Meio ambiente - Mudança para tecnologias verdes pode iniciar guerras minerais

Metais raros
É cada vez maior a preocupação com o uso de metais muito raros, essenciais aos equipamentos de alta tecnologia.
Segundo um estudo que acaba de ser concluído por pesquisadores do MIT (Massachusetts Institute of Technology), uma mudança em larga escala rumo a fontes de energia mais limpas pode colocar em risco o suprimento desses elementos, especialmente de dois metais da família das terras raras.
A família das terras raras é composta por 17 elementos, que vêm sendo usados em inúmeras aplicações de alta tecnologia, de aviões a lasers e sistemas de imageamento médico.
Dois deles, o disprósio e o neodímio, são os mais sensíveis à disseminação dessas novas tecnologias, garantem Randolph Kirchain e seus colegas.
Longa vida à mineração
O disprósio e o neodímio estão presentes sobretudo na fabricação de ímãs de última geração, presentes nas turbinas eólicas e nos carros elétricos.
Mas há riscos de falta de suprimento envolvendo também o lantânio, cério, praseodímio, samário, európio, gadolínio, térbio e ítrio.
As projeções indicam elevações na demanda dos diversos elementos que variam entre 600% e 2.600% nos próximos 25 anos, enquanto a produção tem crescido alguns poucos pontos percentuais ao ano.
Recentemente o Serviço Geológico do Reino Unido criou uma lista de risco dos metais mais raros da Terra.
O professor James Burnell, do Serviço Geológico do Colorado, vai mais longe, e chega a falar em "guerras comerciais".
"Há um equívoco no público, que confunde mudança para energias alternativas com um abandono da mineração, o que não pode ser feito," diz ele, lembrando que a desejada diminuição da exploração do petróleo e do gás natural nada tem a ver com a extração dos outros minerais, embora ambas sejam mineração.
Uma grande variedade de metais raros são necessários para fabricar também os painéis fotovoltaicos para energia solar, as células de combustível para uma sonhada economia do hidrogênio, e até baterias de alta capacidade para os veículos híbridos e elétricos.
Terras raras da China
Assim, todos os metais, os raros e os não-raros, terão que continuar sendo produzidos pela mineração - que pertence ao setor industrial, e não ao setor primário, outra confusão comum.
Ocorre que os depósitos minerais não escolhem fronteiras, e não se distribuem equanimemente entre os países. Na verdade, a maioria dos metais de terras raras estão hoje em uma condição de quase monopólio, em poder da China.
E a China está se preparando para construir geradores de energia eólica que chegam a 330 giga-watts. Apesar disso, pressões recentes dos países desenvolvidos, que já protocolaram uma queixa contra o país na Organização Mundial do Comércio pela diminuição das vendas de terras raras já tenham feito as autoridades chinesas anunciarem que estão revisando esses planos.
Se o projeto for levado adiante, isso exigirá cerca de 59 mil toneladas de neodímio para construir os ímãs, o que é mais do que a produção anual do país desse metal. Ou seja, sobrará pouco abastecer o resto do mundo, que sonha ainda, além da energia eólica, com os carros elétricos.
Novas minas ou novas decisões
Assim, segundo Burnell, guerras comerciais, geradas pela busca de novos suprimentos de minerais, estão no horizonte.
No entanto, estima ele, nem o público e nem os políticos parecem estar cientes do problema.
A saída, segundo o pesquisador, está no investimento em novas tecnologias para a extração desses metais raros de outros tipos de minérios, além da busca por novas minas.
Pesquisas indicam, por exemplo, que os leitos dos oceanos têm depósitos ricos em terras raras, enquanto trabalhos iniciais apontam no sentido da sintetização de materiais raros derivando-os de elementos mais abundantes.
O Brasil tem uma das maiores reservas de terras raras do mundo mas, como parece ter firmado pé na decisão de ser um país agropecuário, não as explora.

Meio ambiente - Sistema de irrigação inteligente economiza água e produz mais

Economia de água na irrigação
O uso da irrigação está presente desde os primeiros registros históricos da humanidade.
Mas o problema crescente da escassez de água tem mostrado que é necessário economizar até mesmo quando o assunto é aumentar a produtividade na produção de alimentos.
Para isso, uma equipe de pesquisadores europeus desenvolveu uma tecnologia que eles chamam de sistema de irrigação inteligente.
O melhor de tudo é que, além de economizar água e reduzir o custo para os agricultores, o novo sistema resultou em um aumento na produção das lavouras.
"Nós desenvolvemos um sistema de irrigação inteligente que economiza 40% de água na irrigação. E nós esperamos que ele tenha um grande impacto porque 60% de toda a água doce no mundo é usada para irrigação," afirma o Dr. John O'Flaherty, coordenador do projeto Waterbee.
Rede de sensores na lavoura
Enquanto um sistema similar, desenvolvido nos Estados Unidos, usa a espessura da folha como indicador da hora de iniciar e interromper a irrigação, a equipe do WaterBee optou pela técnica mais simples, usando sensores de umidade colocados no solo.
A rede de sensores sem fios indica o nível de umidade do solo com precisão em cada área da lavoura.
Um programa de computador recebe as leituras dos sensores e avalia os melhores horários e a intensidade da água a ser lançada, de forma a maximizar os efeitos da irrigação, sobretudo o tempo de retenção de umidade pelo solo.
Segundo o Dr. O'Flaherty, calculando o uso do sistema apenas na Europa, o mercado potencial para a inovação atinge meio bilhão de euros.
Testes
O sistema está em fase de testes em fazendas de culturas variadas na Espanha.
Com os bons resultados iniciais, a equipe agora está irá iniciar uma segunda fase de avaliações, cujo principal objetivo é testar o sistema em diferentes climas e novas culturas.
Já foram selecionadas fazendas para testes na Estônia, Itália, Malta, Suécia e Reino Unido.

Nanotecnologia - Biossensores de nanotubos triplicam velocidade de exame

Nano-biossensores
Os nanotubos de carbono possuem propriedades mecânicas e elétricas tidas como extraordinárias, o que tem levado à sua aplicação sobretudo em novos materiais e em componentes elétricos e eletrônicos.
Mas pesquisadores da Universidade do Estado de Oregon, nos Estados Unidos, descobriram como tirar proveito de suas propriedades para a criação de sensores biológicos mais eficientes.
Eles conseguiram triplicar a velocidade com que seus "nano-biossensores" conseguem detectar moléculas e biomarcadores mais complexos.
Segundo a equipe, com os necessários desenvolvimentos, esses super-sensores poderão viabilizar a realização de exames clínicos na hora, no próprio consultório médico, além de servirem para aplicações em toxicologia, monitoramento ambiental e desenvolvimento de novos medicamentos.
Sensor de nanotubo
Tudo foi possível porque os nanotubos de carbono apresentam uma alteração em sua resistência elétrica quando um proteína toca neles.
Essa alteração elétrica, que pode ser medida externamente, varia de uma proteína a outra, permitindo que o sensor acuse a presença de proteínas específicas.
A grande inovação está em que os cientistas descobriram uma forma de evitar que as proteínas grudem no restante do aparato de medição, formado pelo microcanais por onde flui o líquido a ser testado - como o sangue, por exemplo.
Desta forma, elas chegam precisamente até os nanotubos, onde a medição é feita, viabilizando o uso da técnica em um aparelho portátil para a realização dos exames - eventualmente usando um biochip.
Agora a equipe quer melhorar a seletividade do sensor, fabricando nanotubos que aceitem uma proteína, mas não outras. Assim, um único sensor seria capaz de detectar múltiplos biomarcadores.

Robótica - Robonauta começa a testar luva robótica para metalúrgicos

Dando uma mãozinha

O Robonauta foi levado para a Estação Espacial Internacional em um dos últimos voos dos ônibus espaciais.
O principal objetivo do experimento, fruto de uma parceria entre a NASA e a GM, é desenvolver robôs que possam usar as mesmas ferramentas que os humanos.
O primeiro projeto, que agora está sendo colocado em marcha, é o desenvolvimento de luvas que atendam a dois requisitos: possam ser usadas por robôs e por humanos - já que ambos terão que usar as mesmas ferramentas -, e que ajude a evitar as lesões por esforços repetitivos nos trabalhadores da indústria.
O Robonauta será uma boa bancada de testes para isso, graças ao nível de destreza alcançado no desenvolvimento de suas mãos, que possuem sensores, atuadores e tendões comparáveis aos nervos, músculos e tendões de uma mão humana.
E ele não terá LER ou DORT se ficar testando uma luva por dias ou meses a fio.
Luva robótica
O primeiro protótipo da luva robótica mostrou que é possível reduzir a fadiga dos músculos das mãos, que se cansam depois de alguns minutos segurando a mesma ferramenta.
A grande vantagem é que a luva possui atuadores ativos, uma espécie de multiplicador de força - por exemplo, enquanto ferramentas usadas pelos astronautas no espaço pesam entre 7 e 10 quilos, o astronauta poderá manter a ferramenta firme fazendo uma força equivalente a 5 quilos.

Mais uma imagem de impacto criada pela NASA para divulgação, mostrando que os robôs podem dar uma mãozinha para os humanos. [Imagem: NASA]

A ideia é trazer isto para os trabalhadores na terra.
"Quando totalmente desenvolvida, a luva robótica poderá reduzir a intensidade de força que um metalúrgico tem que exercer quando manipulando uma ferramenta por um longo período de tempo, ou em movimentos repetitivos," disse Dana Komin, uma das engenheiras responsáveis pelo projeto.
Luva ativa
Atuadores semelhantes aos usados nas mãos do Robonauta foram incorporados na parte superior dos dedos da luva.
Sensores de pressão, também iguais aos do Robonauta, detectam quando o usuário da luva está fazendo força e acionam os atuadores no mesmo sentido do movimento, aliviando a carga do trabalhador.
Os protótipos pesam cerca de 2 quilos e incluem a eletrônica de controle, atuadores e um pequeno visor para a programação e diagnóstico da luva robótica.
Uma bateria de lítio deve ser pendurada no cinto, para alimentar o sistema todo.
Um protótipo de terceira geração, já em desenvolvimento, vai usar componentes integrados, para reduzir o tamanho e o peso do sistema.

Energia - Revolução solar: astrônomo promete usina solar de 1 GW

Usina fotovoltaica
Seus criadores a chamam de "revolução solar".
Segundo eles, sua tecnologia é a primeira com capacidade para viabilizar usinas de geração de energia solar fotovoltaica na faixa dos gigawatts.
A maioria dos projetos atuais de fazendas solares de grande porte é do tipo termossolar, que aproveita o calor do Sol para aquecer líquidos e gerar vapor. Este vapor gira turbinas que produzem eletricidade.
O tipo mais tradicional, mas mais caro, é baseado em células solares, ou painéis fotovoltaicos, que usam a luz do Sol para gerar eletricidade diretamente.
A proposta da empresa emergente Rehnu é otimizar esse sistema mais tradicional, gerando mais energia e, desta forma, baixando seu custo.

Cada módulo consiste de um refletor parabólico com 3,1 metros quadrados, e um equipamento compacto, chamado Unidade de Conversão de Energia. [Imagem: Rehnu]

Espelho de telescópio
Foram colocadas juntas várias tecnologias, todas já bem-conhecidas, mas com melhoramentos individuais que produziram um resultado final muito superior ao obtido em outras plantas-piloto ou plantas de demonstração.
Um módulo Rehnu de geração fotovoltaica consiste de um refletor parabólico com 3,1 metros quadrados, e um equipamento compacto, chamado Unidade de Conversão de Energia, instalado no ponto focal do refletor.
A primeira inovação está no próprio refletor, desenvolvido pelo astrônomo Roger Angel, um dos criadores da empresa, para funcionar como espelho de telescópios.
O Very Large Telescope do ESO, por exemplo, instalado no Chile, usa quatro espelhos construídos com a técnica desenvolvida pelo Dr. Angel, cada um com 8,2 metros de diâmetro.

A unidade de geração de energia possui um sistema de refrigeração ativa com radiadores, para lidar com o intenso calor. [Imagem: REhnu]

Células solares de tripla junção
A segunda inovação está no uso de células solares de tripla junção, um tipo de célula solar de altíssima eficiência, detendo todos os recordes de rendimento com larga margem em relação às tecnologias competidoras.

• Célula solar de silício atinge 36.9% de eficiência real

O problema é que essas células solares multicamadas são caras, sendo ainda economicamente inviável construir painéis solares comuns com elas.
Esse problema parece ter sido resolvido com a adoção da terceira inovação do módulo Rehnu: uma lente especial para colocar muita luz sobre poucas células solares.

Uma lente esférica coloca intensidades iguais de luz sobre cada uma das células solares de tripla junção. [Imagem: REhnu]

Lente multifocal
O refletor concentra a luz e a coloca exatamente sobre uma lente instalada na parte frontal da Unidade de Conversão de Energia.
Esta é uma técnica bastante conhecida, chamada concentrador solar.
Sua maior vantagem é que ela coloca luz de altíssima intensidade sobre algumas poucas células solares de alto rendimento. Assim, usando poucas células, o painel não sai tão caro.
Isso, é claro, exigiu mais um melhoramento técnico.
Como não se trata de simplesmente focalizar a luz em um ponto, mas em vários pontos, os astrônomos-empreendedores tiveram que desenvolver uma lente capaz de receber a luz concentrada pelo painel e a distribuir igualitariamente entre todas as células solares instaladas dentro do módulo.
De quilo a giga
Segundo seus idealizadores, o custo de instalação de uma usina solar com a tecnologia Rehnu pode chegar a US$1 por watt por volta de 2020, se seus planos de fabricação em larga escala tiverem sucesso.
Sua pretensa usina solar na faixa do gigawatt cobriria uma área de 15 quilômetros quadrados.
Por enquanto, eles estão instalando uma planta de demonstração no deserto do Arizona, que deverá ser capaz de produzir 20 kilowatts.

Eletrônica - Nanocristais perfeitos podem reduzir doses de raios X

Captação de raios
Quando você faz um exame de raio X, a dose de radiação a que você está sujeito depende inteiramente da qualidade do sensor que capta os raios-X do outro lado de você mesmo.
Quanto mais sensíveis forem os sensores a, menor será a dose de radiação à qual você precisará se submeter.
E a redução drástica dessa radiação agora é uma possibilidade real, graças ao trabalho de uma equipe do instituto ETH de Zurique, na Suíça, e da Universidade de Milão, na Itália.
Antes, porém, é importante salientar que a inovação também será útil para captar outros tipos de "raios", como os raios de luz que incidem sobre uma célula solar, otimizando sua eficiência.
Cristais perfeitos
Claudiu Falub e seus colegas desenvolveram uma técnica que permite a fabricação de cristais perfeitos, compostos de diferentes semicondutores.
A floresta de nanocristais pode ser fabricada em virtualmente qualquer espessura e, mais importante, usando como base pastilhas comuns de silício, como as usadas pela indústria eletrônica.
Em vez de juntar e colar as estruturas de diferentes semicondutores, como é feito hoje, o cristal pode ser cultivado em uma única peça.

Os cristais crescem sobre uma "torre" base de silício. [Imagem: Falub et al./Science]

Isso significa que os defeitos cristalinos, que ocorrem quando se trabalha com átomos de tamanhos diferentes, são totalmente eliminados - devido a esses defeitos, hoje os cristais são crescidos separadamente e depois colados.
Outro problema que desaparece são as trincas e quebras induzidas no substrato, em razão dos diferentes coeficientes de expansão termal dos diversos elementos.
Raios X e células solares
O processo foi demonstrado cultivando estruturas de germânio sobre pastilhas de silício, alcançando alturas de até 50 micrômetros - um autêntico arranha-céus nas dimensões nanométricas envolvidas nesses casos.
O desenvolvimento tem inúmeros campos de aplicação.
O mais imediato é na fabricação de sensores de imagens para raios X, permitindo a obtenção de resoluções espaciais impensáveis hoje - os cristais grossos de germânio são ideais para isso.
Outra possibilidade é o desenvolvimento de células-solares de múltiplas junções - as células solares de maior eficiência, geralmente usadas em aplicações espaciais.
Hoje, essas células dependem de uma base de germânio, que é muito frágil e relativamente pesada.
Com a nova técnica, essa base poderá ser o bem conhecido silício, eventualmente diminuindo os custos dessas células solares de alto rendimento.

Espaço - NASA quer redefinir o significado de "aqui"

Onde é aqui?
Os pequenos aparelhos de GPS usam uma constelação de satélites artificiais em órbita da Terra para dizer exatamente em qual esquina do mundo você se encontra a cada momento.
Mas você já parou para pensar como que é que os satélites sabem onde "eles" se encontram, para poder lhe dizer com tanta precisão onde "você" se encontra?
O início da resposta está aqui embaixo, em uma rede de antenas plantadas ao redor do mundo, que servem como pontos de referência para os satélites, do tipo "você está aqui agora".
Mas isto não é tudo, porque o nível de precisão exigido coloca em questão uma definição ainda mais básica: o que exatamente significa "aqui"?
Quando trocam informações com as antenas em terra, o que os satélites da constelação GPS estão perguntando continuamente é "onde exatamente é o 'aqui' que você está me apontando?"
Geodésia
Para entender tanta insistência com detalhes, é preciso lembrar que a Terra está longe de ser algo como uma esfera rígida e imutável navegando pelo espaço: a Terra muda de formato o tempo todo.
Os continentes se movem sobre as placas tectônicas. O equilíbrio da atmosfera muda constantemente. Os oceanos vão para lá e para cá.
Tudo isto muda não apenas o formato externo da Terra, o chamado geoide, mas também o centro de massa e a orientação do planeta no espaço.
Essas modificações podem ser detectadas no campo gravitacional da Terra e na variação da sua velocidade de rotação.

"Não podemos determinar uma localização hoje e esperar que ela seja precisa o suficiente amanhã." [Imagem: Aldebaran Robotics]

"Em termos práticos, nós não podemos determinar uma localização hoje e esperar que ela seja precisa o suficiente amanhã - muito menos ainda no ano que vem," explica o Dr. Herbert Frey, membro do Projeto Geodésia da NASA.
Geodésia é a ciência que trata da medição dessas propriedades da Terra, incluindo o levantamento e a representação da forma e da superfície do planeta.
Você já deve ter ouvido falar que, sobretudo durante a Idade Média, muitos acreditavam que a Terra era plana - de fato, ainda hoje é fácil encontrar pessoas que acreditam em coisas muito estranhas.
Mas a realidade é que o homem nunca perdeu a noção da esfericidade da Terra, principalmente depois que ela foi determinada com precisão pela primeira vez por Eratóstenes, por volta do ano 240 AC - ou seja, a Geodésia não é uma ciência da "era dos GPS".
Eratóstenes descobriu que, quando o Sol estava diretamente acima do Rio Nilo, na cidade de Assuã, seus raios incidiam em um ângulo de 7,2 graus (1/50 de um círculo) no norte da cidade de Alexandria. Por triangulação, ele calculou que a circunferência da Terra era de 40.200 quilômetros, bem próximo da medição moderna, que é de 40.075,16 quilômetros.
Rede de nova geração
Apesar das sofisticadas ferramentas disponíveis hoje para os cientistas, os cálculos continuam usando as mesmas regras de geometria aplicadas por Eratóstenes.
Mas a precisão exigida hoje chega a ser irritante, sobretudo porque não são apenas os aparelhos de GPS que dependem dela.
Todas as observações da Terra feitas do espaço dependem da precisa determinação de todos os "aquis" da Terra - seja para medir o quanto cada terremoto altera a Terra, mapear as camadas de gelo, verificar o nível global dos oceanos, monitorar o efeito de secas e inundações etc.
É por isto que a NASA verificou que é já é hora de fazer um upgrade em sua rede mundial de estações terrestres e antenas.
Entre 25 e 40 estações terrestres terão que ser atualizadas ou instaladas nos próximos anos, até atingir o que a NASA chama de "rede de nova geração".
Isso, é claro, não dependerá apenas da agência espacial norte-americana. Estão envolvidas também agências da Alemanha, França, Japão e Austrália, que estão se reunindo em comitê para determinar a melhor localização das diversas estações.

Determinar onde você se encontra é algo que começa bem mais longe do que se possa imaginar. [Imagem: Sean Carrol]

Em busca de um "aqui" universal
Uma das principais modificações dessa rede de nova geração é que cada estação terá instrumentos para utilizar simultaneamente três ou quatro técnicas de geodésia para determinar cada "aqui" com uma precisão ainda não alcançada hoje.
Por exemplo, a medição da posição de cada satélite artificial em órbita da Terra é geralmente feita com uma técnica chamada SLR (Satellite Laser Ranging), que dispara pulsos de laser em direção a cada satélite e mede o tempo que leva para a luz retornar.
Esta técnica permite também determinar com grande precisão o centro de massa da Terra, uma vez que os satélites sempre orbitam ao redor do centro de massa do planeta.
Outra forma de medir as altitudes de cada satélite é com uma técnica chamada DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite).
A técnica DORIS utiliza o efeito Doppler, avaliando a variação de frequência de um sinal de rádio emitido por uma estação e recebido pelo satélite - medindo a variação na frequência, os engenheiros podem descobrir a distância da estação até o satélite com muita precisão.
Mas, finalmente, é necessário colocar a Terra em seu contexto, ou seja, saber onde a Terra está no espaço.
Essa espécie de "GPS para planetas" é feita pela técnica VLBI (Very Long Baseline Interferometry).
Para calcular a orientação da Terra no espaço, além de pequenas variações na sua velocidade de rotação, as estações em terra observam dezenas de quasares, estrelas pulsantes que estão longe o suficiente para servirem como pontos de referência.
Ou seja, a VLBI diz onde a Terra está no Universo, a DORIS e a SLR dizem onde os satélites estão no espaço, e o GPS diz onde você está na Terra.
Compreendeu agora a importância de responder com precisão à pergunta "O que exatamente significa aqui"?