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Você conhece aquela arma de raios congelantes que o vilão de “Batman” Mr. Freeze usa para “congelar” seus inimigos? Um professor da Universidade da Virgínia acha que pode ter descoberto como fazer um na vida real.
A descoberta – que, inesperadamente, depende de plasma gerador de calor – não se destina a armamento, no entanto. O professor de engenharia mecânica e aeroespacial Patrick Hopkins quer criar resfriamento de superfície sob demanda para eletrônicos dentro de espaçonaves e jatos de alta altitude.
“Esse é o principal problema agora”, disse Hopkins. “Muitos eletrônicos a bordo esquentam, mas não têm como esfriar.”
A Força Aérea dos EUA gosta tanto da perspectiva de um raio congelado que concedeu ao ExSiTE Lab (Experimentos e Simulações em Engenharia Térmica) US$ 750.000 do professor ao longo de três anos para estudar como maximizar a tecnologia.
A partir daí, o laboratório fará parceria com a empresa spinout UVA da Hopkins, Laser Thermal, para a fabricação de um protótipo de dispositivo.
O professor explicou que, na Terra – ou no ar mais próximo a ela – a eletrônica em naves militares muitas vezes pode ser resfriada pela natureza. A Marinha, por exemplo, usa água do mar como parte de seus sistemas de refrigeração líquida. E mais perto do solo, o ar é denso o suficiente para ajudar a manter os componentes da aeronave refrigerados.
No entanto, “com a Força Aérea e a Força Espacial, você está no espaço, que é um vácuo, ou na atmosfera superior, onde há muito pouco ar que pode esfriar”, disse ele. “Então, o que acontece é que seus componentes eletrônicos ficam cada vez mais quentes. E você não pode trazer uma carga útil de refrigerante a bordo porque isso aumentará o peso e você perderá eficiência.”
Hopkins acredita que está no caminho certo para uma solução leve. Ele e colaboradores publicaram recentemente um artigo de revisão sobre esta e outras perspectivas para a tecnologia na revista ACS Nano.
O quarto estado da matéria
A matéria que encontramos todos os dias existe em três estados: sólido, líquido e gasoso. Mas há um quarto estado: plasma. Embora possa parecer relativamente raro para nós na Terra, o plasma é a forma mais comum de matéria no universo. Na verdade, é disso que as estrelas são feitas.
Plasmas podem ocorrer quando o gás é energizado, disse Hopkins. Isso potencializa suas propriedades únicas, que variam de acordo com o tipo de gás e outras condições. Mas o que une todo plasma é uma reação química inicial que desprende elétrons de suas órbitas nucleares e libera um fluxo de fótons, íons e elétrons, entre outras espécies energéticas.
Os resultados surpreendentes podem ser testemunhados no flash repentino de um raio, por exemplo, ou no brilho quente de um letreiro de néon.
Embora as televisões de tela de plasma já tenham sido uma coisa, depois descontinuadas, não se deixe enganar. O plasma está sendo cada vez mais usado em tecnologia. Já é utilizado nos motores de muitos dos jatos mais rápidos da Força Aérea. O plasma auxilia a combustão, melhorando a velocidade e a eficiência.
Mas Hopkins imagina que o plasma também está sendo usado no interior da nave.
A solução típica para a eletrônica do ar e do espaço tem sido uma “placa fria”, que conduz o calor da eletrônica para os radiadores, que o liberam. Para eletrônicos avançados, no entanto, isso nem sempre é suficiente.
Hopkins acha que a configuração revisada pode ser algo como um braço robótico que se move em resposta às mudanças de temperatura, com um eletrodo curto e próximo que zapeia os pontos quentes.
“Este jato de plasma é como um feixe de laser; é como um raio”, disse Hopkins. “Pode ser extremamente localizado.”
O Enigma do Plasma
Fato interessante: o plasma pode atingir temperaturas tão quentes quanto a superfície do sol. Mas também parece ter essa característica estranha — uma que parece violar a segunda lei da termodinâmica. Quando atinge uma superfície, na verdade esfria antes de aquecer.
Hopkins e seu colaborador, Scott Walton, do Laboratório de Pesquisa da Marinha dos EUA, fizeram a descoberta inesperada há vários anos, pouco antes da pandemia.
“O que me especializou é fazer medições de temperatura muito, muito rápidas e muito, muito pequenas”, disse Hopkins sobre seus instrumentos microscópicos personalizados, que podem registrar registros de calor especializados.
Em seu experimento, eles dispararam um jato roxo de plasma gerado a partir do hélio através de uma agulha oca envolta em cerâmica. O alvo era uma superfície banhada a ouro. Os pesquisadores escolheram o ouro porque é inerte e, tanto quanto possível, eles queriam evitar a corrosão da superfície pelo feixe focalizado, o que poderia distorcer os resultados.
“Então, quando ligamos o plasma”, disse Hopkins, “poderíamos medir a temperatura imediatamente onde o plasma atingiu, então pudemos ver como a superfície mudou. Vimos a superfície esfriar primeiro, depois ela esquentava.
“Ficamos intrigados em algum nível sobre por que isso estava acontecendo, porque continuava acontecendo repetidamente. E não havia informações para extrairmos porque nenhuma literatura anterior foi capaz de medir a mudança de temperatura com a precisão que temos. . Ninguém foi capaz de fazer isso tão rapidamente.”
O que eles perceberam
O que eles finalmente determinaram, em associação com o então pesquisador de doutorado da UVA, John Tomko, e continuaram os testes com o laboratório da Marinha, foi que o resfriamento da superfície deve ter sido o resultado da explosão de uma camada superficial ultrafina e difícil de ver, composta de carbono e moléculas de água.
Um processo semelhante acontece quando a água fria evapora de nossa pele após um mergulho.
“A evaporação das moléculas de água no corpo requer energia; retira energia do corpo e é por isso que você sente frio”, disse o professor. “Nesse caso, o plasma arranca as espécies absorvidas, a energia é liberada e é isso que esfria.”
Os microscópios de Hopkins funcionam por um processo chamado “termometria óptica resolvida no tempo” e medem algo chamado “termorrefletância”.
Basicamente, quando o material da superfície está mais quente, ele reflete a luz de maneira diferente do que quando está mais frio. O escopo especializado é necessário porque, de outra forma, o plasma obliteraria qualquer medidor de temperatura que tocasse diretamente.
Então, quão frio é frio? Eles determinaram que eram capazes de reduzir a temperatura em vários graus e por alguns microssegundos. Embora isso possa não parecer dramático, é o suficiente para fazer a diferença em alguns dispositivos eletrônicos.
Após o atraso da pandemia, Hopkins e colaboradores publicaram suas descobertas iniciais em Natureza Comunicações ano passado.
Então a pergunta se tornou: eles poderiam ter uma reação mais fria e durar mais tempo?
Refinando o Raio Congelante
Anteriormente trabalhando com equipamentos emprestados da Marinha – tão leves e seguros que costumavam ser usados para demonstrações escolares – o laboratório UVA agora tem sua própria estrutura, graças à concessão da Força Aérea.
A equipe está analisando como variações em seu design original podem melhorar o aparelho. Os doutorandos Sara Makarem Hoseini e Daniel Hirt estão considerando gases, metais e revestimentos de superfície que o plasma pode atingir.
Hirt forneceu uma atualização de laboratório.
“Ainda não exploramos o uso de gases diferentes, pois ainda estamos trabalhando com hélio”, disse ele. “Até agora, experimentamos diferentes metais, como ouro e cobre, e semicondutores, e cada material oferece seu próprio playground para investigar como o plasma interage com suas diferentes propriedades.
“Como o plasma é composto por uma variedade de partículas diferentes, mudar o tipo de gás usado nos permitirá ver como cada uma dessas partículas afeta as propriedades do material”.
Hirt disse que trabalhar com Hopkins em um projeto com implicações tão significativas rejuvenesceu seu interesse pela pesquisa, em grande parte devido ao ambiente de laboratório de apoio que o professor promove.
“Sinto que é noite e dia comparando não apenas onde eu estava como cientista, mas também meu prazer pela ciência, com onde estou hoje”, disse ele.
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