação de DNA.
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Ferramentas da Engenharia Genética
Pareamento de Watson-Crick
Toda cadeia de DNA tem seu complemento de WatsonCrick. Duas moléculas de DNA complementares se atraem e
são mantidas por forças fracas como as pontes de hidrogênio.
Essa hibridização não ocorre se as moléculas não forem, ou
não tiverem longas porções de suas cadeias que sejam complementares. Devido a forças eletrostáticas, as fitas se torcem
uma em volta da outra, formando a famosa dupla hélice.
Polimerases
Copiam a informação de uma molécula em outra. A DNA
polimerase, por exemplo, criará uma fita complementar de
DNA a partir de um template. O sinal sobre onde a enzima
deverá começar a executar a cópia é dado por um primer
- uma, possivelmente pequena, cadeia de ácido nucleico
hibridizada à molécula que será copiada. Quando um pareamento primer-template é encontrado, a DNA polimerase
começa a adicionar bases ao primer para criar uma molécula
complementar ao template.
Ligases
Unem duas moléculas. A DNA ligase ligará covalentemente duas bases nitrogenadas que foram colocadas próximas umas das outras pela DNA polimerase. As células também utilizam a ligase para reparar quebras nas moléculas
de ácido nucleico que ocorrem quando células da pele são
expostas à luz ultravioleta.
Nucleases
Cortam ácidos nucleicos. Uma endonuclease de restrição
procurará por uma sequência de bases predeterminada e
então cortará a cadeia de DNA em dois pedaços. Por exemplo,
a EcoRI (da Escherichia coli) é uma enzima de restrição que
corta o DNA após o G na sequência GAATTC. Pesquisadores
sugerem que as endonucleases de restrição evoluíram para
proteger as bactérias de vírus. A bactéria E. coli, por exemplo,
consegue proteger seu próprio material genético contra a
EcoRI, mas um vírus invasor que tenha a sequência GAATTC
terá seu DNA cortado em pedaços pela enzima.
Simulação e imagens de Microscopia de Força Atômica (AFM)
de estruturas criadas pela técnica de Origami de DNA. Acima
um triângulo convexo, abaixo uma “bola de praia”, ambos construídos a partir de cadeias de DNA.
Fonte: H. Dietz, S. M. Douglas, W. M. Shih, Science 325, 725 (2009)
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Eletroforese em gel
Técnica para separar moléculas de acordo com seu tamanho. Uma solução heterogênea de moléculas de DNA, que
são negativamente carregadas, é colocada na extremidade da
placa de gel e uma diferença de potencial é aplicada. As fitas
mais curtas movem-se com velocidade maior em direção ao
ânodo do que as moléculas maiores. Com marcadores químicos ligados às moléculas e luz ultravioleta, é possível ver
bandas onde as moléculas de diferentes tamanhos pararam.
Síntese de DNA
Hoje, é possível escrever uma sequência de DNA e enviar
para um laboratório de síntese comercial. Em alguns dias,
você receberá um pequeno tubo com aproximadamente 1018
moléculas de ácido nucleico com a sequência encomendada.
Origami de DNA
Técnica para construir estruturas complexas a partir de longas cadeias de DNA com sequências específicas
de bases. A molécula de ácido nucleico é planejada para
que se dobre em alguns pontos, assim os cientistas podem
criar estruturas variadas, desde triângulos e círculos até
formas tridimensionais semelhantes a caixas e barris.
A sequência de imagens mostra a separação de duas fitas complementares com a técnica de DNA Strand Displacement (DSD).
Fonte: Microsoft Research / Equinox Graphics
Nanorobôs de DNA
Em um artigo publicado na
revista Nature Nanotechnology,
um time de pesquisadores da
Universidade Bar-Ilan, Israel, e da
escola de medicina de Harvard,
EUA, injetou vários tipos de nanorobôs em baratas vivas. Eles afirmam que a sua acurácia e controle é equivalente à de um sistema
de computadores tradicional.
Os pesquisadores utilizaram origami de DNA para criar
caixas. Fitas de DNA mais curtas
podem então "lacrar" esses contêineres, protegendo certas partes do
conjunto. A estrutura resultante é
capaz de executar uma tarefa simples, tal como carregar uma pequena
quantidade de medicamento no seu
interior e de se abrir para liberá-lo.
As estruturas de DNA são
ajustadas para que os movimentos
das nanomáquinas sejam reversíveis
e repetitivos. Ao invés de juntar as
partes do nanorobô em um conjunto
de forma permanente, as cadeias são
projetadas para se juntar ou descolar dependendo de sinais externos.
Elas são controladas por uma porta
lógica que abre em resposta a uma
combinação correta de sinalizadores celulares, que se ligam a uma
cadeia de detecção, tipicamente um
aptâmero - uma cadeia que pode ser
desenvolvida para reconhecer determinados tipos de células - causando
um deslocamento das cadeia complementares. O robô sofre uma drástica mudança conformacional após
a separação das fitas complementares, expondo a sua carga e tornando-a disponível para as células alvo.
No design apresentado pelos
pesquisadores, a porta também pode
ser aberta por uma chave de DNA
externa, que se hibridiza com a fita
complementar nela presente, ativando
o robô. Essa chave de DNA pode ser
carregada dentro da estrutura, de
modo que, quando estiver ativa, a
cadeia possa acessar a porta de um
robô adjacente e alterar o seu estado
para ativo também. Dessa forma, os
cientistas conseguem criar nanorobôs com um regulador positivo (P),
capazes de ativar outra estrutura, e
outros com reguladores negativos
(N), capazes de forçar o fechamento,
ou impedir a abertura de outro robô.
Foram desenhadas várias arquiteturas ao misturar robôs do tipo P
e N em diferentes concentrações, na
presença ou ausência de sinais vindos
de proteínas cognatas. Para demonstrar a plataforma, os pesquisadores
utilizaram baratas (Blaberus discoidalis) como organismos modelo.
Primeiro foram testados robôs (E)
controlados por uma porta que se
abre somente se dois sinais (X e Y)
estão presentes, emulando uma porta
Nova linguagem de programação
Dispositivos moleculares feitos com DNA têm enorme potencial em aplicações que variam
desde a fabricação em nanoescala até dispositivos autônomos para diagnóstico e tratamento
in vivo. Esses nanorobôs permitem que a computação seja feita em escala molecular enquanto
os dispositivos interagem diretamente com componentes bioquímicos de organismos vivos.
Suas estruturas são estáveis dentro das células, e as suas interações podem ser precisamente
controladas ao alterar suas sequências de nucleotídeos. Conforme as técnicas experimentais
foram se aperfeiçoando, tornou-se cada vez mais importante o desenvolvimento de ferramentas de software e abstrações de programação capazes de levar ao desenvolvimento de circuitos
computacionais sofisticados. É por isso que pesquisadores da Microsoft estão trabalhando no
desenvolvimento de uma linguagem de programação chamada DNA Strand Displacement (DSD).
A linguagem pode ser utilizada para o densevolvimento e simulação de dispositivos computacionais feitos de DNA. Ela permite que dispositivos sejam desenhados unicamente em termos
de ácidos nucleicos, sem a necessidade de componentes adicionais. Andrew Phillips, diretor do
grupo de computação biológica da Microsoft, afirma que o objetivo é criar uma linguagem na
qual grandes modelos de sistemas biológicos possam ser programados a partir de componentes
simples e modulares. O objetivo final é conseguir programar e simular um sistema biológico em
um computador antes de implementá-lo em um organismo vivo.
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lógica AND. Depois, foram adicionados dois tipos de robôs, P1 (que se
abre em resposta a X e carrega uma
chave para a porta Y) e P2 (que se
abre em resposta a Y e carrega uma
chave para a porta X). Com esta
combinação, E+P1+P2, o nanorobô
E abre somente para X, ou somente
Y, ou para X e Y, emulando uma
porta lógica OR. Utilizando lógicas semelhantes, os pesquisadores
conseguiram ainda criar portas do
tipo XOR, NAND, NOT e CNOT.
A arquitetura dos nanorobôs descrita pelos pesquisadores
é capaz de processar dois bits de
entrada por vez, entretanto as saídas de dois "processadores" podem
ser transferidas a um terceiro para
aumentar a capacidade de processamento do sistema. Os pesquisadores dizem que o conceito básico
pode ser escalado para a capacidade
de computação de antigos consoles
de 8 bits, tais como o Commodore
64 ou Atari 800. Futuros trabalhos
utilizando esse conceito poderão
aumentar significativamente a capacidade e eficiência dos nanorobôs de
DNA para uma possível utilização
em humanos em um futuro próximo.
Como a presença de objetos estranhos dentro do organismo
desencadeia uma resposta imunológica, a grande dificuldade dos
pesquisadores será para encontrar
formas de driblar o sistema imunológico ou criar nanorobôs estáveis
o suficiente para sobreviver a ele.
Apesar das inúmeras aplicações possíveis para a computação de
DNA, ela provavelmente será melhor
aproveitada para atuar dentro de
células vivas, criando novos métodos
de detecção e tratamento de doenças.
É pouco provável que a tecnologia
substitua os computadores de silício convencionais, porém dentro de
cinco a dez anos poderemos ver computadores baseados em DNA sendo
utilizados para propósitos médicos dentro de organismos vivos. ■
14 | Revista Polyteck | www.polyteck.com.br
Fontes:
»» L. M. Adleman, “Molecular Computation of
Solutions to Combinatorial Problems”, Science,
266, p 1021–24 (1994)
»» L. M. Adleman, “Computing with DNA”,
Scientific American (1998)
»»Y. Amir et al., “Universal computing by DNA
origami robots in a living animal.” Nature
Nanotechnology, 9(5), p 353-357 (2014).
»» S. Spickernell, “DNA nanobots deliver drugs in
cockroaches”, New Scientist, 222, 2964, (2014)
»» C. Humphries, “Nanoconstruction with Curved
DNA”, MIT Technology Review, 11/08/2009
»» H. Dietz, S. M. Douglas, W. M. Shih “Folding
DNA into Twisted and Curved Nanoscale Shapes”,
Science 325, 725 (2009)
»» L. Cannon, “What Can DNA-Based Computers
Do?”, MIT Technology Review, 04/02/2015
»»A. Phillips e L. Cardelli, “A programming
language for composable DNA circuits”, Journal
of the Royal Society Interface, (2009)
»» http://research.microsoft.com/en-us/projects/
dna/
Reatores Nucleares
de
Tório Líquido
texto por Raisa Jakubiak
N
a busca por novos meios de geração de
energia elétrica, a única coisa de que a
ciência tem certeza é: não há fonte de energia perfeita. Combustíveis fósseis são grandes emissores de gases estufa como o CO2. Hidrelétricas,
apesar de apresentarem baixa assinatura de carbono, têm grande impacto ambiental devido à
construção de barragens. A energia solar e a eólica
são vistas por leigos como grandes amigas do meio
ambiente, já que utilizam fontes existentes na natureza para a conversão em energia elétrica, mas não
se engane: além dos altos custos de instalação, o
custo energético também é altíssimo - demora
muito tempo para que um parque eólico ou uma
usina solar produza a mesma quantidade de energia gasta no seu processo de construção. Além
disso, as células solares são produzidas, no que
se diz respeito aos modelos comercializáveis mais
conhecidos, de materiais considerados raros na
natureza. Dessa forma, essas fontes são interessantes como meios complementares de geração
de energia, mas não primários.
A energia nuclear é considerada uma grande
vilã por ambientalistas. Apesar de, quando bem
operadas, serem seguras, usinas nucleares deixam
um rastro de lixo radioativo e, quando algo dá
errado... bom… corra para o mais longe que puder.
No entanto, a possível extinção das reservas
de petróleo e a luta contra o aquecimento global,
deixam claro que não será tão fácil extinguir a
energia nuclear. Após Fukushima, o Japão desligou
todas as suas usinas e passou a investir em formas
alternativas de energia, como a futura maior usina
solar do mundo: a Kagoshima Nanatsujima, na
barragem Yakamura, sul do Japão. No entanto, o
governo votou pela reativação de algumas usinas
nucleares em junho deste ano, já que o país sofre
de uma grave crise energética e passou compensar
Reator de Tório Líquido
Adaptado de: Morton/Illumin - University of Southern California
Fissão aquece o núcleo
salino do reator
O sal quente aquece
um gás, que gira
a turbina para
gerar eletricidade
Troca de
calor
Turbina
Um tanque de sal líquido
de tório envolve o reator,
absorvendo radiação e
formando novo combustível
que é gradualmente
fornecido ao núcleo.
Sobras de calor do
resfriamento do gás
são utilizadas para
dessanilizar água
Se o reator superaquece, uma
válvula de sal congelado derrete,
deixando que o sal do núcleo
seja removido com segurança.
Tanque de
descarga resfriado
passivamente
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a falta das usinas nucleares utilizando carvão mineral – algo nada saudável para o meio ambiente.
Nos últimos anos um modelo já conhecido
de usinas nucleares vem sendo discutido com a
promessa de minimizar, não só o problema do lixo
tóxico, mas também o risco de acidentes. O uso de
tório como fonte de energia surgiu na década de
1960, no Oak Ridge National Laboratory, em reatores chamados de Molten Salt Reactor (MSR), ou
reator a sais fundidos. O maior motivo pelo qual
ele “perdeu a concorrência” para o modelo atual
de reatores nucleares (que utilizam urânio como
combustível e água sob alta pressão como refrigerante) é que o seu ciclo não produz polônio como
subproduto – o que na época, em plena Guerra
Fria, era fundamental para o desenvolvimento de
armas dos programas nucleares.
Um dos maiores limitantes dos reatores atuais é trabalhar sob altas temperaturas, utilizando
água como refrigerante. Para isso, é necessário que
a água seja mantida em enormes tanques de aço
sob altíssima pressão, mantendo-se desta forma
em estado líquido a cerca de 300 ºC. O problema
é que, caso haja alguma complicação no sistema
de refrigeração ou uma perfuração nos tanques,
a água não vai permanecer líquida a 300 ºC por
muito tempo: ela se expandirá tão rapidamente que
gerará uma explosão – exatamente o que aconteceu
em Fukushima Daichii em 2011 e em Chernobyl
em 1986.
No caso dos MSR, o combustível nuclear
utilizado é uma solução de sais que podem ser de
lítio, berílio, tório ou urânio. Estes são chamados
sais fluorados, substâncias muito estáveis e que
não reagem nem com o ar nem com água. Além
disso, apesar de operarem a altas temperaturas
(cerca de 700 ºC), eles não precisam operar a altas
pressões, o que diminui drasticamente o risco de
explosões. Nos MSRs, as construções das usinas
são menores e mais baratas, pois os reatores não
precisam ser “enterrados” sob toneladas de aço em
enormes instalações de contenção para suportar
a pressão da água.
Finalmente, enquanto os combustíveis nucleares sólidos derretem se não refrigerados (como
no caso de uma pane no sistema de refrigeração,
ou falta de energia), nos reatores dos MSR, os sais
fluorados já são líquidos a temperaturas muito
mais baixas. No fundo do tanque de combustível há uma tampa de material salino congelado
mantido sólido por um gás a baixa temperatura
transportado por uma tubulação. Caso haja uma
emergência na usina, como a perda total de energia, a tubulação para de refrigerar a tampa salina,
fazendo com que ela derreta. O combustível então
escorre por outra tubulação para ser resfriado em
um tanque de contenção desenvolvido em condições que maximizam a transferência de calor.
16 | Revista Polyteck | www.polyteck.com.br
Ou seja: em situações de perda total de energia,
enquanto os reatores nucleares atuais tornam-se
perigosos, o MSR tem a capacidade de desligar-se
sozinho, sem intervenção humana.
Mas onde entra o tório? O tório é um material em abundância não só na Terra, mas também
em outros corpos do nosso sistema solar, como
a Lua. Há quatro vezes mais tório do que urânio
na Terra, e ele é extremamente denso em energia.
Só a quantidade presente nas reservas dos EUA
seria suficiente para fornecer energia para todo
o planeta pelos próximos milhares de anos. Vale
ressaltar que o Brasil tem reservas ainda maiores:
cerca de 632.000 toneladas, quase 10% da reserva
mundial de tório. O material é encontrado, por
exemplo, nas famosas praias de areia monazítica,
como Guarapari no Espírito Santo. Além disso,
seus subprodutos têm meia vida mais curta, sendo
considerados seguros após 300 anos de contenção
– o que ainda é bastante, mas um período curto
se comparado aos 10 mil anos dos subprodutos
do urânio 235.
Apesar deste tipo de reator ainda não ter sido
completamente colocado à prova, é esperado que
custe muito menos que os reatores atuais devido à
sua simplicidade e menor tamanho – ao ponto que
em algumas décadas poderemos ver pequenas centrais nucleares sendo carregadas por caminhões e
trailers. Mais do que isso, acredita-se que essa seja
a fonte viável de energia para colônias espaciais. ■
Fontes:
»» Kirk Sorensen, “Thorium”, TED Talk
»W
» orld Nuclear Association
»» Bryan Lufkin, “Solar Panels Floating on Water Will Power
Japan's Homes”, National Geographic (2015)
»“Kagoshima
»
Nanatsujima Mega Solar Power Plant, Japan” Power-Technology.com
»»Aaron Sheldrick, “Japan aims to restart nuclear reactor in
June”, Reuters (2015)
»» www.energyfromthorium.com
»» R.P. Siegel, “Liquid Fluoride Thorium Power: Pros and Cons”,
Tripe Pundit
Materiais avançados usados no Boeing 787
somam mais de 50% do corpo da aeronave.
Imagem: Boeing Research and Technology
Simulando expansão térmica nos
componentes da aeronave
Simulações multifísicas
proteção de
aeronaves contra raios
para
melhorar
a
Aeronaves modernas como o Boeing 787 Dreamliner são
construídas com mais de 50% de composto de fibra de
carbono. Esta constituição requer a adição de chapas de
metal expandido para melhorar a proteção da aeronave
contra raios e descargas elétricas. Para verificar se estas
camadas protetoras não irão falhar sob o estresse térmico
proveniente do ciclo de temperaturas durante o voo, pesquisadores da Boeing utilizam simulações computacionais
multifísicas.
E
ngenheiros da Boeing Research
and Technology (BR&T) estão
utilizando tanto medidas
físicas quanto simulações computacionais para investigar o efeito dos
parâmetros das chapas de metal
expandido (EMF, na sigla em inglês)
no estresse térmico e no deslocamento em cada camada da construção do compósito de carbono
utilizado para revestir a fuselagem
de aeronaves. Ao longo do tempo,
estresse se acumula na cobertura protetora da estrutura composta. Isso é
principalmente resultado do ciclo de
mudança de temperaturas em função da altitude durante os voos. Com
o tempo, a camada protetora pode
rachar, fornecendo uma entrada para
umidade e elementos ambientais
que podem causar corrosão do EMF,
reduzindo a sua condutividade térmica e sua habilidade de agir como
proteção. Estas variações ambientais
também podem gerar deslocamento,
ou deslocação, que é um defeito ou
irregularidade na estrutura cristalina
do material. A presença de deslocamentos influencia fortemente muitas das propriedades dos materiais.
O projeto é liderado por Jeffrey
Morgan, do departamento de Selantes
e Materiais Eletromagnéticos, e
a equipe é separada em subequipes responsáveis pelas simulações e
pelos testes. Através das pesquisas,
a equipe almeja melhorar a estabilidade térmica em estruturas compostas e reduzir assim os riscos e os
custos de manutenção associados
a danos na cobertura protetora.
A estrutura composta inclui,
de fora para dentro, a pintura, o primer, camada de isolamento contra
corrosão, surfacer, EMF e a estrutura
composta sob a cobertura. Cada uma
destas camadas contribui para o acúmulo de estresse mecânico no revestimento protetor ao longo do tempo, já
que todas são suscetíveis a mudanças
bruscas de temperatura. Para avaliar o estresse gerado por estas variações e o deslocamento em cada uma
das camadas, é necessário levar em
conta um grande número de características tanto dos materiais como
da estrutura e construção da camada
protetora. Dentre eles estão a altura
do EMF, largura do arame da malha,
razão de proporção, composição
metálica, além das características dos
materiais de cada camada do revestimento, como o coeficiente de dilatação térmica, capacidade calorífica,
densidade, condutividade térmica,
módulo de Young e taxa de Poisson.
Para conseguir desenvolver estes cálculos utilizando todas
estas variáveis, o pesquisador Robert
Greegor, do setor de Física Aplicada
e líder da equipe de simulações, e
seus colegas desenvolveram um
modelo de coeficiente de dilatação
térmica (CTE) total utilizando o
software COMSOL Multiphysics®.
Os pesquisadores utilizaram
duas composições metálicas diferentes para o EMF: uma com alumínio e
outra com cobre. No caso do EMF de
alumínio, é necessário adicionar fibra
de vidro entre o EMF e o composto
para prevenir a corrosão galvânica
(corrosão devido ao contato elétrico
entre materiais diferentes, sendo
que sua intensidade é proporcional
à diferença dos potenciais eletroquímicos dos materiais envolvidos).
O coeficiente de dilatação
térmica da camada de tinta é definido por uma função degrau que
representa a mudança abrupta na
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expansão térmica na temperatura de
transição vítrea do material (transição reversível em materiais amorfos entre um estado duro e relativamente rígido e um estado “mole”).
No modelo CTE, a interface
Thermal Stress Multiphysics combina
mecânica dos sólidos com transferência de calor para simular expansão,
encontrando o deslocamento através
da estrutura. As simulações foram
restritas ao aquecimento da estrutura composta, assim como acontece
na descida de uma aeronave. Desta
maneira, as temperaturas inicial e
final foram definidas no modelo para
representar as temperaturas a altas
altitudes e a temperatura no chão.
Impacto do EMF no estresse e no
deslocamento
Os resultados das simulações do COMSOL foram analisados quantitativamente para determinar a contribuição do calor no
estresse e o deslocamento em cada
camada, assim como outras propriedades da chapa de metal expandido.
Os resultados foram claros: nos
gráficos obtidos pelos pesquisadores,
o deslocamento sobre a malha mostrou-se diferente do deslocamento
em áreas sem material. Além disso,
as camadas superiores de proteção
mostraram menos estresse do que as
inferiores. Finalmente, notou-se que
a camada de isolamento contra corrosão requerida pelo EMF de alumínio agiu como um amortecedor. Por
isso, o EMF de alumínio apresenta
menos estresse do que do de cobre.
No entanto, apesar de
apresentar menor estresse, os resultados das simulações mostram que o
EMF de alumínio tende a apresentar
maiores deslocamentos na superfície do esquema de proteção do que o
EMF de cobre. Isso pode ser atribuído, em partes, ao maior coeficiente
de expansão térmica do alumínio.
Os pesquisadores da Boeing
também fizeram simulações com a
intenção de compreender melhor o
efeito dos parâmetros da construção
do EMF no deslocamento nas camadas protetoras da fuselagem. Quando
a razão de proporção da malha era
variada, descobriu-se que maiores
razões diminuíam o deslocamento
apenas de maneira modesta – cerca
de 2% tanto para o cobre quanto para
o alumínio. Para qualquer parâmetro
do design do EMF, é necessário considerar uma troca entre a capacidade de
transportar corrente, deslocamento
e peso. No caso da razão de proporção da malha, ao mesmo tempo que
escolher uma malha mais aberta pode
diminuir o peso e o deslocamento na
estrutura, sua capacidade de transportar corrente, que é fundamental
para a proteção do EMF contra raios,
também é reduzida. Assim, tudo deve
ser levado em conta e bem analisado.
Analisando todas as opções
plausíveis, os pesquisadores procuraram descobrir quais eram as
melhores estratégias para manter o melhor custo benefício entre
peso, deslocamento e capacidade
de transportar corrente. Eles perceberam que variando a largura da
malha por um fator de três ocorria
um aumento de 3% no deslocamento
Edição 11
Abril / Maio 2015
Vai além da sala de aula
A Polyteck é um projeto de educação e divulgação científica que busca complementar a formação
dos estudantes universitários brasileiros.
Informações sobre anúncios e parcerias estão
disponíveis em: www.polyteck.com.br/anuncie
para ambos os metais. No entanto,
ao variar a altura do EMF por um
fator quatro levou a um aumento no
deslocamento de aproximadamente
60% para ambos os metais. Ou seja:
devido ao menor efeito no deslocamento, aumentar a largura da malha
ou diminuir a taxa de proporção do
EMF são estratégias muito melhores para melhorar a proteção contra
raios do que alterar a altura da malha.
Relacionando deslocamento e formação de rachaduras
Greegor e seus colegas na
BR&T são veementes ao relacionarem
todo aumento no deslocamento a um
aumento no risco de rachaduras se
desenvolverem nas camadas protetoras, já que o estresse mecânico devido
à variação de temperatura se acumula
ao longo do tempo - experimentos
confirmam essa afirmação. Seguindo
estes dados, os pesquisadores concluíram que o EMF com cobre tem
se mostrado uma melhor alternativa
para o desenvolvimento de proteção contra raios em aeronaves. Além
disso, a concordância entre os dados
experimentais e os das simulações
mostram que a simulação multifísica é um meio confiável de avaliar o
impacto relativo dos parâmetros de
construção do EMF no estresse mecânico e no deslocamento para entender
e reduzir as probabilidades da formação de rachaduras no material. ■
»»Texto adaptado por Raisa Jakubiak de “Boeing
Simulates Thermal Expansion in Composites with
Expanded Metal Foil for Lightning Protection of
Aircraft Structures”, por Jennifer A. Segui
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Diretor Executivo: André Sionek
Diretora de Redação: Raisa Requi Jakubiak
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