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Veículos elétricos: como carregar de forma rápida e eficiente?

Há alguns anos vem crescendo a importância dos carros elétricos nas frotas no mundo todo. As emissões de gases do efeito estufa são em grande parte causadas pelos inúmeros veículos nas grandes cidades, reduzindo a qualidade do ar e prejudicando o meio ambiente. Carros totalmente elétricos (EV = Electric Vehicle) são equipados com motores que funcionam através de baterias recarregáveis com energia elétrica, e não emitem gases poluentes, sendo melhores para o meio ambiente a longo prazo [1]. No entanto, um dos grandes problemas que limitam o uso destes carros atualmente é a escassez de estações para recarga dos veículos, fazendo com que seja muito difícil planejar viagens longas e até mesmo impossibilitando a sua utilização em serviços de táxi ou de entregas, por exemplo, que possuem alta circulação diária.

Normalmente veículos elétricos precisam ser conectados em estações de carregamento e demoram de 4 a 15 horas para carregar totalmente em carregadores de 7 kW (Tabela 1). Os carros com maior capacidade atualmente são capazes de rodar até 540 quilômetros com uma carga completa (Tesla Modelo S de longo alcance [2]), mas o Nissan LEAF, que atualmente possui a maior fração do mercado de veículos elétricos, tem alcance de 270 km com a bateria de 40 kWh (ou 370 com a bateria de 62 kWh, que é bem mais cara) [3]. Imagine planejar uma viagem de 500 quilômetros e ter que parar e esperar 4 horas parado enquanto o carro carrega para poder continuar a viagem.

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Tabela 1. Tempo para carga de veículos elétricos com carregadores de diferentes potências. Fonte: Pod Point [4]

Alguns países na Europa estão investindo bastante em veículos elétricos. Graças a subsídios e investimentos do governo, a Noruega é o país com maior número de veículos elétricos per capita no mundo [5]. Em outubro de 2018, os veículos elétricos chegaram a 10% de todos os veículos de passageiro no país [6], e, de todos os veículos elétricos no mundo, 39,2% estão na Noruega [7]. Uma das principais metas do governo atual da cidade é garantir que até o ano de 2023, 100% da frota de táxis seja composta por veículos elétricos [8]. Mas como solucionar o problema da carga?

A carga dos veículos elétricos normalmente é realizada através de carregadores do tipo plug-in, que parecem com tanques de abastecimento em postos de gasolina e precisam ser conectados ao carro, como o da Figura 1. Para uso doméstico, normalmente não é problema carregar o carro em casa, ainda que os carregadores sejam de baixa potência (3 kW normalmente) e levem até 11 horas para uma carga completa, como é o caso do Nissan Leaf [9]. Mas em um país com objetivos a tão curto prazo para substituição da frota de táxis, uma solução melhor deve ser proporcionada para evitar que os taxistas tenham que parar seus veículos durante o dia de trabalho para carregar.

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Figura 1. Veículo elétrico modelo Nissan LEAF durante carga. Fonte: EV Info [10]

Do mesmo jeito que pode ser mais conveniente carregar seu celular sem fios (como em determinados modelos do Samsung Galaxy e dos iPhones) [11,12], também pode ser bem mais conveniente carregar carros elétricos sem a necessidade de cabos. A empresa Plugless, dos Estados Unidos, vem desenvolvendo adaptadores para determinados modelos de veículos elétricos que possibilitam a carga sem a necessidade de cabos conectados ao carro, como mostrado na Figura 2 [13].

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Figura 2. Esquema de carga sem fio da empresa Plugless [13]

A carga sem fio de veículos elétricos é feita por um processo de indução através de molas magnéticas alinhadas entre o adaptador no veículo (Vehicle Adapter) e a base (Parking Pad).  O carregador sem fio da Plugless carrega os carros com uma potência contínua de 7,2kW, e o site da empresa diz que para cada hora de carga, o carro pode andar de 20 a 25 milhas, ou seja, leva entre 13 horas e meia e 16 horas e 45 minutos para uma carga completa de um Modelo S da Tesla (que possui alcance de 540 km). Essa é uma ótima solução para evitar os cabos e a infra estrutura e manutenção relacionada com o desgaste destes cabos. Mas ainda não é a solução ideal para a Noruega.

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Figura 3. Ponto de táxi na estação central em Oslo (Noruega), onde serão instaladas estações de carga rápida sem fio que carregarão os táxis automaticamente. Fonte: Fortum [8]

Nesta semana foi divulgado que a cidade de Oslo (capital da Noruega), em parceria com a empresa de energia limpa Fortum e com a empresa americana Momentum Dynamics, está investindo em um projeto de carga rápida para táxis elétricos [8]. Este projeto pretende instalar estações de carga rápida sem fio (com potência de 75 kW) no chão em pontos de táxi onde eles normalmente ficariam parados esperando por passageiros. Com isso, além dos taxistas não perderem tempo dos seus dias de trabalho para carregar os veículos, a carga é automática, então eles não correm o risco de esquecer de carregar o veículo e ficar sem bateria mais tarde. Esta solução pode ser boa não só para a Noruega, mas também para frotas de táxi em todo o mundo, que contribuem muito para o efeito estufa.

Realizar a substituição de táxis de todas as frotas do mundo por veículos elétricos obviamente não é viável. Porém, é interessante que exista um incentivo para que novos veículos utilizados no setor de transporte sejam elétricos (ou pelo menos híbridos [14]), contribuindo a longo prazo  para a diminuição da emissão de gases do efeito estufa.

Referências:

[1] Office of Energy Efficiency & Renewable Energy (acessado em 29/03/2019) https://www.energy.gov/eere/electricvehicles/reducing-pollution-electric-vehicles

[2] Tesla Motors (acessado em 29/03/2019) https://www.tesla.com/models

[3] Nissan (acessado em 29/03/2019) https://www.nissanusa.com/vehicles/electric-cars/leaf.html

[4] Pod Point (acessado em 28/03/2019) https://pod-point.com/guides/driver/how-long-to-charge-an-electric-car

[5] European Association for Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicles (AVERE) (2012-09-03). “Norwegian Parliament extends electric car iniatives [sic] until 2018″. AVERE. Archived from the original on 2013-10-24. Retrieved 2013-04-10

[6] Kane, Mark (2018-10-07). “10% Of Norway’s Passenger Vehicles Are Plug Ins”. InsideEVs.com. Retrieved 2018-11-07.

[7] Norwegian Road Federation (OFV) (2019-01-02). “Bilsalget i 2018” [Car sales in 2018] (in Norwegian). OFV. Retrieved 2019-01-03.

[8] Fortum (acessado em 25/03/2019) https://www.fortum.com/media/2019/03/fortum-and-city-oslo-are-working-worlds-first-wireless-fast-charging-infrastructure-taxis

[9] https://www.drivingelectric.com/your-questions-answered/98/how-long-does-it-take-charge-electric-car

[10] EV Info (acessado em 03/04/2019) https://evinfo.info/economist-article-on-ev-usage/

[11] Samsung (acessado em 29/03/2019) https://www.samsung.com/global/galaxy/what-is/wireless-charging/

[12] Apple (acessado em 29/03/2019) https://www.apple.com/iphone/

[13] Plugless Power (acessado em 28/03/2019) https://www.pluglesspower.com/learn/mainstream-electric-cars-are-headed-towards-wireless-charging/

[14] Autopapo (acessado em 29/03/2019) https://autopapo.com.br/noticia/entenda-os-tres-tipos-de-carros-hibridos/

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Eu vou de Taxi… Aéreo (?!)

Nos últimos tempos ouvimos falar sobre carros autônomos com mais e mais frequência. Inclusive, temos uma publicação aqui no blog sobre eles. A principal proposta dos veículos autônomos é oferecer conforto e segurança aos passageiros, que podem aproveitar para trabalhar, descansar e relaxar enquanto atravessam cidades e seus engarrafamentos. Essa tecnologia, porém, não tem previsão de diminuir a quantidade de carros nas ruas ou o tempo de viagem. Para isso é necessário ir um passo além. E assim surgiram os “air taxis” (ou taxis aéreos), prometendo não só conforto para os passageiros, mas também a possibilidade de viajar maiores distâncias em um menor tempo.

O termo “taxi aéreo” já é utilizado há anos para descrever pequenas aeronaves que transportam poucos passageiros a destinos próximos (normalmente por valores altos, inacessíveis à maior parte da população). Neste texto vamos falar sobre os novos taxis aéreos, que são conceitos de aeronaves individuais, ou com capacidade para até cerca de 6 passageiros, e possam trafegar acima dos engarrafamentos das grandes cidades, mais ou menos como helicópteros. A proposta das empresas do ramo é simples: direto do seu celular você terá acesso a aplicativos como o do Uber, mas ao invés de solicitar um carro, você solicitará um taxi aéreo do ponto de partida mais próximo da sua localização. Estas empresas prometem preços acessíveis e comparáveis ao preço atual do Uber, e dizem que isto está bem próximo de ser realidade, com algumas planejando sistemas completamente operacionais até o ano de 2025 [1].

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Conceito de taxi aéreo apresentado pela empresa alemã Volocopter. Fonte

Alguns dos conceitos de aeronaves desenvolvidos recentemente até lembram helicópteros, mas a maioria parece mais com drones gigantes. O princípio de funcionamento destas aeronaves também se assemelha mais ao de drones, sendo quase ou totalmente elétrico. Também conhecidas como “eVTOL” (electric Vertical Take Off and Landing, decolagem e pouso vertical elétrico), estas aeronaves normalmente dependem de baterias para funcionar, e de tecnologias que viabilizem a decolagem e o pouso de maneira vertical, fazendo com que elas possam ser operadas de heliportos existentes ou de novos pontos a serem construídos, mas sem ocupar grandes áreas, não sendo necessários grandes investimentos em infraestrutura para futura operação. O plano atual da maioria destas empresas é começar com aeronaves com pilotos, mas para o futuro é previsto que elas sejam autônomas, não sendo necessário um piloto, e aumentando a capacidade de transporte em 1 pessoa.

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Taxi aéreo da empresa alemã Lilium durante o seu primeiro vôo. Assista ao vídeo aquiFonte

Assim como em veículos elétricos, um dos grandes desafios no desenvolvimento desta tecnologia é a capacidade das baterias que existem atualmente, que limitam bastante a distância que estas aeronaves podem percorrer com uma carga. Alguns dos conceitos que já foram desenvolvidos até o momento possuem autonomia de apenas cerca de 80 km [2], enquantos outros já prometem serem capazes de percorrer até 300 km por carga [1]. Cientistas da NASA recentemente realizaram um estudo comparando diversos conceitos de aeronaves para taxi aéreo, chegando a 3 conceitos iniciais: um de uso individual com propulsão elétrica, um para 6 passageiros com propulsão híbrida, e um para até 30 passageiros com propulsão turbo-elétrica. [3]

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Conceito de área de decolagem e pouso feito pela empresa alemã Lilium. Fonte

 

Apesar da maioria das empresas desenvolvendo estas tecnologias atualmente ter surgido nos últimos 5 anos, é bem possível que esse já seja um meio de transporte disponível nos próximos 5 a 10 anos. Entre as vantagens de utilizar este meio de transporte, além da facilidade e agilidade em viagens de curtas distâncias, existe a possibilidade de diminuir engarrafamentos em grandes cidades, e diminuir a emissão de gases poluentes, já que estes funcionam com energia elétrica. Você gostaria de poder se transportar em um taxi aéreo desses? Conte pra gente nos comentários!

Referências

[1] https://lilium.com/mission/

[2] https://www.dezeen.com/2018/02/02/airbus-self-piloted-vahana-air-taxi-takes-completes-first-test-flight/

[3] Johnson W, Silva C, Solis E, “Concept Vehicles for VTOL Air Taxi Operations,” presented at the AHS Technical Conference on Aeromechanics Design for Transformative Vertical Flight, San Francisco, CA, January 16-19, 2018. Disponível em: https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Publications/files/Johnson_2018_TechMx.pdf

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Veículos autonômos: quão perto estamos de ver carros dirigindo completamente sozinhos nas ruas?

Imagine que você está fazendo uma viagem longa de carro ou está preso no trânsito das cidades grandes, como em São Paulo, por exemplo, onde os motoristas passam o equivalente a 1 mês e meio no trânsito por ano1 E pensa “não seria ótimo se eu pudesse só falar para o meu carro onde eu quero ir e ele me levasse até lá sem nenhum esforço meu?”. Depois de milhares e milhares de pessoas passarem por essa situação e, claro, com a ajuda de avanços tecnológicos, cientistas começaram a desenvolver veículos autônomos, ou seja, que não necessitam de alguém na posição de motorista. O funcionamento dos veículos autônomos é explicado no vídeo a seguir:

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Como funcionam veículos autônomos. Fonte: Neowin.

O rápido desenvolvimento das tecnologias necessárias para viabilizar esses veículos tem trazido eles para uma realidade mais alcançável. Veículos autônomos são equipados com milhares de sensores, principalmente de três tipos: sensores de distância LIDAR (Light Detection And Ranging), câmeras coloridas e radares.2 Computadores de bordo leem os valores medidos por estes sensores constantemente, e utilizam estas informações para interpretar o que está à frente do carro, seja uma estrada, um outro carro, um pedestre, um cachorro, ou simplesmente um cruzamento. Para que seja possível identificar estes diferentes objetos, é necessário que estes sistemas tenham acesso a uma enorme base de dados para maximizar sua eficiência e precisão, e ao mesmo tempo sejam rápidos em seu tempo de resposta. Estima-se que seja necessário acumular dados de mais de 10 bilhões de milhas rodadas pelos veículos para que seja estatisticamente possível garantir a segurança. Existem atualmente mais de 50 empresas testando seus veículos, e a mais avançada é a Waymo, do grupo da Google, com um total de 8 milhões de milhas (quase 13 milhões de quilômetros) rodadas. Especialistas dizem que a substituição da frota de carros por carros autônomos pode solucionar problemas como trânsito e engarrafamentos em grandes cidades, diminuir (e até eliminar) acidentes, já que 90% deles ocorrem por erro humano, como embriaguez ou distração na direção. Alguns dizem até que os semáforos podem se tornar obsoletos, já que a comunicação entre os carros nas ruas pode fazer com que eles não sejam mais necessários.

Tudo parece muito bom, mas os veículos autônomos enfrentam vários desafios. Alguns deles são os mesmos que os veículos elétricos, como acesso limitado a estações de recarga, baixa capacidade de armazenamento de energia das baterias utilizadas e, consequentemente, baixa autonomia. Mas há centenas de grupos de pesquisa trabalhando para solucionar estes problemas. Além disso, os maiores desafios enfrentados pelos veículos autônomos são as questões éticas e comportamentais envolvidas em tirar completamente uma pessoa do controle do carro, e substituí-la por um computador. Este problema se agravou mais ainda após o acidente com o veículo da Uber em Tempe, Arizona, no qual uma mulher morreu após ser atropelada por um veículo em teste.3 Além deste, outros acidentes foram registrados recentemente4,5, questionando a viabilidade desta tecnologia nos próximos anos. Uma pesquisa de agosto de 2018 da empresa Axios concluiu que a principal causa dos acidente envolvendo veículos autônomos são as pessoas6, seja as que estão controlando ou monitorando os veículos durante os testes, ou as que estão nas ruas interagindo com eles. E ainda casos foram registrados de pessoas que “atacaram” veículos autônomos em teste, batendo neles ou tentando subir em cima deles.

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Conceitos de veículos autônomos promovem conforto e a possibilidade de realizar tarefas durante o trajeto com segurança. Fonte: AlealL / Getty Images.

Cientistas da Universidade de Stanford (Califórnia) defendem que é possível alcançar níveis de segurança no trânsito muito acima dos atuais simplesmente ao substituir pessoas por computadores na direção de veículos.7 Porém, existem ainda outros problemas envolvidos na introdução desta tecnologia no nosso dia-a-dia, como a substituição de seres humanos em táxis e transportes de carga, fazendo com que milhares de pessoas percam seus empregos. Além disso, existe um grande debate em torno do que é necessário simular para que um veículo autônomo seja capaz de operar de maneira responsável. Muito do que está envolvido na operação de veículos se baseia na capacidade do ser humano de tomar decisões. Uma das grandes questões éticas e filosóficas que se aplicam a estes veículos é o dilema do bonde, que consiste em um cenário hipotético onde o operador de um bonde tem a opção de seguir em um de dois trilhos. No trilho em que ele se encontra existem 5 pessoas amarradas, mas se ele tomar a decisão de ir pelo outro trilho, ele irá atropelar 1 pessoa. A questão é: como programar um veículo para tomar uma decisão deste tipo? Como ensinar uma máquina a tomar decisões que possam colocar em risco o seu passageiro ou um pedestre na rua? Como fazer a escolha?

Muitas destas perguntas provavelmente nunca terão uma resposta 100% correta. Mas com os desenvolvimentos e as pesquisas realizadas em todo o mundo atualmente, e com uma grande integração entre os grupos de pesquisa que atacam as questões de engenharia e as questões éticas envolvidas em veículos autônomos, é muito provável que na próxima década cresça significativamente a quantidade de carros “sem motoristas” nas ruas. O que nos resta é acreditar nos cientistas, confiar na tecnologia, e tentar se acostumar com a imagem de um carro dirigindo sozinho. Por enquanto, veja este vídeo de um carro aparentemente autônomo e da reação das pessoas nas ruas:

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Referências:

1 Paulistano passa 45 dias por ano preso no trânsito, segundo pesquisa, O Globo

2 Self-driving cars face a long road to becoming transportation’s future, Venture Beat

3 Uber’s self-driving cars are back on public roads, but under human control, The Verge

4 TESLA’S AUTOPILOT WAS INVOLVED IN ANOTHER DEADLY CAR CRASH, Wired.com

5 One of Apple’s secretive self-driving cars got in a crash for the first time — but it doesn’t seem to be Apple’s fault, Business Insider

6 People cause most California autonomous vehicle accidents, Axios

7 Stanford scholars, researchers discuss key ethical questions self-driving cars present, Stanford News

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Afinal, pra que serve essa tal de impressão 3D?

“Impressão 3D” parece uma coisa extremamente futurística, como que saída de um filme de ficção científica. A ideia de ter uma máquina na sua casa ou no seu escritório que seja capaz de criar objetos ao invés de apenas letras e desenhos em um papel parece de outro mundo. Porém, essa tecnologia existe há mais tempo do que você imagina e ela tem inúmeras aplicações, em diversas áreas. No texto de hoje, vamos contar um pouco sobre a história da impressão 3D e como ela vem revolucionando diversas áreas, desde saúde até herança cultural.

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Exemplo de objeto impresso em 3D em impressora da marca MakerBot. Créditos: Affinity VR

O conceito de impressão 3D foi desenvolvido no início da década de 80 por Hideo Kodama, no Nagoya Municipal Industrial Research Institute, em Nagoya, Japão [1]. Ele inventou métodos para fabricar modelos 3D utilizando polímeros capazes de endurecer com luzes ultravioleta. A tecnologia de impressão 3D como é realizada hoje foi desenvolvida por S. Scott Crump em 1988. Este processo é denominado FDM (fusion deposition modeling), um tipo de extrusão de plástico, e consiste em depositar o material fundido camada por camada para formar o objeto. Diversos outros métodos foram desenvolvidos durante a década de 90, e com o aumento do interesse de indústrias nos processos de impressão 3D, mais materiais começaram a ser utilizados.

Para impressão de um objeto em 3D, é primeiro necessário criar um modelo em três dimensões do objeto em um software de modelagem 3D ou digitalizar um objeto já existente. O software utilizado para a impressão então importa o modelo e divide a impressão em camadas sucessivas do material a ser utilizado. A maioria das impressoras comerciais hoje possui um bico injetor que aquece o material a ser depositado e é direcionado por uma série de motores para criar as camadas do objeto. Essas camadas podem ser unidas automaticamente, ou através de uma etapa adicional no processo, dependendo do tipo e do material da impressão. Os materiais mais utilizados hoje em dia são plásticos, seguidos de resinas e metais [2]. A versatilidade e facilidade desse método faz com que diversas indústrias estejam se interessando cada vez mais nessa tecnologia. Pesquisas indicam que as empresas utilizam impressão 3D para desenvolver protótipos de produtos, acelerar processos de produção e promover inovação em design. [1]

 

Nesse vídeo é possível observar algumas das aplicações de impressão 3D usadas atualmente. Créditos: YouTube

Além dos exemplos mostrados no vídeo, grandes avanços na medicina têm sido promovidos pelo desenvolvimento desta tecnologia. Pesquisadores vêm estudando há anos como desenvolver técnicas para imprimir tecidos e órgãos humanos, como a pele, por exemplo, que pode beneficiar vítimas de queimaduras. Também é possível imprimir próteses, que podem ser moldadas de acordo com as necessidades e características de cada paciente. [3] Este é um exemplo de como a combinação da engenharia e da medicina podem funcionar a favor do desenvolvimento da humanidade, e avançar o tratamento de inúmeras doenças.

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Aplicações de impressão 3D na área da medicina. Créditos: The Future of Things

A impressão 3D pode ainda ser utilizada para imprimir tipos simples de comida [4], e em pesquisas sobre história da humanidade e herança cultural [5]. Conforme essa tecnologia se desenvolve mais e mais, o seu custo para o consumidor diminui. Hoje em dia já é possível ter a sua própria impressora 3D em casa. E se você não sabe por onde começar, sugerimos esse vídeo que ensina os conceitos fundamentais dessa tecnologia: 

 

Referências:

[1] The History of 3D Printing: 3D Printing Technologies from the 80s to Today por Hannah Bensoussan. 

[2]

[3] Top 5 Ways the 3D Printing is Changing the Medical Field por Nancy S. Giges.

[4] From pixels to plate: food has become 3D printing’s delicious new frontier por Kyle Wiggers.

[5] Balletti C, Ballarin M, Guerra F (2017) 3D printing: State of the art and future perspectives. Journal of Cultural Heritage, 26:172-182. doi:10.1016/j.culher.2017.02.010

 

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Turbulência: é pra ter medo ou não afinal?

Turbulência é um termo conhecido para todas as pessoas que já viajaram de avião. A sensação de estar suspenso no ar sendo chacoalhado que nem um coquetel não é das melhores do mundo. Filmes como Turbulência (1997) [1] não ajudam a diminuir o medo que as pessoas sentem ao voar de avião, apesar destes serem considerados o meio de transporte mais seguro do mundo [2]. Mas você já parou pra pensar no que causa a turbulência? E se ela é realmente tão assustadora quanto parece?

When I meet God, I am going to ask him two questions: Why relativity? And why turbulence? I really believe he will have an answer to the first.” (Werner Heisenberg)

“Quando eu encontrar com Deus, eu vou fazer duas perguntas para ele: Por que relatividade? E por que turbulência? Eu realmente acredito que ele vai ter uma resposta para a primeira.” (Werner Heisenberg, em tradução livre)

Esta citação, atribuída ao físico alemão que derivou o princípio da incerteza Werner Heisenberg, ilustra a frustração dos cientistas ao lidar com o conceito de turbulência [3]. Apesar dele ter vivido entre os anos de 1901 e 1976, e desenvolvido seus trabalhos nas décadas de 20 e 30, a turbulência era e continua sendo um dos maiores mistérios da ciência. Vale ressaltar que a turbulência é importante para qualquer tipo de fluido, não apenas para aviões e transportes aéreos. Ela é tão relevante para a circulação sanguínea, transportando nutrientes e oxigênio pelo nosso corpo, quanto para o oceano, onde vivem milhões de criaturas de diferentes tamanhos e formas, que contribuem para o aspecto turbulento das águas marítimas a todo momento.

A estrutura mais importante presente em fluidos turbulentos é conhecida como vórtex. Vórtices são semelhantes a redemoinhos, e são fundamentais em fluidos em regime turbulento pois podem conter grandes quantidades de energia. Um dos grandes mistérios do estudo de fluidos turbulentos é como a energia desses vórtices é dissipada. Observe os padrões geométricos presentes nas seguintes fotografias:

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Campos de gelo no oceano fotografados de um avião. Crédito da foto: Daniel Schwen  [4]

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Vórtex gerado na ponta da asa de um avião. Créditos: NASA Langley Research Center.  Link. [5]

Nas imagens acima podemos ver vórtices em duas situações diferentes: em padrões formados pelo gelo no oceanoe um vórtex gerado na ponta da asa de um avião. Acredita-se que o transporte de energia em vórtices funcione como uma “cascata”: os vórtices maiores quebram em vórtices menores e menores, até chegar a níveis bem pequenos (chamados de escala de Kolmogorov), nos quais  a viscosidade começa a ser relevante para o fluido, e a energia pode finalmente ser transformada e dissipada em forma de calor.

O quadro de Vincent Van Gogh “A Noite Estrelada” [6] é um exemplo da existência da turbulência na arte. Em 2004, cientistas observaram padrões de redemoinhos em nuvens de poeira e gás em torno de uma estrela através do telescópio Hubble que lembravam os padrões desenhados por Van Gogh. Estudos mais aprofundados da luminância nas pinturas de Van Gogh demonstraram padrões de turbulência descritos pelas teorias desenvolvidas na década de 1940 pelo matemático e físico russo Andrei Kolmogorov em várias obras do artista [7].

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Quadro “A Noite Estrelada”, de Vincent Van Gogh

As equações que descrevem o movimento de fluidos, incluindo os fluidos turbulentos, foram derivadas no século 19, e são conhecidas como Equações de Navier-Stokes [8]. Devido a sua complexidade, uma série de suposições devem ser feitas para simplificá-las e torná-las utilizáveis por cientistas e engenheiros de fluidos. O problema é que essas suposições simplificam e idealizam a estrutura do fluido a ser modelado, então o produto final não representa exatamente um fluido real.

Um grupo de pesquisa em Engenharia Aeronáutica da Universidade Politécnica de Madrid publicou em agosto deste ano na revista Science [9] resultados de simulações que indicam que seja possível descrever completamente o comportamento de um fluido turbulento em modelos computacionais. Estas simulações são capazes de modelar a transferência de energia do fluido em um minuto desde um vórtex de um metro de diâmetro até pequenos vórtices de 12 centímetros de diâmetro, ilustrando a cascata de energia. Estes resultados comprovam a validade da teoria formulada por Kolmogorov e abrem novas possibilidades no estudo da física de fluidos turbulentos. Espera-se que grandes avanços sejam possíveis no estudo destes fluidos a partir desta pesquisa.

Em resumo, sim, a turbulência é assustadora. Não pelo que nós estamos acostumados (alerta de spoiler: um avião não cai por causa de uma turbulência), mas sim por ser um fenômeno extremamente complexo e ainda não completamente compreendido. Mas na próxima vez que você estiver voando de avião, pode ficar tranquilo e falar para a pessoa sentada do seu lado não ter medo também: a turbulência é nossa amiga.

 

Referências:

[1] http://www.imdb.com/title/tt0120390/

[2] http://www.aerodinamica.com.br/PORTUGUES/seguro.html

[3] https://www.inspiringquotes.us/author/3797-werner-heisenberg

[4] https://icyseas.org/tag/turbulence/

[5] http://howthingsfly.si.edu/media/wing-tip-vortex

[6] https://pt.wikipedia.org/wiki/A_Noite_Estrelada

[7] https://www.brainpickings.org/2014/11/13/van-gogh-starry-night-fluid-dynamics-animation/

[8] Stokes. G. G. (1845): trans. Camb. Phil. Soc., vol 8, pp287-305

[9] Cardesa, J. I., Vela-Martín, A., and Jiménez, J. (2017): “The turbulent cascade in five dimensions,” Science, vol. 357 , p. 782 LP-784. (http://www.nature.com/news/mysteries-of-turbulence-unravelled-1.22474?WT.mc_id=FBK_NatureNews&sf109168008=1)

 

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Igualdade de gênero na ciência brasileira

Texto escrito em colaboração com @pedroivo000

Recentemente foi publicada uma reportagem na Forbes com o título “Surprising New Study: Brazil Now A Global Leader In Gender Equality In Science” [1] (“Surpreendente novo estudo: Brasil é um líder mundial em igualdade de gêneros em Ciência”, tradução livre), que afirma que o Brasil é um líder em igualdade de gêneros na produção científica do país, já que 49% das publicações científicas brasileiras entre 2011 e 2015 são de autoras femininas. A reportagem se baseia em um relatório intitulado “Gender in the Global Research Landscape” (“Gênero no Cenário Científico Mundial”, tradução livre) [2] publicado pela editora Elsevier, uma das maiores provedoras de publicações científicas do mundo. O relatório é uma extensa análise do estado da igualdade de gêneros na pesquisa científica mundial nas últimas décadas, baseado no banco de dados Scopus, que possui mais de 55 milhões de publicações com respectivas informações sobre os autores de cada publicação. Apesar de um dos resultados principais da pesquisa já ter sido apresentado na reportagem da Forbes, gostaríamos de discutir o relatório da Elsevier mais a fundo, já que levar em consideração apenas a proporção total de publicações científicas do gênero feminino para concluir que realmente existe igualdade de gêneros na pesquisa brasileira pode acabar escondendo desigualdades históricas em algumas áreas de pesquisa.

O Brasil está atualmente na décima quarta posição em número de publicações científicas de acordo com a SCImago Journal & Country Rank [3]. Para se ter uma ideia melhor da contribuição científica brasileira, é interessante olhar as áreas nas quais o Brasil possui maior produção. De acordo com o banco de dados Scopus, as áreas de Saúde e Ciências Biológicas são as áreas que possuem mais publicações no Brasil (Figura 1). Além disso, essas áreas são as que a pesquisa brasileira possui mais impacto, se levarmos em consideração o Index-H, uma medida do impacto de um determinado artigo científico ou pesquisador. O Index-H é calculado a partir do número de citações de um artigo, ou seja, quanto mais citações, maior o valor do Index-H e, por consequência, maior o impacto da pesquisa. Como podemos ver na Figura 2, publicações brasileiras em Medicina e Ciências Biológicas possuem maior impacto do que publicações em Engenharia e outras áreas (o h-index no gráfico é representado pelo diâmetro dos círculos). Em média, os artigos científicos do Brasil são citados 8.96 vezes por artigo, o que corresponde a mais da metade (53.75%) da produção científica da América Latina mas somente 2.37% da produção científica mundial.

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Figura 1. Total de publicações científicas em algumas áreas no Brasil em 2000 e 2015. Medicina e Ciências Biológicas são as áreas que o Brasil mais publicou em 2015, e o número de publicações teve um aumento de mais de 300% e 500% respectivamente, entre 2000 e 2015. Dados do Scopus.

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Figura 2. Visão detalhada das publicações em subáreas da Medicina, Ciências Biológics e ds Agricultura, Engenharia e Física. o diâmetro dos círculos represdnta o Index-H, uma medida de impacto de publicações científicas. No eixo vertical temos o número de citações por artigo. É possível ver que publicações em Medicina possuem um alto percentual de citações, mesmo que a produção científica em algumas subáreas, como a Oncologia, não seja muito alta. Dados do Scopus.

Quantificando a contribuição de cada gênero no total de publicações científicas no Brasil, o relatório da Elsevier constatou que, assim como já foi discutido na reportagem da Forbes, 49% das publicações brasileiras são de pesquisadoras femininas, como podemos ver na Figura 3. Quando comparamos a distribuição de gêneros entres as diferentes áreas de pesquisa no Scopus, vemos que a maioria  dos pesquisadores do gênero feminino estão presentes em Medicina e Ciências Biológicas, enquanto Engenharia e Ciências da Terra e Exatas são campos predominantemente masculinos (Figura 4).

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Figura 3. Proporção total de mulheres e homens entre os autores de artigos científicos presentes no Scopus. O Brasil está na frente dos Estados Unidos e da União Europeia no número de pesquisadoras que publicaram entre 2011 e 2015, o que corresponde a um aumento de 11% no número de autoras brasileiras entre 1996 e 2000.

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Figura 4. Proporção de cada gênero em publicações em diferentes áreas do conhecimento presentes no Scopus. Medicina e Ciências Biológicas são áreas predominantemente representadas por autoras do gênero feminino, enquanto Engenharia e Ciências da Terra e Exatas são áreas predominantemente representadas por autores do gênero masculino.

Historicamente, Ciências Exatas, da Terra e Engenharia são áreas dominadas pelo gênero masculino. Segundo os dados dos pesquisadores registrados na plataforma Lattes, um registro online de pesquisadores e grupos de pesquisa brasileiros mantido pelo CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) [5,6], cerca de 70% dos doutores em Engenharia e 60% dos doutores em Ciências Exatas e da Terra são homens, independente da faixa etária (Figura 5). Por outro lado, mais da metade dos doutores entre 25-65 anos em Ciências Biológicas e Saúde são do gênero feminino. Além disso, 49% das recém-formados doutoras em 2016 (doutoras com idade entre 25-29 anos) são de Ciências Biológicas ou de Saúde, enquanto 44% dos doutores homens recém-formados são de Engenharia ou Ciências Exatas e da Terra.

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Figura 5. Proporção de doutores em diferentes áreas do conhecimento por gênero e faixa etária, de acordo com dados dos currículos presentes atualmente na Plataforma Lattes.

Estereótipos sociais sobre o papel das mulheres e dos homens na sociedade e quais as áreas que homens ou mulheres têm mais chances de sucesso devido a “características e qualidades inerentes” a um determinado gênero tem um papel fundamental na criação e perpetuação da disparidade de gênero na pesquisa brasileira. As chances de uma menina se tornar uma Engenheira ou uma Física no futuro são menores se ela crescer ouvindo comentários negativos sobre a habilidade matemática das mulheres, quando comparadas às chances de uma outra criança, que cresceu em um ambiente sem a presença desses estereótipos negativos [7]. A educação tem um papel crucial na diminuição da desigualdade de gêneros no Brasil nas áreas de Engenharia e Ciências Exatas. A presença de mulheres em profissões de tecnologia na mídia e em filmes também é um fator que pode influenciar na formação de futuras cientistas, como explicado em uma pesquisa do Google [8]. Precisamos lutar para que a sociedade veja que não existe nenhuma razão biológica para uma melhor performance ou preferência de um gênero em uma determinada área de pesquisa, mas sim razões culturais e sociais para este problema.

Mesmo que ainda se observe uma disparidade de gêneros em algumas áreas, há notícias boas: o número de pesquisadoras mulheres ativas em campos majoritariamente masculinos vem aumentando no decorrer dos últimos anos. Segundo o relatório da Elsevier, um aumento de 22% no número de publicações de autoras femininas em Engenharia ocorreu entre 2011 e 2015. São inúmeros fatores que podem ter contribuído para isso, mas a mudança no pensamento e no comportamento da sociedade em relação às habilidades das mulheres em diferentes profissões é essencial para o futuro da ciência.

Referências

  1. https://www.forbes.com/sites/shannonsims/2017/03/08/surprising-new-study-brazil-now-a-global-leader-in-gender-equality-in-science/#5e92b1626f44
  2. https://www.elsevier.com/__data/assets/pdf_file/0008/265661/ElsevierGenderReport_final_for-web.pdf
  3. http://www.scimagojr.com/countryrank.php
  4. https://www.timeshighereducation.com/world-university-rankings/2016/world-ranking#!/page/0/length/25/locations/BR/sort_by/scores_overall/sort_order/asc/cols/stats
  5. http://plataformalattes.com.br/
  6. http://estatico.cnpq.br/painelLattes/sexofaixaetaria/
  7. American Association of University Women. Why So Few? Women in Science, Technology, Engineering and Mathematics. 2010 (https://www.aauw.org/files/2013/02/Why-So-Few-Women-in-Science-Technology-Engineering-and-Mathematics.pdf)
  8. https://www.google.com/intl/en/about/main/gender-equality-films/
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Cientistas da NASA utilizam tinta especial para design de foguetes

Não é de hoje que o ser humano sonha em conquistar o espaço. Quase 50 anos depois de pisar na Lua1, os objetivos de ir cada vez mais longe e desbravar mais do desconhecido só aumentam (e parece que as perspectivas são boas, a NASA relatou ter observado sete planetas habitáveis recentemente2). Claro que conquistas como essas apenas são possíveis com o desenvolvimento de tecnologia para analisar as condições do espaço e também para desenvolver foguetes cada vez mais avançados, garantindo segurança e economia nas missões espaciais.

Uma das principais partes do projeto de foguetes e de tecnologias espaciais é a fase de testes em túneis de vento. A NASA atualmente possui mais de vinte túneis de vento3, com capacidade para realização de testes e experimentos em diversas escalas. Fotos do maior túnel de vento do mundo (abaixo), localizado na NASA Ames,  Califórnia, EUA, dão uma ideia de quão grandes podem ser esses equipamentos.

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Maior túnel de vento do mundo, localizado na NASA Ames, na Califórnia.

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Avião FA-18 no túnel de vento da NASA Ames. Fonte das imagens: https://www.nasa.gov/centers/ames/multimedia/images/2005/nfac.html

Existem diferentes técnicas e experimentos que podem ser realizados em túneis de vento. Estes túneis podem ser equipados com diversos tipos de instrumentação que são utilizadas para coletar dados relevantes ao experimento a ser realizado. Em alguns túneis, as forças do vento agindo no modelo sendo testado podem ser medidas diretamente através do eixo onde o modelo está localizado4. É comum obter medidas de pressão através de sensores de pressão localizados no modelo a ser testado e utilizar os resultados obtidos para calcular coeficientes de performance e eficiência do modelo. Ainda existem casos onde propriedades como velocidade e temperatura do ar deslocado pelo modelo são medidos por sensores de pressão, sensores de velocidade ou medidores a laser.4

Para algumas aplicações, é necessário obter medidas mais próximas à superfície do modelo a ser testado. Isso muitas vezes é difícil, dependendo do formato do modelo e das condições de instrumentação do túnel onde o modelo se encontra. Para tentar melhorar o acesso a informações sobre o fluxo do ar sobre um modelo em túnel de vento, cientistas inventaram uma técnica de medida chamada pressure sensitive paint, PSP (tinta sensível a pressão, em tradução livre).

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Nettie Roozeboom, engenheira da NASA, verificando um modelo de veículo de lançamento especial coberto com PSP que brilha quando exposta a luz azul. Na foto, o modelo está instalado para teste em um túnel de vento na NASA Ames, Califórnia. Fonte da imagem: https://www.nasa.gov/aero/power-of-pink-provides-nasa-with-pressure-pictures

PSP funciona de maneira simples. Uma camada fina da tinta sensível a pressão é aplicada sobre o modelo a ser estudado no túnel de vento. Depois de seco, o modelo é instalado no túnel de vento, equipado com luzes LED da cor azul e com câmeras especiais para gravar o experimento. Quando o túnel é ligado, uma corrente de vento é produzida e ar flui sobre o modelo testado, causando regiões de diferentes pressões sobre o modelo. A luz LED excita moléculas conhecidas como luminophores, fazendo com que a tinta sobre o modelo brilhe. Ao mesmo tempo, devido à composição química da tinta, moléculas de oxigênio saturam os luminophores. Regiões de alta pressão possuem mais oxigênio, então a tinta brilha com menos intensidade do que em regiões de baixa pressão, com pouco oxigênio. As diferenças entre quanto a tinta fluoresce relacionada à pressão aplicada no modelo são registradas pelas câmeras. As imagens em preto e branco resultantes deste teste são analisadas em escala de cinza. Os diferentes tons de cinza são então convertidos para uma escala colorida indicativa dos diferentes níveis de pressão observados na superfície do modelo.5

Com o passar do tempo a técnica foi se aprimorando e, hoje em dia, uma tinta sensível a pressão foi responsável pela viabilização de testes de aerodinâmica na NASA Ames. Essa técnica é chamada unsteady PSP (PSP instável, tradução livre). Ela é utilizada para medir flutuações nos valores da pressão e forças agindo sobre uma aeronave ou espaçonave. A seguir, um vídeo para ilustrar o uso desta tecnologia em uma simulação de um modelo de foguete.

Este video mostra a visualização de medidas de pressão instável afetando um modelo de espaçonave, durante a simulação do lançamento em um teste de túnel de vento. Tanto aeronaves quanto espaçonaves devem ser projetadas para aguentar forças dinâmicas, ou arriscar serem quebradas em pedacinhos. Neste teste, foram observadas vibrações que ocorrem quando veículos se movem em regiões de ar turbulento.

Grandes desenvolvimentos na área de instrumentação em túneis de vento são contribuições essenciais para o avanço das tecnologias que viabilizam a conquista da exploração espacial. São pequenos detalhes como este da tinta sensível a pressão que trazem a humanidade um passo mais perto do desconhecido.

Referências:

1 https://www.nasa.gov/mission_pages/apollo/apollo11.html

2 https://www.nasa.gov/press-release/nasa-telescope-reveals-largest-batch-of-earth-size-habitable-zone-planets-around

3 https://www.nasa.gov/centers/langley/news/factsheets/WindTunnel.html

4 https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/tuntest.html

5 https://www.nasa.gov/ames/image-feature/chaotic-airflow-over-rocket-measured-in-groundbreaking-test