Muita energia do sol

Gerador de vapor solar produz água limpa com quase 100% de eficiência

Redação do Site Inovação Tecnológica -  04/10/2018´

O aumento de eficiência foi conseguido dobrando o material fototermal padrão conforme a técnica do origami. [Imagem: Seunghyun Hong et al. - 10.1021/acsami.8b07150]

Dessalinização solar

Mais uma vez buscando inspiração no origami, a arte japonesa de dobrar papel, pesquisadores desenvolveram um gerador de vapor solar que se aproxima de 100% de eficiência. Geradores de vapor solar produzem água limpa capturando o calor do Sol, que é usado para evaporar a água do mar, deixando sais e outras impurezas para trás. Então, o vapor é coletado e condensado em água limpa.

Os geradores de vapor solares existentes contêm um material fototérmico plano, que produz calor a partir da luz absorvida. Embora esses dispositivos sejam bastante eficientes, eles ainda perdem energia pela dissipação de calor do material para o ar. Peng Wang e seus colegas da Universidade de Ciência e Tecnologia Rei Abdullah, na Arábia Saudita, melhoraram a eficiência energética remontando tridimensionalmente o material fototérmico. Eles basearam sua estrutura na técnica Miura do origami, que consiste em interligar paralelogramos para formar montanhas e vales, formando uma estrutura 3D. O gerador de vapor solar foi fabricado depositando um composto de nanocarbono - absorvedor de luz - em uma membrana de celulose que foi estruturada com a dobragem Miura.

O dispositivo 3D apresentou uma taxa de evaporação 50% maior do que um dispositivo plano padrão. Além disso, a eficiência da estrutura 3D aproximou-se de 100%, em comparação com 71% para o material 2D.

Em comparação com a superfície plana, os vales do origami captam melhor a luz do Sol, de modo que menos dela se perde por reflexão. Além disso, o calor pode fluir dos vales para as montanhas mais frias, evaporando a água ao longo do caminho, em vez de se perder no ar.

• Vapor solar: energia solar super eficiente

Bibliografia:

Nature-Inspired, 3D Origami Solar Steam Generator toward Near Full Utilization of Solar Energy
Seunghyun Hong, Yusuf Shi, Renyuan Li, Chenlin Zhang, Yong Jin, Peng Wang
Applied Materials and Interfaces
Vol.: 10 (34), pp 28517-28524
DOI: 10.1021/acsami.8b07150

Mais carga solar

Painéis solares de silício negro chegam à fabricação industrial

Redação do Site Inovação Tecnológica -  13/09/2018

 As células e os módulos fotovoltaicos de silício negro são realmente pretos - e sem sinais de danos às delicadas nanoestruturas, mesmo saindo de uma linha de produção industrial. [Imagem: Aalto University]

Silício negro

Brevemente os painéis solares deixarão de ter aquela cor azulada tão típica.

Eles serão pretos, tão pretos que a tecnologia, desenvolvida por pesquisadores da Universidade de Aalto, na Finlândia, já foi chamada de "célula solar buraco negro".

E esses painéis solares não são negros por acaso: Com uma refletância de menos de 1% da luz que incide sobre eles, sua eficiência fica por volta dos 22%, superando os painéis solares de silício tradicional.

A tecnologia é baseada no silício negro, um material com potencial revolucionário, com aplicações que vão da spintrônica aos mantos de invisibilidade termais. A cor preta vem de nanoestruturas construídas sobre o silício, que impedem que a luz escape.

 Apesar dos cantos arredondados, o substrato é silício multicristalino. [Imagem: Aalto University]

Painéis solares de silício negro

E agora não se trata mais de uma curiosidade de laboratório: os primeiros protótipos de painéis solares de silício negro acabam de ser fabricados em uma linha de produção industrial, colocando-os a um passo da comercialização.

A técnica consiste em criar nanoagulhas no silício, gerando uma superfície opticamente perfeita que elimina a necessidade de revestimentos antirreflexo. A produção industrial, no entanto, não foi uma tarefa fácil. "Estávamos preocupados que uma estrutura tão frágil não sobrevivesse à produção em massa de várias etapas, devido ao manuseio inadequado por robôs ou na laminação dos módulos," disse a professora Hele Savin.

Mas deu certo, e os primeiros protótipos recebidos diretamente da fábrica não apresentaram sinais de dano quando foram analisados no laboratório. E, melhor de tudo, eles de fato produzem eletricidade com uma eficiência acima dos 20%.

Embora tenha saído caro fabricar as nanoestruturas, o menor número de etapas e o melhor desempenho do produto final prometem equilibrar os custos totais, facilitando a colocação no mercado dos painéis solares de silício negro.

https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=paineis-solares-silicio-negro-chegam-fabricacao-industrial&id=010115180913#.W5rDofZReUk

Tudo a trezentos mil km

Criada calculadora que faz contas usando apenas luz

Redação do Site Inovação Tecnológica -  31/07/2018

Toda a técnica de fabricação consiste em cruzar os dois tipos de nanofios, para que eles possam interagir com a luz, cada um à sua maneira. [Imagem: He Yang et al. - 10.1126/sciadv.aar7954]

Calculadora de luz

As calculadoras digitais foram uma das primeiras "maravilhas da eletrônica" que a miniaturização colocou nas mãos da maior parte das pessoas.

Agora, conforme caminhamos da eletrônica para a fotônica - a computação que usa luz em vez de eletricidade -, já podemos contar com as primeiras versões de luz desses dispositivos tão práticos.

A primeira calculadora totalmente óptica - que funciona apenas com luz - acaba de ser fabricada por He Yang e seus colegas da Universidade de Aalto, na Finlândia.

Ela ainda não está pronta para ir para as prateleiras, mas a demonstração da fotônica realizando todas as operações lógicas, os blocos básicos de toda a computação, mostra que há de fato um caminho de luz pela frente.

• Processador troca elétrons por luz para ficar mais rápido

Fotônica com semicondutores

Para construir a calculadora, Yang sintetizou dois tipos de nanofios semicondutores, um de fosfeto de índio (InP) e outro de arseneto de alumínio-gálio (AlGaAs).

Os nanofios são tão finos que se comportam como estruturas unidimensionais, funcionando como minúsculas antenas para a luz.

O passo essencial é "pentear" os nanofios depois que eles são sintetizados, o que permite estabelecer os cruzamentos entre eles para permitir que a luz de cada um interfira na luz do outro, a fim de executar os cálculos.

"As estruturas unidimensionais e de barra transversal são o núcleo de nossos cálculos porque permitem que a luz de entrada escolha com qual nanofio ela interage - ou com o fosfeto de índio ou com o arseneto de alumínio-gálio," explicou Yang.

Dependendo da entrada - neste caso a direção da luz polarizada linearmente e seu comprimento de onda - os nanofios interagem ou não com a luz. Na prática, isso é semelhante ao funcionamento das antenas usadas nos antigos receptores de rádio: Eles só recebem sinais quando apontam na direção ideal, tipicamente para cima.

Como a resposta dos diferentes nanomateriais é diferente, a saída de luz da estrutura de nanofios pode ser chaveada com diferentes comprimentos de onda e direções da luz para a realização das operações lógicas - por enquanto, a calculadora fotônica só faz adição e subtração.

• Cálculos matriciais feitos com luz prometem acelerar inteligência artificial

Bibliografia:

Nanowire network-based multifunctional all-optical logic gates
He Yang, Vladislav Khayrudinov, Veer Dhaka, Hua Jiang, Anton Autere, Harri Lipsanen, Zhipei Sun, Henri Jussila
Science Advances
Vol.: 4, no. 7, eaar7954
DOI: 10.1126/sciadv.aar7954

Estamos avançando, estamos

E-derme dá sensação de toque e dor a mão biônica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  28/06/2018

A e-derme usa um modelo neuromórfico para traduzir os sinais eletrônicos em estímulos nervosos. [Imagem: Luke E. Osborn et al. - 10.1126/scirobotics.aat3818]

Pele eletrônica

Engenheiros biomédicos criaram uma nova geração de pele eletrônica capaz de restaurar um senso de toque verdadeiro em pacientes que perderam membros e usam próteses.

"Depois de muitos anos, eu senti minha mão, como se uma concha vazia tivesse sido enchida com vida novamente," disse o testador anônimo que serviu como voluntário da equipe da Universidade Johns Hopkins, nos EUA.

Feita de tecido e borracha e incorporada com sensores para imitar as terminações nervosas, a e-derme - uma derme eletrônica - recria não apenas a sensação de toque, mas também estímulos sensoriais, como a dor, e retransmite os impulsos de volta aos nervos periféricos.

A inspiração na biologia humana significa que a pele eletrônica permite que o usuário sinta um espectro contínuo de percepções táteis, desde o toque leve até estímulos nocivos ou dolorosos.

"Nós fabricamos um sensor que vai além das pontas dos dedos de uma mão protética e age como sua própria pele. Ele foi inspirado no que acontece na biologia humana, com receptores para toque e para dor.

"Isso é interessante e novo porque agora nós podemos pegar uma mão protética que já está à venda no mercado e dotá-la de uma e-derme que pode dizer ao usuário se ele ou ela está pegando algo que é redondo ou se tem extremidades pontiagudas," disse o pesquisador Luke Osborn.

Diversos tipos de sensores - por enquanto apenas nas pontas dos dedos - são usados para imitar as terminações sensoriais naturais. [Imagem: Luke E. Osborn et al. - 10.1126/scirobotics.aat3818]

Sensores de toque e dor

Para que a e-derme codifique sensações eletronicamente, da mesma forma que os receptores na pele, a equipe criou um "modelo neuromórfico" que imita os receptores de toque e dor do sistema nervoso humano. Rastreando a atividade do cérebro através de eletroencefalografia, ou EEG, a equipe comprovou que o voluntário estava mesmo percebendo essas sensações em sua mão biônica.

A equipe conectou a e-derme ao voluntário usando um método não invasivo, conhecido como estimulação nervosa transcutânea, ou TENS. Em uma tarefa de detecção de dor, o voluntário experimentou uma reação reflexa natural à dor ao tocar um objeto pontudo, dor que não foi sentida ao tocar objetos redondos, por exemplo.

A e-derme ainda não é sensível à temperatura - neste teste inicial, a equipe focou na detecção da curvatura do objeto (para percepção do toque e da forma) e nitidez (para percepção da dor).

Além de ajudar amputados a recuperarem a sensação, essa tecnologia poderá ser usada para tornar os sistemas robóticos mais humanos e para dar sensibilidade às luvas e trajes espaciais dos astronautas.

Bibliografia:

Prosthesis with neuromorphic multilayered e-dermis perceives touch and pain
Luke E. Osborn, Andrei Dragomir, Joseph L. Betthauser, Christopher L. Hunt, Harrison H. Nguyen, Rahul R. Kaliki, Nitish V. Thakor
Science Robotics
Vol.: 3, Issue 19, eaat3818
DOI: 10.1126/scirobotics.aat3818

Mais rápido, muito mais rápido

Bits viram piscadas de luz para acelerar computadores

Redação do Site Inovação Tecnológica -  18/06/2018

Visualização artística de um circuito integrado comunicando-se por luz, em vez de elétrons, para permitir uma comunicação mais rápida e eficiente em termos energéticos. A chave é o novo interruptor eletro-óptico. Uma fibra óptica (a partir da esquerda) serve de referência de tamanho.[Imagem: ETH Zurich]

Bits fotônicos

Pesquisadores da área de fotônica criaram um microcomponente que traduz os bits 0 e 1 da linguagem digital, que são tipicamente sinais elétricos nos processadores e memórias, em bits de luz, ou fotônicos, que têm velocidades dez vezes maiores do que as tecnologias atuais.

O componente é um modulador eletro-óptico, que converte sinais elétricos em pulsos de luz prontos para viajar pelos cabos de fibras ópticas. Além disso, o processamento de dados com luz promete ser muito mais veloz e consumir uma fração da energia usada pelos processadores atuais, o que significa que eles virtualmente não vão esquentar, permitindo ganhos adicionais de velocidade.

"Tal como aconteceu com avanços anteriores na tecnologia da informação, este pode impactar dramaticamente a maneira como vivemos," antevê o professor Larry Dalton, da Universidade de Washington, nos EUA.

O novo componente eletro-óptico já nasce próximo do tamanho dos atuais componentes dos circuitos eletrônicos, o que é necessário para a integração dos sistemas fotônicos e eletrônicos em um único chip.

Com ele, a largura de banda é aumentada por um fator de 10, enquanto o consumo de energia é reduzido por um fator de 1.000.

Plasmônica

A nova tecnologia foi possível explorando uma quasipartícula chamada plásmon polariton, que possui propriedades intermediárias entre elétrons e fótons. Essa tecnologia de partículas híbridas é conhecida como plasmônica.

As aplicações do componente podem ser divididas em duas categorias com base no comprimento de onda da luz que ele for projetado para gerar: as telecomunicações por fibra óptica e as interconexões ópticas na computação utilizam luz em frequências ópticas (infravermelho), enquanto aplicações como telecomunicações sem fio e radar usam radiação eletromagnética nas regiões de radiofrequência e micro-ondas.

Bibliografia:

Low-loss plasmon-assisted electro-optic modulator
Christian Haffner, Daniel Chelladurai, Yuriy Fedoryshyn, Arne Josten, Benedikt Baeuerle, Wolfgang Heni, Tatsuhiko Watanabe, Tong Cui, Bojun Cheng, Soham Saha, Delwin L. Elder, Larry. R. Dalton, Alexandra Boltasseva, Vladimir M. Shalaev, Nathaniel Kinsey, Juerg Leuthold
Nature
Vol.: 556, pages 483-486
DOI: 10.1038/s41586-018-0031-4

Matéria

Anti-Big Bang cria novo tipo de acelerador de partículas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  29/05/2018

Vista esquemática de uma implosão de microbolhas, mostrando a totalidade dos eventos principais integrados, isto é, a iluminação por laser, a dispersão de elétrons quentes, a implosão e a emissão de prótons.[Imagem: M. Murakami]

Acelerador de partículas

Físicos japoneses descobriram um fenômeno físico de altíssima energia que lança as primeiras luzes sobre fenômenos espaciais de grandes escalas de tempo e espaço, até agora inexplicados, e que terá importantes aplicações aqui na Terra, principalmente na área de saúde e ciência dos materiais.

Masakatsu Murakami e seus colegas da Universidade de Osaka afirmam que o fenômeno, batizado de "implosão de microbolhas", se parece com um Big Bang ao contrário e é essencialmente diferente de qualquer princípio de aceleração de partículas previamente descoberto ou proposto.

O mecanismo pode explicar a origem dos até agora inexplicáveis aceleradores naturais de partículas, detectados em 2009 em escala galáctica.

Compressão a laser

Tudo começa com a tecnologia de compressão de pulsos de laser, inventada no final da década de 1980, que consiste em técnicas que liberam o laser em curtos pulsos de alta potência - os chamados lasers pulsados - aumentando a intensidade do laser em até 10 milhões de vezes. Esta técnica está sendo usada, por exemplo, em experimentos de fusão nuclear.

Murakami e seus colegas usaram um laser desse tipo para comprimir a matéria até um nível sem precedentes, atingindo uma densidade comparável à da matéria do tamanho de um cubo de açúcar pesando mais de 100 quilogramas.

Quando pressão induzida pelo laser chegou a esse nível, a equipe detectou a emissão de prótons - íons de hidrogênio - de alta energia a partir de aglomerados em nanoescala positivamente carregados, essencialmente um novo mecanismo de aceleração de partículas nunca antes visto ou teorizado.

Esses íons de hidrogênio de energia super alta - também conhecidos como prótons relativísticos - são emitidos no momento em que o laser incide sobre hidretos com bolhas esféricas, bolhas estas com dimensões na faixa dos micrômetros, fazendo as bolhas encolherem até dimensões atômicas.

Pelo que se sabia até agora, seria necessária uma distância de aceleração de dezenas a centenas de metros para que os aceleradores pudessem gerar uma energia tão grande.

Este é o nanopulsar criado pela equipe - implosões e expansões repetidas criam um acelerador de partículas inédito. [Imagem: M. Murakami]

Oposto do Big Bang e nanopulsar

A implosão de uma microbolha gera um movimento iônico inédito, no qual os íons viajam à metade da velocidade da luz e convergem para um único ponto no espaço - um fenômeno que se parece com o oposto do Big Bang, disse Murakami.

Repetindo o processo, ou seja, emitindo pulsos seguidos de laser sobre o material, a equipe criou o que eles chamam de um "nanopulsar", um aglomerado de matéria de alta densidade, só que em nanoescala, emitindo partículas relativísticas de alta energia - um pulsar é uma estrela de nêutrons giratória que emite pulsos regulares de radiação em dois feixes simétricos, parecida com um farol.

Aplicações científicas e tecnológicas

A equipe destaca que este novo conceito ajudará a esclarecer a física espacial de grandes escalas de tempo e espaço, como as origens dos prótons de alta energia que se movem nas estrelas e no espaço, ou mesmo perto de planetas gigantes - recentemente se descobriu um acelerador de partículas natural ao redor de Saturno.

Além disso, compondo uma fonte compacta de radiação de nêutrons através da fusão nuclear, este conceito será utilizado em uma variedade de aplicações em tratamentos médicos e na indústria, como a radioterapia de prótons para tratar o câncer, o desenvolvimento da geração de energia pela fusão nuclear a laser, o desenvolvimento de novas substâncias e ferramentas de análise para melhoria das células de combustível.

• Fusão nuclear fica um pouco mais próxima da realidade

Bibliografia:

Generation of ultrahigh field by micro-bubble implosion
Masakatsu Murakami, A. Arefiev, M. A. Zosa
Nature Scientific Reports
DOI: 10.1038/s41598-018-25594-3