Levitao magntica poder viabiliza tecnologia antigravitacional?

Mecnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 10/04/2024

Tecnologias livres da gravidade

Trens que levitam usando eletroms supercondutores no so nenhuma novidade, mas recentemente as tecnologias de levitao tm-se expandido, de uma levitao magntica por rotao, diversas demonstraes de levitao acstica, at a levitao por luz.

Mas ser que um dia teremos uma levitao que nos permita pensar em tecnologias antigravitacionais, como carros que dispensam rodas e avies que no dependam de sustentao atmosfrica?

justamente com essa liberdade em relao fora da gravidade que Shilu Tian e colegas do Instituto de Cincia e Tecnologia de Okinawa, no Japo, esto acenando agora.

Tian projetou e construiu uma plataforma flutuante usando grafite e ms permanentes, dispensando supercondutores e eletroms. Ou seja, esta plataforma levitante opera sem depender de fontes de energia externas, mantendo os objetos suspensos em posio estvel sem qualquer contato fsico ou suporte mecnico.

Por enquanto tudo s funciona em ambiente de vcuo, mas isso j suficiente para viabilizar o desenvolvimento de sensores ultrassensveis para medies altamente precisas e eficientes, criar gatos de Schrodinger massivos e at tentar estabelecer conexes entre a fora da gravidade e a fsica quntica. Mais importante ainda, a demonstrao permite sonhar com mais.

(a) Ilustrao das nanopartculas de grafite produzidas pela equipe. (b) Micrografia do compsito de grafite. (c) Ilustrao do experimento visto na foto anterior.
[Imagem: S. Tian et al. – 10.1063/5.0189219]

Levitao livre

Quando um campo magntico externo aplicado a materiais diamagnticos, esses materiais geram um campo magntico na direo oposta, resultando numa fora repulsiva – eles se afastam do campo, sendo repelidos pelo m. Assim, objetos feitos desses materiais podem flutuar acima de campos magnticos fortes. Por exemplo, nos trens maglev, poderosos ms supercondutores criam um forte campo magntico, e materiais diamagnticos permitem para alcanar a levitao, aparentemente desafiando a gravidade.

O grafite, a forma cristalina do carbono encontrada nos lpis, altamente diamagntico, sendo fortemente repelido por ms. Os pesquisadores ento revestiram quimicamente um p de esferas microscpicas de grafite com slica e misturaram esse p revestido em cera. O material foi ento prensado para formar uma placa fina, de um centmetro quadrado, que paira acima de ms dispostos em um padro de grade.

Esta plataforma aparentemente simples abre possibilidades interessantes para a fabricao de sensores ultrassensveis e para se obter um controle preciso sobre plataformas oscilantes. Ao combinar levitao, isolamento do ambiente e feedback em tempo real, a demonstrao amplia os limites do que possvel fazer na cincia dos materiais, na tecnologia dos sensores e nas tecnologias qunticas. Para se ter uma ideia, a plataforma permite pensar em miniaturizar os gigantescos sensores de ondas gravitacionais, que hoje ocupam laboratrios quilomtricos, como o LIGO e o VIRGO.

“Se for suficientemente resfriada, nossa plataforma levitante poder superar at mesmo os gravmetros atmicos mais sensveis desenvolvidos at o momento. Esses so instrumentos de ltima gerao que usam o comportamento dos tomos para medir com preciso a gravidade. Alcanar esse nvel de preciso requer uma engenharia rigorosa para isolar a plataforma de perturbaes externas, como vibraes, campos magnticos e rudo eltrico. Nosso trabalho contnuo se concentra no refinamento desses sistemas para desbloquear todo o potencial desta tecnologia,” disse o professor Jason Twamley, coordenador da equipe.

A matriz de ms permanentes essencial para a levitao magntica operar sem qualquer fora externa.
[Imagem: S. Tian et al. – 10.1063/5.0189219]

Desafios da levitao

Criar uma plataforma flutuante que no requeira alimentao externa apresenta vrios desafios, sendo o maior fator limitante o chamado “amortecimento de parasitas”, que ocorre quando um sistema oscilante perde energia ao longo do tempo devido a foras externas. Quando um condutor eltrico, como o grafite, passa por um campo magntico forte, ele sofre perda de energia devido ao fluxo de correntes eltricas. Essa perda de energia tem impedido o uso da levitao magntica para desenvolver sensores avanados.

A equipe japonesa tinha como objetivo projetar uma plataforma que pudesse flutuar e oscilar sem perder energia, o que significa que, uma vez colocada em movimento, ela continuar oscilando por um longo perodo, mesmo sem entrada adicional de energia. Esse tipo de plataforma “sem atrito” pode ter muitas aplicaes, incluindo novos tipos de sensores para medir fora, acelerao e gravidade.

To logo se consiga diminuir o amortecimento de parasitas, contudo, j surge outro desafio: Minimizar a energia cintica da plataforma oscilante. Reduzir esse nvel de energia importante por duas razes: Primeiro, para tornar a plataforma mais sensvel para uso como sensor; segundo, a reduo do movimento equivale a um resfriamento, levando o sistema em direo ao regime onde predominam os efeitos qunticos, o que abre novas possibilidades para medies de preciso.

Portanto, para alcanar uma plataforma flutuante autossustentvel e verdadeiramente sem atrito, tanto o amortecimento quanto os desafios de energia cintica precisavam ser resolvidos.

Para conseguir isto, os pesquisadores se concentraram na melhoria do j interessante grafite. Ao alter-lo quimicamente, eles transformaram o grafite em um isolante eltrico, o que interrompe as perdas de energia e ainda permite que o material levite no vcuo. Eles incluram ainda um sistema de monitoramento contnuo do movimento da plataforma, usando essas informaes em tempo real para gerar uma fora magntica de feedback para amortecer o movimento da plataforma – essencialmente desacelerando seu movimento e resfriando-a significativamente.

“O calor causa movimento, mas monitorando continuamente e fornecendo feedback em tempo real ao sistema, na forma de aes corretivas, podemos diminuir esse movimento. O feedback ajusta a taxa de amortecimento do sistema, que a rapidez com que ele perde energia, portanto, controlando ativamente o amortecimento ns reduzimos a energia cintica do sistema, efetivamente resfriando-o,” explicou o professor Twamley.

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