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Autor: valdemir j.s | Publicado: 2013-01-23T23:58:00-08:00



Alcançada temperatura abaixo do zero absoluto

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/01/2013



Devido à forma como a temperatura é definida, não há uma transição suave entre as temperaturas absolutas positivas e negativas - tão logo a distribuição de energia é invertida, atinge-se um calor descomunal.[Imagem:&nbsp;LMU/MPG Munich]




Além da escala Kelvin

A escala de temperaturas absolutas - conhecida como escala Kelvin - é um dos conceitos centrais da física.

Por definição, nada pode ser mais frio do que o zero absoluto, estabelecido em 0 Kelvin, ou -273,15 °C.

Contudo, há muito os físicos sabem que, abaixo do zero absoluto, há todo um reino de temperaturas absolutas negativas.

Em 2011, um grupo de físicos teóricos alemães demonstrou que, se não é possível passar suavemente pelo zero absoluto, como acontece na escala Celsius, é possível saltar pelo 0 K e ir diretamente para esse reino ainda inexplorado.



Temperaturas abaixo do zero absoluto podem ser alcançadas




Agora, uma outra equipe alemã fez os experimentos e demonstrou na prática como ir abaixo do zero absoluto.

E a realidade mostrou-se impressionante: abaixo do quase inatingível frio absoluto estão algumas das temperaturas mais quentes já observadas no Universo.

O resultado terá largas implicações em várias áreas científicas, da física básica à cosmologia.

Calor absoluto

Simon Braun e seus colegas da Universidade Ludwig Maximilian de Munique obtiveram a temperatura absoluta negativa movendo átomos em um gás ultrafrio.

Na escala Kelvin normal - das temperaturas absolutas positivas - a temperatura é proporcional à energia cinética média das partículas.

Mas nem todas as partículas têm a mesma energia - há na verdade uma distribuição de energia, sendo os estados de baixa energia mais ocupados do que os estados de alta energia - isto é conhecido como distribuição de Boltzmann.

No caso das temperaturas Kelvin negativas, a distribuição é invertida, e os estados de alta energia são mais ocupados do que os estados de baixa energia.

O resultado é um calor que se aproxima do estado mais quente que se pode obter quanto mais próximo a temperatura absoluta negativa está do zero absoluto.

A inversão drástica dos estados de energia - uma distribuição de Boltzmann invertida - faz com que a temperatura sub-Kelvin não seja mais fria, mas incrivelmente quente.

"Ela é ainda mais quente do que qualquer temperatura positiva - a escala de temperaturas simplesmente não vai ao infinito, ela salta para valores negativos," disse Ulrich Schneider, coordenador da equipe.

Segundo o pesquisador, essa contradição é apenas aparente, e nasce da forma como a temperatura absoluta tem sido definida ao longo da história - o experimento abre a possibilidade de uma nova definição da temperatura, o que pode fazer com que a contradição desapareça.

Motor com eficiência maior que 100%

A matéria em temperaturas negativas absolutas pode ter consequências científicas e tecnológicas sem precedentes.

Com um sistema robusto o suficiente poderá ser possível criar motores a combustão com uma eficiência energética que supere os 100%.

E isso não significa uma violação da lei de conservação de energia - esse motor hipotético poderia não apenas absorver energia do meio quente, executando um trabalho como os motores normais, mas também extrair energia do meio mais frio, executando trabalho adicional.

Sob temperaturas absolutamente positivas, o meio mais frio inevitavelmente se aquece, absorvendo uma parte da energia do meio mais quente, o que impõe um limite à eficiência do motor.

Contudo, se o meio quente tiver uma temperatura absoluta negativa, é possível absorver energia dos dois meios simultaneamente.

O trabalho realizado pelo motor será, portanto, maior do que a energia retirada apenas do meio quente - sua eficiência será superior a 100%.



O experimento pode ser comparado a esferas em uma superfície ondulada. Nas temperaturas positivas (esquerda) a maioria das esferas fica nos vales, em seu estado de energia mínimo, quase imóveis - uma distribuição de Boltzmann normal. Em uma temperatura infinita (centro), as esferas se distribuem uniformemente nos dois estados. Na temperatura absoluta negativa (direita), entretanto, a maioria das esferas vai para os picos, no limite superior de energia potencial (e cinética). Os estados com energia total mais elevada ocorrem mais frequentemente - uma distribuição de Boltzmann invertida. [Imagem: LMU/MPG Munich]


Desafiando a gravidade

O experimento tem também um impacto direto para o campo da cosmologia, mais especificamente, sobre a energia escura, uma força ainda desconhecida que os cientistas usam para explicar a aceleração da expansão do Universo.

Com base apenas nas forças conhecidas, o Universo deveria estar se contraindo devido à atração gravitacional entre todas as massas que o compõem.

O experimento da temperatura absoluta negativa revelou um fenômeno que desafia a gravidade, agindo no sentido contrário, exatamente como se propõe que a energia escura faça.

O experimento se baseia no fato de que os átomos no gás não se repelem uns aos outros, como nos gases normais.

Na verdade, eles interagem de forma atrativa, ou seja, os átomos exercem uma pressão negativa.

A nuvem de átomos tenderia naturalmente a se contrair, devendo colapsar, exatamente como em um Universo onde apenas a gravidade estivesse atuando.

Isso, contudo, não acontece justamente por causa da temperatura absoluta negativa, extremamente quente - e o gás não colapsa, exatamente como o nosso Universo.

Temperatura absoluta negativa

A inversão dos estados de energia das partículas em um sistema ultrafrio não pode ser realizada em um sistema natural - como a água, por exemplo - porque o material teria que absorver uma quantidade infinita de energia.

Mas a coisa é bem diferente quando se trabalha com um sistema no qual as partículas - ou átomos - tenham um limite superior de energia.

Simon Braun trabalhou com um sistema artificial, composto por cerca de 100 mil átomos em uma câmara de vácuo, o que os torna perfeitamente isolados do ambiente externo.

Os átomos foram resfriados a uma temperatura de alguns bilionésimos de um Kelvin, uma das temperaturas mais frias que se consegue obter em laboratório.

Os átomos no gás ultrafrio foram então capturados por armadilhas ópticas, feitas por feixes de raios laser, e dispostos em uma matriz perfeitamente ordenada.

Cada átomo pode mover-se do seu local na matriz óptica para o local vizinho por tunelamento, mas sem perder algo que é fundamental para o experimento: ao contrário dos sistemas naturais, as partículas da matriz óptica possuem um limite superior de energia.

Assim, a temperatura do sistema não depende apenas da energia cinética, mas da energia total das partículas, o que inclui as energias potencial e de interação, ambas igualmente com um limite superior impostas pelo experimento.

Em condições normais, os átomos tenderiam a escapar da rede óptica, colapsando e aglomerando-se novamente em uma nuvem disforme, sugada para baixo pela gravidade. Mas os cientistas ajustaram a rede óptica para que fosse energeticamente mais favorável aos átomos permanecerem em suas posições ordenadas.

Os cientistas então levaram os átomos até seu nível superior de energia total, materializando uma temperatura absoluta negativa, de alguns bilionésimos -K, em um sistema que se manteve estável.




Quarta revolução industrial: A Era das Máquinas Livres

Baseado em artigo de Marcia Goodrich - 22/09/2012


Para Joshua Pearce, o "faça você mesmo científico" está dando início a uma revolução: a era das máquinas livres, com software e hardware abertos. [Imagem:&nbsp;Sarah Bird/Michigan Tech]





"Faça você mesmo científico"

O movimento "Faça Você Mesmo" saltou das tarefas domésticas para os laboratórios de pesquisa.

E o salto foi impulsionado pelos mesmos motivos:&nbsp;economizardinheiro e obter exatamente o resultado que você deseja.

Para Joshua Pearce, o "faça você mesmo científico" está dando início a uma revolução.

Três forças convergentes, todas de código aberto (open-source), estão por trás dessa revolução, explica o pesquisador em um artigo publicado no número mais recente da revista Science: software, impressoras 3D e microcontroladores.

Com essas ferramentas,pesquisadores&nbsp;de todo o mundo estão reduzindo o custo de fazer ciência, construindo seus equipamentos no próprio laboratório.

Arduíno

Tudo está sendo possível graças ao microcontrolador&nbsp;open-source&nbsp;Arduíno.

"A&nbsp;beleza&nbsp;desta ferramenta é que é muito fácil de usar," disse Pearce, que é professor da Universidade Tecnológica de Michigan. "Ela torna muito simples a tarefa de automatizar processos."

Veja&nbsp;como funciona.

O Arduíno - que é vendido por menos de R$100 no varejo - pode controlar qualquer instrumento científico, seja um contador Geiger, um osciloscópio ou um sequenciador de DNA.

Mas ele realmente brilha quando controla&nbsp;impressoras 3D, tais como a também de hardware aberto&nbsp;RepRap.

Esta engenhoca do tamanho de um forno de micro-ondas pode ser construída por menos de R$1.000, e pode construir suas próprias peças - uma vez que você tenha uma RepRap, você poderá construir tantas quantas queira. O laboratório de Pearce já tem cinco.



Apresentada primeira máquina capaz de construir uma cópia dela mesma




Impressoras 3D constroem objetos lançando camadas de plástico com espessura abaixo de um milímetro, umas sobre as outras, seguindo padrões específicos. Isso permite aos usuários construir equipamentos segundo suas próprias especificações, não ficando mais dependentes do que podem&nbsp;comprar&nbsp;no mercado.

O Arduíno controla o processo, dizendo à impressora 3D para fazer qualquer coisa, de um trem de brinquedo a um macaco de laboratório - não o animal, mas aquele equipamento de levantar coisas.


A impressora 3D RepRap está sendo usada para construir equipamentos reais para uso nos laboratórios científicos. [Imagem: Pearce/Science]


Universo das Coisas

Macacos de laboratório levantam e abaixam equipamentos ópticos, mas não são radicalmente diferentes do macaco que você usa para trocar o pneu do&nbsp;carro.

O professor Pearce precisou de um em seu laboratório e, ao saber que o equipamento custaria milhares de dólares, resolveu projetar o seu próprio.

Usando uma RepRap, filamentos de plástico barato e algumas porcas e parafusos, Pearce e seus alunos construíram um por uma bagatela.

Então eles postaram o código OpenSCAD, que usaram para fazer seu macaco de laboratório, no Thingiverse, um repositório de projetos de código aberto, onde os membros da "comunidade de fazedores" podem enviar seus projetos para todos os tipos de objetos, e receber feedback.

"Imediatamente, alguém que eu nunca encontrei, disse: 'Isso não vai funcionar muito bem, você precisa fazer isso'," conta Pearce. "Nós fizemos uma mudança simples, e agora temos um macaco de laboratório que é superior ao nosso projeto original."

O Thingiverse - o "Universo das Coisas" (Things&nbsp;+&nbsp;Universe) - é um filho do movimento do software livre e de código aberto. Além de projetos para todos os tipos de objetos, ele pretende&nbsp;juntar&nbsp;milhares de mentes especializadas para resolver problemas. É a última palavra no trabalho em equipe, disse Pearce.


O macaco de laboratório foi otimizado com a ajuda da comunidade de hardware aberto. [Imagem: Thingiverse]


Economia da doação

"Os movimentos do&nbsp;software livre&nbsp;e do hardware livre estão criando uma economia das doações. Nós pagamos para a comunidade submetendo nossos projetos, e recebemos pagamentos de volta na forma de um excelente feedback e acesso livre ao trabalho de outras pessoas. Quanto mais você dá, mais você recebe, e todos ganham nesse processo," disse ele.

A comunidade Thingiverse já tem uma linha completa de projetos com código-fonte aberto para mais de 30 mil "coisas".

E é tudo barato, o que traz em si a emergência dessa revolução.

Pearce relata que agora está ajudando seus estudantes a organizarem uma empresa cujos objetivos serão fazer projetos de código e hardware abertos para a indústria e construir instrumentos de laboratório sob medida para professores universitários, fornecendo tudo pronto por uma fração do custo dos equipamentos comerciais.

"Isso dará aos alunos as competências de que necessitam e lhes permitirá beneficiar toda a sua área de pesquisas," disse ele.


Este equipamento permite construir trocadores de calor fundindo camadas de sacolas plásticas. [Imagem: Thingiverse]


Revolução da fabricação própria

Se a iniciativa se disseminar, milhares ou milhões de dólares que são gastos pelos laboratórios de pesquisa em todo o mundo para comprar equipamentos, agora poderão ser usados para dar apoio aos alunos.

Mesmo escolas de ensino médio poderão ter recursos para bons laboratórios de ciências. Mais pesquisas poderão ser financiadas com menos recursos, levando a mais descobertas.

"Usando hardware livre economizamos milhares de dólares para o nosso grupo de pesquisa, e estamos apenas esquentando os motores. Isso vai mudar a maneira como as coisas são feitas," disse Pearce. "Não há como parar essa revolução."

O endereço do Universo das Coisas é www.thingiverse.com, e uma boa forma de colaborar com essa nova onda seria que um grupo brasileiro se encarregasse de começar uma versão ".com.br" dessa "revolução das coisas".



Projeto de impressora 3-D "open-source" quer que todos tenham uma fábrica em casa