Ondas gravitacionais: O que são e como vivem por Isabela Araldi

Neste pequeno artigo vamos falar um pouco sobre ondas gravitacionais e entender o conceito delas e sua grande importância. Elas já foram previstas pelo físico alemão Albert Einstein à quase um século atrás, em sua teoria geral da relatividade as ondas gravitacionais nada mais são do que o próprio nome sugere: ondas (iguais às de som, rádio, etc.) que se propagam a partir da deformação da gravidade sofrida pelo espaço-tempo.

Entretanto você pode estar se perguntando: “Mas o que é espaço tempo?” Irei dar um exemplo bem claro para você entender: vamos imaginar o universo como se fosse um tapete, desses que temos em nossas salas mesmo, se jogarmos um objeto, pode ser uma bolinha, em cima desse tapete ele irá sofrer alguma deformação certo? Agora vamos imaginar que pegamos esse objeto que não tenha um peso significante em relação ao tapete não irá deformá-lo muito, o tapete mal iria “afundar”, porém se colocarmos um objeto pesado no tapete a sua alteração seria bem significativa e até poderíamos causar ondas que iriam se propagar até a borda desse tapete, podemos pensar também que quando essas ondas passam por esse tapete as distâncias entre os objetos que estão em cima podem mudar! Seguindo essa lógica, então podemos dizer que é dessa forma que as ondas gravitacionais se comportam e se propagam pelo universo

Por mais que Albert Einstein houvesse previsto que elas existissem ainda não se tinha detectado elas de maneira direta, segundo a matéria feita pela BBC, em 2016 as ondas foram detectadas pelos cientistas do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO) a partir da fusão de dois buracos negros que produziu uma imensa quantidade de energia fazendo com que nós que estávamos na “bordinha” do tapete por assim dizer, conseguíssemos detectar essas ondas mesmo estamos a bilhões e bilhões de anos luz de distância

Nos vídeos produzidos pelos canais Nerdologia e o Físico Turista eles explicam com maiores detalhes como é feita a detecção dessas ondas, mas podemos dizer aqui de antemão que o processo não é nada simples (e barato) e que levou anos para ser construído. E já existem planos de construção de um projeto mais elaborado de detecção, para que possamos capturar ondas ainda menores do que as produzidas por grandes corpos, como são os buracos negros, e assim conseguirmos medir cada vez mais essas ondas

Agora que já temos uma ideia do que são essa ondas e como elas foram detectadas, a pergunta mais importante seria: Qual é afinal a sua importância para a física moderna?

Além de ser uma outra forma de obter conhecimento de estrelas, galáxias e buracos negros, etc. As ondas gravitacionais também podem ser uma chance de entendermos como o universo se formou ou quem sabe até o que tinha antes do big bang (coisa que até hoje não sabemos) ou seja, podemos concluir que elas são um caminho para conseguirmos medir outros efeitos que antes não tínhamos a possibilidade de medir uma outra maneira de encontrarmos respostas as inúmeras questões que rodeiam o nosso universo

 

Videos:

 

Referências:

1.   “Registro de ondas previstas por Einstein abre caminhos para nova era da astronomia” –  https://www.bbc.com/portuguese/geral-40130817

Uma Visão Geral Sobre a Dualidade Onda-Partícula, por Aviner Moraes

O que talvez hoje funciona muito bem, nem sempre teve a mesma aceitação. Na física clássica, o comum é pensar que a maioria dos objetos se encaixam em uma das categorias: partículas ou ondas. Isso talvez seja explicado pelo fato que no mundo macroscópico ao qual estamos acostumados, onda e partícula são coisas bem distintas. Já no mundo microscópico, os objetos estão de acordo a conhecida Dualidade Onda-Partícula, a onde uma entidade quântica pode se comportar como onda em um experimento, assim como partícula em outro.

As primeiras observações da Dualidade Onda-Partícula foram feitas em relação a luz. As primeiras teorias, em 1600, para o comportamento da luz, foram desenvolvidas pelo físico-astronômo Christiaan Huygens e Isaac Newton, tais teorias concorrentes, a primeira propusera uma teoria ondulatória da luz, enquanto a de Newton, uma teoria corpuscular, ou seja, de partículas da luz.

A teoria de Huygens teve problemas na observação de harmonização, enquanto a teoria de Isaac Newton tornou-se restrita por não conseguir explicar alguns fenômenos.

A teoria ondulatória da luz se tornou mais concreta em 1800, quando o médico e físico Thomas Young, com um simples experimento constatou que a luz sofria difração. Nesse experimento, Young usou primeiramente um obstáculo contendo uma pequena fenda (Figura 01), observando-se uma região de máxima incidência de partículas, e na sequência outro obstáculo, com duas pequenas fendas, havendo assim, a formação de franjas (Figura 02), concluindo que a luz tem um comportamento ondulatório, pois sofreu difração ao passar pelas pequenas fendas.

Figura 01: Partículas incidindo no anteparo formando um padrão de interferência com uma franja apenas.
Fonte: Adaptado de infoescola.com/fisica/dualidade-onda-particula/

 

Figura 02: Várias franjas incidindo no anteparo.
Fonte: Adaptado de infoescola.com/fisica/dualidade-onda-particula/

 

Disso, foi concluído que as duas teorias citados acima estão corretas, pois a luz ao se propagar no espaço tem comportamento de onda, e quando incide sobre uma superfície, passa a se comportar como partícula, ou seja, as propriedades da luz dependem da nossa interação com ela.

Mais tarde, em 1924, a Dualidade da Partícula-Onda foi enunciada pelo Físico Francês, Louis-Victor de Broglie.

Broglie em seus experimentos anunciou que os elétrons apresentavam características tanto ondulatórias como corpuscular, lançando assim a hipótese de que se a luz apresenta natureza dual, uma partícula também apresentaria características ondulatórias. O experimento comprovou que os elétrons tem característica dual bastante parecida com o experimento de Young.

Para objetos maciços, que apresentam comprimentos de onda muito pequenos, é inútil pensar neles como forma de onda, já para pequenos objetos, o comprimento de onda pode ser observável e significativo, como demonstrou o experimento de Young explicado anteriormente.

Esse é um dos temas mais complexos e que mais gera curiosidade na física, mas hoje sabemos que é inquestionável no mundo quântico, que a matéria tem característica dual por causa da Dualidade Onda-Partícula, esse tema carrega o “coração da mecânica quântica”, sendo um dos fenômenos que é a fundamentação da Teoria Quântica, todo o comportamento de luz e matéria pode ser explicada através da utilização de uma equação diferencial que representa uma função da onda. A equação, geralmente sob a forma de Equação de Schorodinger, é a capacidade de descrever a realidade na forma de ondas.

Abaixo, encerro com um vídeo complementar sobre o tema abordado, onde ele complementa o que foi descrito pelo texto.

 

Referências

https://alunosonline.uol.com.br/fisica/dualidade-onda-particula.html

https://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod06/m_s05.html

HALLIDAY, D., RESNICK, R. Fundamentos de Física, v. 4. Ótica e Física Moderna. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos (1991).⦁ HALLIDAY, D., RESNICK, R. Fundamentos de Física, v. 4. Ótica e Física Moderna. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos (1991).

https://www.misteriosdouniverso.net/2015/03/os-caminhos-da-luz-o-que-e-dualidade.html

 

 

 

Considerações sobre a implantação de usinas micro/minigeradoras de energia elétrica a partir do biogás.

O crescimento da demanda de energia elétrica teve um aumento muito alto nos últimos 10 anos, e estima-se que esse aumento seja ainda maior nos próximos 30 anos. O crescimento no consumo de energia primária teve um aumento médio anual  2,1% entre os anos de 2003 e 2013, embora as energias renováveis representem um terço desse crescimento, elas ainda representam somente 3% da matriz energética mundial [1].

 

UM POUCO MAIS SOBRE O BIOGÁS E BIOENERGIA.

O Biogás é uma das fontes de energia mais versátil do mundo, seu processo de produção constitui-se na digestão anaeróbica de resíduos orgânicos, esse processo ocorre em faixas de temperatura de 20°C a 80°C dentro do biodigestor, os subprodutos desse processo se constituem em um biofertilizante, que pode ser utilizado na agricultura, o biogás, uma mistura entre metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), e dependendo da biomassa utilizada, criam-se siloxanos, ou hidróxidos de enxofre, em baixíssimas proporções, esse tipo de processo teve seus usos em escala iniciados em 1857, em Mumbai, Índia, e desde então os processos vêm se aprimorando, o atual estado da arte dessa tecnologia, consiste na produção em larga escala de bactérias anaeróbicas mais eficientes no processo  acidogênese, Acetogênese, e Metanogênese, de modo a tratar a matéria orgânica de forma mais eficiente, produzindo a maior quantidade de Metano possível [2].

Figura 1: Gráfico das fontes de energia da matriz energética da alemanha em 2017.

Atualmente, a Alemanha é um dos países mais desenvolvidos mundialmente no ramo da produção de biogás, trazendo consigo o que há de mais inovador em tecnologias neste setor, investindo fortemente em unidades de microgeração, biodigestores, entre outros.

O governo alemão prevê que 80% de sua matriz energética seja produzida por fontes renováveis em 2050. Biomassa, energia eólica e solar atualmente fazem parte de cerca de 25% da demanda de eletricidade do país [3].

 

MATRIZ ENERGÉTICA BRASILEIRA.

Figura 2: Gráfico da porcentagem de cada fonte de energia que compõe a matriz energética brasileira em 2016.

Embora a matriz de energia elétrica brasileira seja umas das mais renováveis, o consumo de energia total é dependente, em grande parte por petróleo e gás natural, esse é o ponto ideal para pensarmos em soluções e alternativas para reduzirmos essas proporções, sendo que boa parte desses recursos são produzidos, ou beneficiados em outros países,  então é transportado e comercializado dentro do nosso país, mas se considerarmos os recursos disponíveis para serem processados, dentro do próprio país, podemos nos tornar menos dependentes, o maior exemplo disso é o uso do Biogás e o Biometano.

DEMANDA X POTENCIAL ENERGÉTICO BRASILEIRO.

Em 2016 o Brasil consumiu 460.829 GWh de energia, em comparação a isso, a região sul do país consome aproximadamente 17,8% desse total, que equivale a 82063 GWh de energia. Embora o crescimento do consumo tenha se mantido estável, se faz necessário um planejamento correto para que as fontes de energia não se esgotem (por exemplo os combustíveis fósseis, que são recursos finitos) [4].

Para a análise do potencial energético, foram levantados dados de quantidade de rebanho (aves, suínos e bovinos) da região sul do Brasil para que pudesse ser feita a estimativa de produção de energia em GWh/h por ano. Para os cálculos, foram considerados taxas de produção de biogás por animal baseados em um modelo de conversão divulgado pela EMBRAPA [5]. Considerando que todos os dejetos de animais (aves, suínos e bovinos) atualmente confinados fossem tratados por um processo de biodigestão, seria possível produzir aproximadamente 8800×10⁶ m³ de biogás, e com a tecnologia que opera atualmente para a conversão de biogás em energia elétrica, conseguiríamos obter 19200 GWh por ano, o que representa 23,4% da demanda de energia da região em questão [6].

Figura 3: Efetivo total dos rebanhos na região sul em 2016.

Nos cálculos desenvolvidos, estima-se que a energia que pode ser produzida a partir do dejeto dos suínos confinados seja próxima de 4700 GWh por ano, já os bovinos seriam capazes de produzir cerca de 10.000 GWh por ano de energia, e por fim, o dejeto produzido por galinhas confinadas nos renderia 4500 GWh de energia elétrica.

CONSIDERAÇÕES FINAIS.

Certamente, a implementação de sistemas produção de energia a partir do biogás é uma opção muito interessante quando se trata de energias renováveis, os pontos positivos deste sistema são muitos, dentre eles: a possibilidade de produção de energia próximo aos consumidores (reduzindo as perdas em transmissão), a constância da produção de energia (independendo de fatores como o sol, vento, e fatores climaticos), a geração de energia limpa, o tratamento correto de dejetos que atualmente não possuem uma destinação adequada. O custo de implatação por KW de potência instalada é mais baixo do que o atualmente praticado por concessionárias de energia, tornando assim, o sistema economicamente viável.

Embora o cenário demonstre que não irá solucionar os problemas de energia do mundo, há uma vasta área a ser desenvolvida a fim de aumentar a eficiência desses sistemas que contribuem para o suprimento da demanda energética. Podemos analisar casos como a Alemanha, que já trata a maior parte de seus dejetos gerados por animais, gerando energia elétrica e também reduzindo efeitos negativos causados por esses resíduos no solo e no meio ambiente.

 

REFERÊNCIAS.

[1] Disponível em http://www.epe.gov.br/pt/abcdenergia/matriz-energetica-e-eletrica

[2] Disponível em https://www.portaldobiogas.com/metanogenese-na-biodigestao-anaerobia/

[3] Disponível em https://jornalggn.com.br/fora-pauta/politica-de-energia-alema-uma-crise-criada-pelo-homem

[4] Disponível em https://www.epe.gov.br/sites-pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/PublicacoesArquivos/publicacao-160/topico-168/Anuario2017vf.pdf

[5] Disponível em http://docsagencia.cnptia.embrapa.br/suino/bipers/bipers14.pdf

[6] Disponível em https://bgsequipamentos.com.br/blog/calculo-de-producao-de-biogas-2/

Figura 1: Figura 2: Figura 3:

Autores: Felipe Munzlinger, Rovani V. Krindges.

 

 

 

 

A importância da Física para o nosso desenvolvimento

A priori grande parte das pessoas tende a ignorar, ou simplesmente desconhecem fatos ou conhecimentos científicos que podem influenciar o funcionamento da dinâmica de um país. Relacionar o nível de desenvolvimento de um país com sua capacidade energética, por exemplo, é algo pouco comum de se ver, porém ambos estão intimamente relacionados. Estar consciente dessa relação não é algo tão óbvio assim, são necessários conhecimentos vários para ter em mente que essa relação é crucial. Tais conhecimentos podem ser provenientes de vários setores da ciência, porém aqui buscarei tratar dos conhecimentos físicos, principalmente relacionado aos conhecimentos apresentados na disciplina de Física 4.

Compreender o termo “desenvolvimento”, por si só já é um desafio, pois tal pode apresentar significados distintos dependendo do “meio” no qual está inserido. Das diversas dimensões que podemos analisar o desenvolvimento, trataremos aqui o desenvolvimento nas dimensões econômica, ambiental e social.

A energia é intrínseca à vida. Sociedades como as existentes atualmente existem, se não, à intensa exploração de fontes energéticas, desde a descoberta do fogo nos tempos mais longínquos até as mais recentes tecnologias de exploração de petróleo.

O fogo na sociedade pré-histórica caracterizava-se também como um status social, os grupos que possuíam domínio do fogo possuíam mais proteção, como para se aquecer e para espantar os animais. Aqui já é possível entender como o domínio de uma fonte energética é fundamental para a manutenção da vida. Um grupo que não possuísse o domínio do fogo seria mais vulnerável, podendo até mesmo se extinguir. É possível perceber que mesmo os princípios da termodinâmica nem se quer ser imaginados naquela época, o fogo e suas características proporcionaram um grande desenvolvimento para a humanidade. Foi possível através do mesmo adquirir proteção, novos nutrientes e conforto.

As grandes mudanças que ocorreram no mundo estão intimamente relacionadas com fontes de energia e o trabalho gerado através dessa energia, como por exemplo, as revoluções industriais. Na primeira revolução industrial, que se caracterizou pela produção têxtil de algodão e pela siderurgia, iniciou-se a utilização em larga escala do carvão, mudando assim toda a dinâmica da cidade. É importante lembrar que as fontes de energia são muitas vezes finitas, e algumas das fontes que dizem ser “renováveis”, não são.

Os países que possuíam maior quantidade de fontes energéticas se tornaram grandes potências econômicas, entre esses podemos citar o EUA e a China. Quanto mais fonte de energia um país possui, mas barata a mesma se torna, maior é a produção industrial, maior o movimento monetário e além de tudo melhor a qualidade de vida da população.

Porém como os recursos energéticos são escassos, a economia de um país pode ruir se tal recurso acabar, é por isso que os países que já usaram grande parte de seus recursos exploram e ou buscam em outras regiões combustíveis para poderem se manter. Logo é muito importante descobrir e buscar novas fontes de energia que não seja tão prejudicial aos seres humanos nem ao meio ambiente, para que possamos nos desenvolver cada vez mais e buscar uma qualidade de vida melhor.

Comparação entre a produção mundial de carvão e a produção no Brasil:

Fonte: EPE ¹

Fonte: EPE ¹

Referências:

1- EPE – Empresa de Pesquisa Energética. Fontes de Energia. Disponível em: <http://www.epe.gov.br/pt/abcdenergia/fontes-de-energia&gt;. Acesso em: 03 de julhos de 2018.

BELANÇON, Marcos Paulo. Física Moderna. 2017.

A energia presente no cotidiano

A Energia é uma palavra que não possui uma definição exata, de acordo com a ciência estudada ela pode ter uma variação no seu significado, por exemplo na biologia ela é associada aos nutrientes que o corpo precisa para ter seu funcionamento de forma correta, já na física está associada a capacidade de realizar trabalho. Seja como for, ela está presente em nosso cotidiano de várias formas desde os primórdios da humanidade.

Energia incorpora, é soma de energia gasta durante o processo de fabricação de um determinado produto, a partir de cada etapa (extração de matéria-prima l, transporte, equipamentos, mão-de-obra, etc.).

Nos últimos anos com o avanço da tecnologia, ocorreu o crescimento no uso de um tipo de energia, a energia elétrica, ela se faz presente na vida de quase todas as pessoas hoje em dia e as vezes quase nem percebemos que a utilizamos, por exemplo ao usar um celular não pensamos nas reações químicas que estão ocorrendo na bateria dele para fazer com que o celular tenha energia.

Existem vários aparelhos que possuem mecanismos dentro de si para funcionar sem precisar estar conectado a uma rede de energia elétrica, elementos químicos são associados para que isso ocorra. Mercúrio, chumbo, cádmio, manganês e níquel são muito utilizados devido a facilidade de oxirredução desses elementos. Isso também mostra como é difícil para fazer a reciclagem de aparelhos eletrônicos, e de outros materiais que possuem vários elementos ligados.

Outro elemento que é usado na fabricação de quase todos os aparelhos eletrônicos é o Silício devido ao fato dele possuir 4 elétrons em sua camada de valência e seus átomos se combinarem em formam cristais na temperatura ambiente, esses elétrons ganham energia suficiente para se movimentar livremente pelo cristal.

Muito equipamentos não chegam a ter uma vida útil rentável, ou seja, se é utilizado uma quantia de energia “X” para se fazer um equipamento, e sua vida útil não chega perto desse valor “ X”, esse equipamento não foi bem utilizado.

A grande parte da população não sabe a quantia de energia que foi utilizada para a fabricação de equipamentos, ou seja, não sabem o valor de sua energia embutida. Exemplo: a energia para se produzir um celular padrão daria em torno de 3 a 4 meses de consumo de energia de uma casa popular com 3 pessoas (aproximadamente 120 /130 KW/h). Muitas pessoas se tivessem essa informação fariam um uso mais consciente de vários produtos.

Precisamos de energia barata, e cada vez o consumo de energia aumenta mais, nesse ritmo   a geração de energia provavelmente não conseguira suprir esse consumo. Se não tiver essa geração de energia, uma opção é diminuição de gastos ou aumentar a eficiência, ou seja, pode-se diminuir os custos de energia embutida. Hoje em dia com a globalização as fabricas buscam matérias primas em outros continentes fazendo com que os gastos de energia para se fazer um produto aumentem muito, o fato de utilizar matéria-prima da região pode-se diminuir uma parcela significativa de energia embutida.

A imagem a seguir mostra o ciclo de vida de um aparelho celular .

Autor: Gustavo De Almeida Barriquello

Coautor: Alan Vinicius De Lara

Referências :

http://www.engenhariasustentavel.org.br/?p=472#

http://blog.enciclo.com.br/entenda-como-e-o-ciclo-de-vida-de-um-produto-de-forma-simples-e-facil/

Supercondutores: cerâmicas supercondutoras e efeito meisser.

Materiais supercondutores são aqueles que transportam energia elétrica
praticamente sem dispersão, isso se da ao fato da resistividade de um condutor
aumentar com a temperatura e sendo assim há um aumento na resistividade
elétrica , isso faz com que a corrente que circula por esse material diminuir, o
gráfico a seguir mostra o comportamento de dois condutores um metálico e
outro supercondutor:

sendo assim quando abaixamos a temperatura desse condutor para próximo
de zero absoluto obtemos resistividades quase nulas, isso significa que os
elétrons livres desses materiais podem deslocar-se livremente.
Esse fenômeno foi observado inicialmente em alguns metais porem como já
dito acima suas temperaturas deveram estar em quase zero absoluto, como
por exemplo o mercúrio que tem que estar a 4K para se tornar supercondutor.

Ceramicas supercondutoras:

Porem em 1986 foi descoberto as cerâmicas supercondutoras que aos 100K já
atinge o estágio de supercondutor fazendo assim ser utilizada para diversas
pesquisas, pois com essa nova tecnologia poderiam ser feitas inúmeras
inovações, pois, estima-se que uma usina hidroelétrica perca em torno de 20
por cento de sua produção de energia durante o trajeto de usina para condutor
e isso se deve ao fato de a corrente elétrica se transformar em calor devido a
resistividade dos condutores, e com cerâmica supercondutora esse desperdício
seria evitado, e claro ainda teria a parte em seus geradores que teriam mais
eficiência. Mas o grande problema é tornar esses supercondutores em matérias
mais acessíveis, pois como já dito uma cerâmica para ser supercondutoras tem
que ter sua temperatura diminuída para 100K isso requer uma tecnologia
criogênica muito avançada e cara, graças a isso que supercondutores não
aparecem nos utensílios do nosso cotidiano, mas em contramedida já tem
muitas pesquisas sendo feitas para desenvolver supercondutores que operem
em temperatura ambiente. Porem mesmo a tecnologia de supercondutores seja
cara ainda e utilizada em várias áreas para pesquisas cientificas como por
exemplo o Large Hadron Collider, que seria o acelerador de partículas
considerado o maior do mundo.

Efeito meisser:

Nisso temos o efeito meisser que seria a expulsão do campo magnético de um
supercondutor, que seria possível aplicado um campo magnético em um
condutor e o esfriando até sua temperatura de transição, ao fazer isso o
supercondutor se torna diamagnético que no caso seria o comportamento das
matérias serem repelidos na presença de campos magnéticos.

Ao descobrir isso pode se concluir que os supercondutores não são apenas
metais com resistividade zero, pois a resistividade nula não implica em
diamagnetismo perfeito e que tal efeito permite estabelecer que a transição do
estado normal para supercondutor é reversível.
Os supercondutores são elementos que nos proporcionam muitas
oportunidades de pesquisas e testes, envolvendo magnetismo e condutividade,
mesmo que ainda necessite estudar muito sobre tal material que para que
possamos utiliza-lo em temperatura ambiente ou chegar em sua temperatura
de transição mais facilmente, podemos dizer que nos dias atuais nos traz
muitas oportunidades de inovações porem com falta de recursos para
implementar tais matérias no cotidiano.

Referencias:

[1] Mundo Educaçao. Disponivem em:
https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/levitacao-magnetica-efeito-
meissner.htm.
[2] Caracterizaçao de fitas supercondutoras 2g com juntas soldadas. Disponivel
em: http://monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10010651.pdf.
[3] Alunos online. Disponivel em:
https://alunosonline.uol.com.br/fisica/supercondutores.html.
[4] A revolução dos Supercondutores. Disponivel em:

https://super.abril.com.br/ciencia/revolucao_supercondutores/.

Células fotovoltaicas: Tecnologia Espacial x Tecnologia Comercial por João Bernardo Bresolin e Gabriel Manfroi Teixeira

O efeito fotovoltaico acontece quando a luz do sol, que possui partículas chamadas de fótons, atinge uma célula fotovoltaica com energia suficiente para excitar os elétrons ali presentes, a ponto de transferi-los de uma banda de valência a outra causando uma tensão e por consequência uma corrente elétrica.

O primeiro a observar este efeito foi Alexandre-Edmond Becquerel, em 1839. A partir daí os cientistas tinham conhecimento sobre a possibilidade da geração de energia elétrica proveniente da luz solar, porém a baixa eficiência das células da época (na faixa de 1%), não viabilizavam sua produção comercial. Somente na década de 54, pesquisadores dos laboratórios Bell revelaram avanços tecnológicos para se obter células com uma eficiência na casa de 10%, alavancando cada vez mais estudos e investimentos na área. A tecnologia convergiu com a crescente corrida espacial que ocorria na época, introduzindo os painéis solares neste mercado.

Nos dias de hoje, painéis solares destinados ao setor espacial receberam um upgrade e atingem uma eficiência em torno de 35%. Essa alta eficiência está diretamente associada ao composto Arsenieto de Gálio (GaAs), que é o semicondutor utilizado na confecção desses painéis. Esse composto encarece o produto, inviabilizando a sua produção em larga escala, e por esse motivo sua aplicação se restringe quase que exclusivamente ao setor espacial.

Painéis solares com células de cristais de Silício (Si) entregam uma eficiência menor se comparadas às de Arsenieto de Gálio, porém com uma maior viabilidade econômica, uma vez que a confecção de placas de Silício é muito mais barata. Em 2018, foi constatado que 85% dos painéis solares comercializados no mundo utilizam alguma variação de Silício em sua composição, entregando uma eficiência de 15% a 25%.

Segue um gráfico da eficiência entre os principais painéis solares fabricados ao longo do tempo:

Fonte: NREL (National Renewable Energy Laboratory

Tendo em vista que os painéis que utilizam Silício correspondem a uma grande parcela do mercado, é natural que existam diferentes tipos e diferentes aplicações, vamos abarcar dois deles:

 

Painel Solar Fotovoltaico de Silício Monocristalino:

A tecnologia monocristalina (mono-Si) é a mais antiga das tecnologias e possui a eficiência mais alta.

• Eficiência média: 15-22%;
• Vantagens: Uma vez que possuem eficiência maior, precisam de menos espaço para gera uma mesma quantidade de energia elétrica;
• Desvantagens: Custo mais elevado.

 

Painel Solar Fotovoltaico de Silício Policristalino:

A tecnologia é basicamente a mesma do Monocristalino, porém suas células possuem uma eficiência ligeiramente menor.

• Eficiência média: 14-20%;
• Vantagens: mais baratos que os monocristalinos devido ao menor número de resíduos de Silício na hora da produção e possui uma vida útil de mais de 30 anos;

Desvantagens: Menos Watts/m², logo precisa de uma área maior para produção de uma mesma quantidade de energia elétrica.

À esquerda Painel Monocristalino, à direita Painel Policristalino. Fonte: Portal Solar.

Comparando esses já citados a painéis de alta eficiência, como por exemplo os à base de Arsenieto de Gálio, notamos as seguintes diferenças:

Os painéis que utilizam o metal Gálio em sua composição são considerados tecnologia de ponta.

• Eficiência: 35-44%;
• Vantagens: captação de uma faixa de luz solar mais abrangente do que painéis de silício e bom funcionamento sob altas temperaturas sem comprometer a produção de energia.
• Desvantagens: altíssimo custo, logo é praticamente inviável economicamente.

 

No cenário atual, a substituição de painéis construídos a base de Silício pelos de Arsenieto de Gálio é inviável economicamente, mas a título de avanço tecnológico desempenham um papel fundamental, aumentando o teto da eficiência, consequentemente e a longo prazo, viabilizando a implementação dessa tecnologia no mercado.

 

 

Referências:

[1] Portal Solar. Disponível em: <https://www.portalsolar.com.br>.

[2] Principais tipos de células fotovoltaicas constituintes de painéis solares. Disponível em: <https://www.portal-energia.com/principais-tipos-de-celulas-fotovoltaicas-constituintes-de-paineis-solares/>.

[3] Energia solar e o espaço. Disponível em: <https://www.solsticioenergia.com/2017/04/18/energia-solar-e-o-espaco/>.

[4] Painéis solares mais eficientes, quais são? Disponível em: <https://pt.linkedin.com/pulse/pain%C3%A9is-solares-mais-eficientes-quais-s%C3%A3o-arnaldo-m-botteon>.

[5] Cientistas criam novo painel solar, mais eficiente, de captação da energia solar. Disponível em: <https://hypescience.com/cientistas-criam-novo-painel-mais-eficiente-de-captacao-da-energia-solar/>.

A viabilidade da substituição do carro a combustão pelo carro elétrico

Será que carros elétricos são realmente uma das soluções para os problemas energéticos e ecológicos?

O relatório anual da Bloomberg sobre veículos elétricos diz que os veículos elétricos irão impactar no mercado de energia até 2040. O relatório também indica que até 2040, 33% de toda a frota de carros será de carros elétricos.

A Bloomberg também explana sobre a demanda de matéria prima das baterias de íon lítio. Hoje a capacidade de produção de bateria é cerca de  131 GWh por ano, com base nos investimentos no mercado isso deve triplicar para 400 GWh até 2021 com 73% dessa produção concentrada na china. Com isso a demanda por componentes da bateria como cobalto e níquel e lítio  aumentará  de 0,7 milhões de toneladas para quase 8 milhões de toneladas até 2030.

A rápida expansão dos veículos elétricos afetará o consumo de petróleo. Como a projeção de vendas dos veículos elétricos ultrapassam 50% das vendas de veículos novos até 2040 estima-se que 7,3 milhões de barris de petróleo por dia sejam “deslocados” esse petróleo deslocado provavelmente servirá para a produção de energia elétrica. A gasolina é o combustível mais usado na frota de veículos leves no mundo, 94% desses veículos utilizam a gasolina. O relatório da Bloomberg vem com uma visão otimista sobre a substituição dos veículos elétricos , mas há problemas para uma implementação em massa dessa tecnologia.

A fabricação de veículos elétricos demanda mais consumo de energia que os atuais carros a combustão, em grande parte por causa das complexas baterias que armazenam a energia, e também o descarte dessas baterias vai em contramão ao meio ambiente.

Em matéria publicada no jornal alemão Deutsche Welle  por mais que um veículo elétrico não emite CO2 nas estradas há um consumo de CO2 para gerar essa energia elétrica. Na Alemanha mais dá metade dessa energia provém de combustíveis fósseis .Se um automóvel elétrico for carregado com essa energia proveniente de combustíveis fósseis deveria rodar mais de 100 mil quilômetros para igualar a conta ambiental.

Um dos veículos elétricos vendidos no brasil usa 30 kwh para encher a carga das baterias, e tem autonomia de 160 km, e segundo a ANEEL o preço médio do kwh no Brasil é de R$ 0,51 então esse carro elétrico gastaria R$ 0,09 por km, bem diferente do carro a combustão, onde no brasil a média de consumo dos carros é de R$ 0,30 por km.

Mas se metade da frota de veículos leves  for substituída por veículos elétricos , segundo o DENATRAN teríamos cerca de 29 milhões de veículos elétricos rodando pelo país, o que nos dá que para cada 160 km rodados, seriam gastos 876 milhões de kwh de energia elétrica.

De acordo com a ANEEL o brasil tem potencial de geração por dia cerca de 4,1 bilhões de kwh, então seria necessário um aumento de 21% na produção de energia elétrica no país para suprir essa demanda, sem contar o consumo extra na produção desses veículos, que como dito no parágrafo anterior, gastam mais energia que os carros a combustão. Esse aumento de 21% representa  a construção de mais 57 usinas iguais a  de Angra I

Os veículos elétricos trazem uma economia do ponto de vista financeiro, mas pelo lado ambiental, as contas ficam equiparadas com os motores a combustão convencionais comercializados hoje. Acredito que essa transição não será tão rápida, e nem tão fácil como contam os defensores da implementação de veículos elétricos. O problema energético ainda será muito grande.

 

Referências:

https://about.bnef.com/electric-vehicle-outlook/

https://www.dw.com/pt-br/carros-elétricos-são-realmente-ecológicos/a-40013523

http://www.denatran.gov.br/estatistica/635-frota-2018

https://www.itaipu.gov.br/energia/geracao

http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/capacidadebrasil.cfm

https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/4139710/mod_resource/content/1/OI%20-%20Geração%20de%20Energia%20-%20vSeminário.pdf

 

A Mecânica Quântica e o Gato de Schrödinger

 

Figura 1: Ilustração do Exercício mental proposto por Schrödinger

 

A mecânica quântica é algo muito inderterminado, assim como seus resultados. Ela nos apresenta previsões de coisas possíveis de ocorrer, por isso é tão complicada de se compreender e foi diversas vezes contestada por físicos renomados tentando prova-la errada. Todos em algum momento da vida já ouviram falar do gato de Schrödinger, por exemplo, porém poucas pessoas sabem o porquê desse exercício mental ou o que ele tenta explicar, ou no caso se opor. Então, vamos descomplicar um pouco.

Para entendermos a mecânica quântica, precisamos entender o seguinte: a física nem sempre se dobra as leis da probabilidade. Por exemplo, na física mecânica do mundo macroscópico, se jogarmos uma moeda ela terá 50% de chance de ser cara e 50% de chance de ser coroa no entanto terá 100% de chance de ser uma das duas, então está longe de ter o equilíbrio 50/50 previsto pela probabilidade. Se continuarmos a jogar moedas eventualmente a incidência de caras e coroas irá se aproximar muito de 50/50, portanto em valores mais numerosos a probabilidade estará correta.

Na física mecânica do mundo microscópico há eventos de transmutação e decaimento natural. Se pegarmos por exemplo uma amostra de átomos de mercúrio 197, após o seu tempo de meia vida – de aproximadamente 64 horas – metade desses átomos terão se transmutado de mercúrio para átomos de ouro. Se usarmos a mesma analogia da moeda e “lançarmos” este átomo uma única vez, quando observarmos o átomo será 100% mercúrio ou 100% ouro. Quanto mais átomos lançarmos mais o resultado final também se aproximará do resultado de 50/50 previsto pela probabilidade.

Aqui entramos no problema em que separa a física clássica da física quântica – quando o evento for único, ou seja apenas um único “lançamento”. Para o mundo macroscópico, quando a moeda for lançada mesmo antes de a vermos já sabemos que será cara OU coroa, o evento já está concluído, a moeda já é uma dessas coisas. No mundo microscópio, quando olharmos para o átomo saberemos se ele se manteve mercúrio ou se transmutou para ouro, porém antes da observação haverá uma superposição de estados, o átomo será ao mesmo tempo totalmente mercúrio E totalmente ouro.

Esta é a Interpretação de Copenhague, desenvolvida por Niel Bohr e Werner Heisenberg, em 1927. Esta interpretação defende que na mecânica quântica os resultados são indeterminísticos, não há como saber a posição da partícula antes dela ser medida. O decaimento, assim como a transmutação, ocorrem de maneira aleatória – é impossível saber se ocorreram antes da observação e, se antes da observação o sistema permitia muitas possibilidades, a medição reduziu a apenas uma.

Muitos físicos tiveram grande dificuldade em aceitar isto, porque de fato parece uma teoria absurda, foi neste cenário que Albert Einstein proferiu sua famosa frase “Deus não joga dados com o Universo” e passou um bom tempo realizando experimentos e tentando provar que isto estava errado.

Portanto, em 1935, o físico austríaco Erwin Schrödinger, que havia ganhado o Nobel de física em 1933, propôs um exercício mental na pretensão de provar quão absurda era a Interpretação de Copenhague, mas que nos ajuda a entender de uma forma mais palpável o que é mecânica quântica, já que foi comprovada teoricamente apenas:

Em uma caixa sem transparências foi colocado um gato, um vidro de veneno, material radioativo de decaimento alfa, um contador Geiger (dispositivo que detecta radiação) e um martelo ligado ao contador de tal forma que o movimento de contador ao notar o decaimento radioativo faria com que o martelo caísse sobre o vidro de veneno que mataria o gato. A caixa ficaria fechada durante um período de uma hora – tempo ideal para que aquele material pudesse decair um pouco, mas também curto o suficiente para que fosse possível nada acontecer.

Enquanto a caixa estivesse fechada e não pudesse ser observado o que estava acontecendo dentro dela, o decaimento assumiria uma posição de existência e não existência que passaria para o gato – que existiria num estado de vida e morte. Ou seja, o gato estava morto E vivo ao mesmo tempo. Caso descrito matematicamente, o gato assumiria uma equação de onda complexa, resultando da superposição de dois estados – 50% do gato estaria vivo e 50% do gato estaria morto.

 

Com isto, é possível perceber que a mecânica quântica parece absurda quando trazida para o mundo macroscópico, mas isso não descarta sua existência. O exercício mental do gato de Schrödinger nos ajuda a entender o que a Interpretação de Copenhague propôs e nos deixa mais perto de entender a “loucura” da mecânica quântica.

Referências: 

[1]  Figura 1. A interpretação de Copenhague e o gato de Schrödinger, disponível em:  https://www.misteriosdouniverso.net/2014/05/a-interpretacao-de-copenhague-e-o-gato.html

[2] Superposição quântica: novo experimento mostra que pode ser observável a olho nu, disponível em: https://hypescience.com/superposicao-quantica/

[3] O gato de Schrödinger e a física quântica, disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=DyB-6Ke5fPk

Teoria do Multiverso

Imagem 1 – Bolhas de sabão, multiverso

Já imaginou se quando chegarmos no fim do nosso universo, deparamos que tem infinitos outros universos além do nosso? É exatamente isso que iremos tratar neste artigo.

Com a teoria de multiverso poderíamos existir em um outro universo do mesmo jeito, mas com pequenas mudanças. Por exemplo, hoje faço engenharia elétrica na UTFPR, talvez em outro universo eu poderia fazer filosofia ou até mesmo estar morto.

Para começar a falar sobre o multiverso temos que falar um pouco sobre o Big Bang, uma explosão que continua se expandindo até hoje, com ele surgiram as estrelas, planetas, galáxias e a vida. Embora digamos que foi uma explosão, não sabemos ao certo o que originou essa explosão. Com isso a teoria dos multiversos começou a ser discutida pelo físico Alan Guth, que refez os cálculos e obteve a ideia que a gravidade poderia atuar ao contrário no início dos tempos, isso é, em vez de atrair as coisas ela repeliria. Ele a chamou de Inflação que é o “Bang” do Big Bang.

Uma evidência muito grande da teoria do Big Bang é a Radiação Cósmica de Fundo (uma forma de radiação eletromagnética), tal radiação possui um espectro de corpo negro e é uma grande prova de que o universo no passado era muito mais denso e quente do que é hoje. Nela conteria vestígios da “Inflação” que ele sugeriu. Em 2011 foi lançada sonda WMAP para testar as teorias sobre a origem do universo e com isso obteve sucesso em descartar algumas teorias e dar mais sustentabilidade para outras.

O físico Alex Vilenkin em uma das palestra de Guth se fez o seguinte questionamento: o que faria a inflação acabar? Após de meses de pensamento se deu conta de que a inflação não acaba em todos os lugares ao mesmo tempo, ou seja, novas explosões estão acontecendo, fazendo que surja diversos universos ao mesmo tempo, denominando como inflação infinita. Criando assim o Multiverso.

Os astrônomos chegaram na conclusão que o universo não está desacelerando como previsto, muito pelo contrário, ele está acelerando, tendo assim que haver uma energia invisível que está fazendo isso, energia essa denominada como energia escura. Porém ao medir a força da energia escura descobriu que ela é muito menor do que o previsto, no entanto ela está na medida para conseguir formar os planetas, estrelas e galáxias. Se ela fosse um pouco maior nada disso existiria. Com isso universos com muita energia escura não teriam tempo de se aglutinar e formas as galáxias – universos com muito menos energia escura simplesmente implodiriam. Os resultados do telescópio espacial Hubble Higher-Z Team indicam que a energia escura esteve presente durante pelo menos 9000 milhões de anos e durante o período precedente à aceleração cósmica.

Por outro lado, temos outra teoria que consiste em dividir o átomo em prótons, nêutrons e elétrons – os cientistas ainda puderam dividir os prótons e nêutrons em quarks – nessa teoria poderíamos dividir os quarks em minúsculos anéis, denominados cordas. Desta forma, a teoria das cordas serviu para complementar.

As cordas poderiam formar diferentes tipos de partículas dependendo da maneira como elas vibram. A matemática da teoria das cordas precisava de algo a mais, então o multiverso surge para explicar. Nós estamos acostumado com 3 dimensões no espaço – altura, largura e profundidade – porém a teoria das cordas necessitaria de mais dimensões. Com a ideia de mundos “extras” a teoria das cordas passaria a funcionar muito bem.

Contudo, a teoria do multiverso é uma reformulação ousada para explicar a origem de tudo e para estabelecer uma concordância com outras teorias, na prática não é possível comprovar se realmente isso é verdadeiro, somente o tempo irá dizer, mas sem dúvidas essa teoria no momento faz parte do grande quebra cabeça da origem de tudo e está muito longe de ser descartada.

Referências :

[1] Além do Cosmos: O Multiverso, Documentário National Geographic.

[2]”Teoria Cordas e Multiverso: As ideias mais perigosas da ciência”, disponível em:
https://www.misteriosdouniverso.net/2015/04/teoria-cordas-e-multiverso-as-ideias.html

[3] “5 anos de WMAP”, disponível em:
http://eternosaprendizes.com/2008/09/02/5-anos-do-wmap-revelaram-tres-grandes-segredos-do-universo-os-neutrinos-primordiais-o-fim-da-idade-das-trevas-e-a-inflacao-cosmica

[4] Imagem 1. Disponível em:
https://maringapost.com.br/ahduvido/teoria-dos-multiversos/

[5] “Wilkinson Microwave Anisotropy Probe”, disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Wilkinson_Microwave_Anisotropy_Probe