Primeira transmissão quântica intercontinental via satélite

A transmissão, em condições reais de operação, envolveu redes terrestres de fibra óptica e o link feito pelo satélite Micius.[Imagem: USTC]

Distribuição de chaves quânticas

Pesquisadores da China e da Áustria fizeram a primeira transmissão intercontinental de vídeo via satélite com os dados protegidos por criptografia quântica.

Como qualquer forma de criptografia digital, a criptografia quântica usa uma sequência de bits (1 e 0) chamada de "chave" para codificar e decodificar as informações. A vantagem da QKD (Quantum Key Distribution, ou distribuição de chaves quânticas) é que os bits são representados como estados quânticos - por exemplo, os estados de polarização dos fótons - e as leis da mecânica quântica tornam fisicamente impossível que os qubits transmitidos sejam interceptados e lidos sem que essa espionagem seja detectada pelo remetente e pelo receptor.

A transmissão de vídeos e imagens foi feita entre a Universidade de Ciência e Tecnologia da China e a Universidade de Viena, na Áustria, usando o satélite chinês Micius, que já havia sido empregado para realizar a primeira transmissão de comunicação quântica via satélite.

Uma imagem do filósofo chinês Micius foi enviada de Pequim para Viena, e uma imagem do físico Erwin Schrodinger viajou no sentido oposto. A seguir, a equipe transmitiu uma videoconferência entre as duas universidades que durou 75 minutos, exigindo 2 gigabytes de dados.

Esta foi a primeira videoconferência transmitida via satélite com criptografia quântica. [Imagem: Academia Chinesa de Ciências]

Internet quântica

O sistema de distribuição de chaves quânticas demonstrado pelo satélite agora poderá ser combinado com redes quânticas metropolitanas, nas quais fibras ópticas são usadas para conectar vários usuários dentro de uma cidade.

"A capacidade demonstrada aqui é suficiente para os estágios iniciais de uma internet quântica, semelhante ao estado dos celulares na década de 1970," disse o professor Jian-Wei Pan, coordenador dos experimentos.

O satélite Micius é apenas o primeiro componente de um projeto internacional coordenado pela China, chamado Experimentos Quânticos em Escala Espacial, que incluirá vários satélites mais avançados, que ficarão estacionados em órbitas mais elevadas - o Micius circunda a Terra a apenas 500 km de altitude.

Bibliografia:

Satellite-Relayed Intercontinental Quantum Network
Sheng-Kai Liao et al.
Physical Review Letters
Vol.: 120, Iss. 3 - 19
DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.030501

Brasileiro elucida enigma para geração de energia por fusão nuclear

O ITER, primeiro protótipo de reator de fusão nuclear, será um laboratório, não produzindo eletricidade para a rede. [Imagem: ITER]

Desafio da fusão nuclear

Com as mais recentes esperanças depositadas na fusão nuclear sem radiação, a busca por domar o processo de geração de energia das estrelas continua dependendo não apenas da solução de problemas de engenharia, mas também de muito conhecimento fundamentado em ciência básica.

A geração controlada e regular de energia por meio da fusão nuclear, com a conversão de hidrogênio em hélio, reproduzindo na Terra, em pequena escala, o que ocorre no Sol e em outras estrelas, é uma das grandes promessas tecnológicas para as próximas décadas.

O maior protótipo de reator de fusão nuclear, o ITER - cujo nome significa "o caminho", em latim -, por exemplo, um megaprojeto internacional de €20 bilhões, não conseguirá fornecer energia para a rede elétrica. Ele será o primeiro equipamento do tipo tokamak - termo formado pelo acrônimo da expressão em russo para "câmara toroidal com bobinas magnéticas" - em que a energia gerada será maior do que a energia necessária para colocá-lo em funcionamento, mas servirá tão somente para testar as múltiplas complexidades técnicas inerentes ao processo, servindo de modelo para máquinas mais poderosas e capazes de gerar eletricidade útil.

Fusão autossustentável

Para que tudo isso dê certo, porém, existe uma questão crucial: garantir que o processo de fusão nuclear se torne autossustentável, impedindo que a perda de energia por meio de radiação eletromagnética e do escape de partículas alfa - o núcleo atômico do hélio, formado por dois prótons e dois nêutrons - desaqueça o reator.

Resultados experimentais observados ao longo dos 20 últimos anos mostraram que a forma pela qual os íons rápidos (dentre os quais as partículas alfa) são ejetados do plasma varia muito entre diferentes tokamaks. Só que ninguém compreendia quais condições experimentais determinavam esse comportamento.

Esse problema acaba de ser elucidado por um pesquisador brasileiro, Vinícius Njaim Duarte, atualmente realizando trabalho de pós-doutoramento no Laboratório de Física do Plasma de Princeton, nos Estados Unidos.

A repercussão do trabalho de Vinícius foi tanta que, no maior tokamak dos Estados Unidos, o DIII-D, foram realizados experimentos dedicados a testar o modelo por ele proposto. E os resultados experimentais confirmaram as predições do modelo.

"Ondas eletromagnéticas excitadas por partículas rápidas em tokamaks podem apresentar variações bruscas de frequência que, em inglês, são chamadas de chirping [o chilrear dos pássaros]. Não se compreendia por que em algumas máquinas isso aparecia e em outras não. Usando modelagem numérica bastante complexa e dados experimentais, Vinícius mostrou que a produção ou não do chirping - e, portanto, o caráter da perda de partículas e energia - depende do nível de turbulência do plasma existente no interior do tokamak, no qual estão ocorrendo as reações de fusão nuclear. Se o plasma não for muito turbulento, o chirping acontece. Mas, se for muito turbulento, não," explicou o professor Ricardo Magnus Galvão, que foi o orientador do doutoramento de Vinícius no Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IFUSP).

Os dados experimentais colhidos no reator DIII-D, nos EUA, confirmaram o trabalho teórico do pesquisador brasileiro. [Imagem: V. N. Duarte et al. - 10.1063/1.5007811]

Auto-organização

Na fusão nuclear - diferente da fissão nuclear, que ocorre nos atuais reatores atômicos - os núcleos atômicos de elementos mais leves, como deutério (um próton e um nêutron) e trítio (um próton e dois nêutrons), que são dois isótopos do hidrogênio, se fundem, formando núcleos de elementos mais pesados, neste caso hélio - dois prótons e dois nêutrons -, gerando energia.

"Para que a fusão possa ocorrer, é preciso superar a repulsão eletrostática entre os íons positivos. Isso só é possível se o gás ionizado [plasma] constituído pelos núcleos dos elementos leves for aquecido a temperaturas altíssimas, da ordem de dezenas a centenas de milhões de graus Celsius," explicou Ricardo. "Nessa temperatura elevadíssima, a vibração dos íons faz com que um se choque com o outro, vencendo a repulsão eletrostática. Um poderoso campo magnético confina o fluxo do plasma, impedindo que ele entre em contato com as paredes do equipamento. E as partículas alfa [núcleos de hélio] formadas, altamente energizadas, colidem com outras partículas do plasma, mantendo-o aquecido, de forma que a reação de fusão se torne autossustentável."

O problema é que a interação ressonante entre partículas alfa e ondas presentes no plasma pode fazer com que sejam excitadas oscilações eletromagnéticas ou mesmo que partículas alfa sejam ejetadas, levando à perda de energia, ao desaquecimento do plasma e à eventual interrupção do regime de fusão nuclear.

"O que Vinícius constatou foi que esse desfecho acontece de maneira auto-organizada, com produção do chirping, se o plasma não for muito turbulento. Mas, se for muito turbulento, não," explicou Ricardo.

Os físicos experimentais já sabiam, empiricamente, como induzir maior ou menor turbulência, mas não sabiam que isso teria efeito na alteração da natureza espectral das ondas associadas às estruturas das partículas. A contribuição de Vinícius foi identificar o mecanismo-chave de controle e explicar o porquê. Em termos de aplicação tecnológica, trata-se de estabelecer um "optimum" de turbulência: suficiente para impedir a perda de partículas e energia de forma auto-organizada, mas não tanta que possa criar outros efeitos indesejáveis ao confinamento do plasma como um todo.

FONTE: Agência Fapesp

Bibliografia:

Theory and observation of the onset of nonlinear structures due to eigenmode destabilization by fast ions in tokamaks
V. N. Duarte, H. L. Berk, N. N. Gorelenkov, W. W. Heidbrink, G. J. Kramer, R. Nazikian, D. C. Pace, M. Podestà, M. A. Van Zeeland
Physics of Plasmas
Vol.: 24, 122508
DOI: 10.1063/1.5007811

Cientistas encontram uma bactéria desconhecida na ISS

Cientistas encontram uma bactéria desconhecida vivendo no exterior da Estação Espacial Internacional. 

Cientistas da Estação Espacial Internacional (International Space Station) acabaram de encontrar uma bactéria desconhecida vivendo nas paredes externas do laboratório em órbita.
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A descoberta ocorreu ao analisar pequenos cotonetes de algodão com os quais os astronautas pegam amostras das paredes da estação para monitorar sua condição. O organismo, que ainda não foi identificado e nem catalogado, estava em uma área sombreada, perto de onde se acumulam os resíduos de combustível dos módulos que chegam a ISS e a ajudam a recuperar sua órbita. O veterano astronauta russo, Anton Shkaplerov, explicou à agência TASS que as bactérias estão sendo estudadas agora mesmo na ISS e que não parecem representar nenhum risco para a saúde humana. A pergunta óbvia depois de ler a notícia é a seguinte: estamos falando de um organismo extraterrestre? A resposta mais provável é não! É verdade que a espécie ainda não foi identificada e que ninguém sabe como ela chegou até lá, mas é mais provável que seja um organismo de origem terrestre. Na verdade, não é a primeira vez que isso acontece. Os astronautas russos estudam as manchas das paredes da estação desde 2010. Nos últimos seis anos, apareceu de tudo. As descobertas mais raras chegam do plâncton até um micróbio particularmente raro que vive no solo de Madagascar.

Como essas criaturas chegaram à ISS e como é possível que elas sobrevivam ao vácuo do espaço? Não há resposta para nenhuma das duas perguntas. A ciência só tem hipóteses para explicar como essas bactérias chegam no espaço. É bem provável que elas chegam a partir das próprias naves humanas, embora exista também a possibilidade de chegarem diretamente graças as correntes de ar capazes de alcançar as camadas mais altas da atmosfera. Outra hipótese é de que sejam microrganismos daqueles que vivem dentro da própria estação (a ISS não seria tão estéril quanto se pensava) e que, de alguma forma, conseguiram ir para o exterior e estabelecer colônias. Claro, não está descartado que seja um organismo extraterrestre, mas as possibilidades são pequenas. O problema mais relevante é descobrir quais mudanças físicas e metabólicas essas bactérias experimentam para se adaptar ao espaço. Os dados serão cruciais não só para melhorar nossas possibilidades em viagens espaciais, mas também para minimizar o impacto de infecções em órbita durante essas viagens.

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Marte: Como produzir oxigênio e combustível para a volta

O experimento MOXIE, que irá a Marte a bordo do robô da missão Mars 2020, é mais complexo e mais pesado do que a ideia dos pesquisadores portugueses.[Imagem: NASA]

Salvação da missão

A ideia de ir a Marte antes de colonizar a Lua anda meio em decadência ultimamente, por isso alguns pesquisadores estão procurando formas de facilitar a ida ao Planeta Vermelho - se for mais simples e mais barato, talvez valha a pena.

Vasco Guerra, da Universidade de Lisboa, em Portugal, faz parte desse time.

Ele lembra que a atmosfera de Marte consiste em nada menos do que 96% de dióxido de carbono.

Embora não seja suficiente para produzir um efeito estufa suficiente para aquecer o planeta, as moléculas de CO₂ podem ser quebradas para produzir oxigênio respirável e monóxido de carbono, o precursor de um combustível que poderia significar um "posto de gasolina no planeta vermelho".

Quebra do CO₂ com plasma

Guerra e sua equipe calcularam que criar um plasma de dióxido de carbono - uma massa de íons gerada passando uma corrente elétrica através de um gás - pode dividir o CO₂ com mais facilidade em Marte do que na Terra porque a pressão atmosférica mais baixa em Marte permite criar plasmas sem as bombas de vácuo ou compressores necessários na Terra.

Além disso, a temperatura de cerca de -60 °C é perfeita para que o plasma quebre mais facilmente um dos laços químicos que mantêm o carbono e o oxigênio firmemente ancorados, ao mesmo tempo impedindo a recombinação do dióxido de carbono.

Por enquanto, tudo é amplamente teórico, mas a equipe afirma que um sistema desse tipo precisará de apenas 150 a 200 Watts por 4 horas a cada dia de 25 horas de Marte para produzir de 8 a 16 quilogramas de oxigênio. "A Estação Espacial Internacional atualmente consome oxigênio na faixa de 2 a 5 quilogramas por dia, então isso seria suficiente para suportar um pequeno assentamento," disse Guerra.

Mais avançado

Como o sistema não exigiria calor ou pressão adicionais, ele poderia ser mais leve do que outras propostas, como o MOXIE (sigla em inglês para Experimento Oxigênio Local em Marte), um sistema que divide dióxido de carbono usando eletrólise e que será testado pelo robô da missão Mars 2020. O MOXIE precisa de temperaturas de 800 °C e compressores.

Os criadores do MOXIE defenderam-se rapidamente do ataque português, afirmando que seu sistema é mais avançado do que o sistema a plasma. "Eles se esqueceram de como o dióxido de carbono é coletado e como o oxigênio é separado dos outros gases. O diabo está nos detalhes," disse Michael Hecht, membro da iniciativa MOXIE.

A palavra agora está de volta com a equipe portuguesa, que ainda está estudando como resolver esses detalhes.

FONTE: New Scientist

Bibliografia:

The case for in situ resource utilisation for oxygen production on Mars by non-equilibrium plasmas
Vasco Guerra, Tiago Silva, Polina Ogloblina, Marija Grofulovic, Loann Terraz, Mário Lino da Silva, Carlos D. Pintassilgo, Luís L. Alves, Olivier Guaitella3
Plasma Sources Science and Technology
Vol.: 26, Number 11
DOI: 10.1088/1361-6595/aa8dcc

Energia limpa pode mudar face do mundo até 2050

Uma adoção generalizada de fontes de energia renováveis pode mudar a face do mundo.[Imagem: Wikimedia Commons]

Mundo com energia renovável

Pelo menos 139 países poderiam ser totalmente abastecidos por eletricidade gerada por fontes eólica, solar e aquática até 2050.

Esta é a conclusão, não exatamente de um estudo ou de um levantamento, mas de um roteiro para a efetivação de um futuro 100% baseado em energia renovável. Uma primeira etapa prevê alcançar 80% de energia renovável em 2030, e a segunda prevê alcançar 100% em 2050.

O roteiro descreve as mudanças de infraestrutura que os 139 países devem fazer para se tornarem totalmente alimentados pelo que hoje são consideradas fontes alternativas de energia.

As análises examinaram os setores de eletricidade, transporte, aquecimento e refrigeração, industriais e de agricultura/silvicultura/pesca de cada país.

Os 139 países - selecionados porque são países para os quais os dados estão publicamente disponíveis por meio da Agência Internacional de Energia - emitem em conjunto mais de 99% de todo o dióxido de carbono de origem humana do planeta.

"Os formuladores de políticas geralmente não querem comprometer-se a fazer algo a menos que haja alguma ciência razoável que possa mostrar que é possível, e é isso que estamos tentando fazer. Existem outros cenários. Não estamos dizendo que há apenas uma maneira de fazer isso, mas ter um cenário dá orientação às pessoas," disse o professor Mark Jacobson, da Universidade de Stanford, coordenador do trabalho. "Tanto os indivíduos como os governos podem liderar essa mudança."

Economia baseada em energia limpa

A transição para uma economia baseada em energia limpa pode significar um aumento líquido de mais de 24 milhões de empregos no longo prazo, uma diminuição anual de 4 a 7 milhões de mortes por poluição atmosférica por ano, a estabilização dos preços da energia e uma poupança anual de mais de US$ 20 trilhões em custos de saúde e ações de adaptação às mudanças climáticas.

Para cada uma das 139 nações, a equipe de 26 especialistas avaliou os recursos de energia renovável disponíveis, o número de geradores de energia eólica que poderiam ser instalados, a disponibilidade de fontes de água (rios e mares), a incidência de energia solar e a área em terrenos e telhados necessária para a instalação dos painéis solares.

"O que é diferente entre este estudo e outros que propuseram soluções é que estamos tentando examinar não só os benefícios climáticos da redução de carbono, mas também os benefícios de poluição do ar, benefícios de trabalho e benefícios de custo," disse Jacobson.

Benefícios de um mundo com energia limpa

Como resultado da transição para a energia limpa, o roteiro prevê uma série de benefícios diretos.

Por exemplo, ao eliminar o uso de petróleo, gás e urânio, a energia associada à mineração, transporte e refinação destes combustíveis também é eliminada, reduzindo a demanda internacional de energia em cerca de 13%. Como a eletricidade é mais eficiente do que a queima de combustíveis fósseis, a demanda deve diminuir 23%.

As mudanças na infraestrutura também significariam que os países não precisariam depender uns dos outros para combustíveis fósseis, reduzindo a frequência dos conflitos internacionais por questões de energia.

"Além de eliminar as emissões e evitar o aquecimento global de 1,5º C e começar o processo de deixar o dióxido de carbono ser drenado da atmosfera terrestre, a transição elimina de 4 a 7 milhões de mortes por poluição atmosférica a cada ano e cria mais de 24 milhões de empregos de tempo integral no longo prazo," disse Jacobson.

Bibliografia:

100% Clean and Renewable Wind, Water, and Sunlight All-Sector Energy Roadmaps for 139 Countries of the World
Mark Z. Jacobson, Mark A. Delucchi, Zack A.F. Bauer, Savannah C. Goodman, William E. Chapman, Mary A. Cameron, Cedric Bozonnat, Liat Chobadi, Hailey A. Clonts, Peter Enevoldsen, Jenny R. Erwin, Simone N. Fobi, Owen K. Goldstrom, Eleanor M. Hennessy, Jingyi Liu, Jonathan Lo, Clayton B. Meyer, Sean B. Morris, Kevin R. Moy, Patrick L. O'Neill, Ivalin Petkov, Stephanie Redfern, Robin Schucker, Michael A. Sontag, Jingfan Wang, Eric Weiner, Alexander S. Yachanin
Joule
DOI: 10.1016/j.joule.2017.07.005

Por que não sentimos a Terra girar?

A Terra gira em torno do seu eixo e tudo o que está em sua superfície gira junto com ela. Além disso, a atmosfera ao seu redor tem o mesmo movimento e também gira com ela. Então, por que não podemos sentir alguma coisa?

Por causa da Lei da Inércia!

O planeta Terra gira a uma velocidade constante de 1.675 km/h. Todos nós estamos girando com ele na mesma velocidade angular e na mesma direção. Assim como num avião em pleno voo, não somos empurrados para o fundo porque viajamos na mesma velocidade do veículo. Porém, na hora da decolagem e do pouso, sentimos uma força que nos empurra para trás e para a frente. Isso por que estamos em repouso em relação à aeronave, que muda de velocidade. Seria o mesmo se a Terra parasse: sairíamos todos voando, pois continuaríamos em movimento. 

1. Não é só a Terra que gira sem parar em uma velocidade angular constante. Toda a nossa galáxia, a Via Láctea, está rotacionando a cerca de 250 km por segundo. Apesar dos números, não sentimos nada porque nós, a Terra e todo o resto da galáxia estamos girando na mesma velocidade e direção.

2. A aceleração centrípeta causada pela rotação da Terra é de 0,03 m/s² no Equador e zero nos polos. Nós não sentimos essa aceleração porque ela é anulada pela gravidade, que é de 9,8 m/s². Se nosso planeta fosse uma esfera perfeita, com gravidade uniforme, essa aceleração seria suficiente para que pesássemos 0,3% menos no Equador do que nos polos.

3. Todos os dias, a velocidade de rotação diminui um pouquinho, fazendo com que o planeta demore mais para completar uma volta. Como resultado, o “dia” acaba durando dois milésimos de segundo a mais, todos os dias. Mas essa é uma mudança tão sutil que não a percebemos diretamente. O problema seria muito maior se o planeta parasse de girar de uma hora pra outra: tudo na superfície da Terra sairia voando a 465 m/s.

4. A rotação da Terra tem grande influência nas correntes marítimas e nos padrões climáticos. Em razão da Força inercial de Coriolis, as massas de ar não se movem em linha reta pelo globo, e sim por trajetórias curvas. É o padrão giratório gerado por esse efeito que cria os ciclones e os furacões que tanto tememos.

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