Madeira metálica

Amostra da madeira metálica, forte, leve e flexível, e detalhe de sua estrutura microscópica. [Imagem: University of Pennsylvania]

Sim, já existe uma madeira mais dura que o aço e o titânio, mas James Pikul, da Universidade da Pensilvânia, nos EUA, queria inverter a equação.

Assim, ao invés de fabricar uma madeira que se parece com metal, ele fabricou um metal que se parece com madeira.

O resultado é igualmente promissor em termos de versatilidade e de aplicações práticas: uma folha de níquel com poros em nanoescala que tornam o material tão forte quanto o titânio, mas de quatro a cinco vezes mais leve.

Embora seja largamente usado na indústria aeroespacial e em materiais esportivos, as propriedades do titânio dependem da maneira como os átomos do metal são empilhados. Na prática, defeitos aleatórios que surgem no processo de fabricação significam que o metal atinge apenas uma fração da força que poderia teoricamente ter – o titânio é tão forte quanto o aço, mas cerca de duas vezes mais leve.

Trabalhando na escala dos átomos individuais, portanto, é possível construir novos materiais com proporções de força-peso ainda melhores. Um bloco de titânio no qual cada átomo estivesse perfeitamente alinhado com seus vizinhos seria dez vezes mais forte do que o que pode ser produzido atualmente.

Metal celular

Foi nisso que Pikul se inspirou, projetando estruturas porosas em nanoescala. O espaço vazio dos poros e o processo de automontagem com que são feitos tornam o metal poroso semelhante a um material natural – a madeira – e ganhe muito em força e leveza.

“A razão pela qual chamamos [este material] de madeira metálica não é apenas sua densidade, que é mais ou menos a mesma da madeira, mas sua natureza celular,” detalha Pikul. “Os materiais celulares são porosos; se você olhar para os grânulos da madeira, você verá partes que são grossas e densas e feitas para sustentar a estrutura, e partes que são porosas e feitas para suportar funções biológicas, como o transporte entre as células.”

A madeira metálica tem essa mesma estrutura, com áreas grossas e densas, com barras metálicas resistentes, e áreas porosas com lacunas de ar. As barras de suporte têm apenas 10 nanômetros de largura, o que equivale a cerca de 100 átomos de níquel, algo que não se pode ainda obter com impressoras 3D, por exemplo, que tipicamente imprimem com resolução na faixa das centenas de nanômetros.

Outra grande vantagem é que a madeira metálica se compara ao titânio, mas é feita de níquel, um metal bem mais barato.

A técnica de fabricação usa uma estrutura sacrificial de esferas de plástico, removidas no final com um solvente. [Imagem: University of Pennsylvania]

 

Fabricação da madeira metálica

O método desenvolvido por Pikul começa com minúsculas esferas de plástico, com algumas centenas de nanômetros de diâmetro, suspensas em água. Quando a água é lentamente evaporada, as esferas se assentam e ficam empilhadas como laranjas em uma caixa, fornecendo uma estrutura ordenada e cristalina.

Usando galvanoplastia, a mesma técnica que adiciona uma fina camada de cromo a peças de carros, as esferas de plástico recebem uma infiltração com níquel. Uma vez que o níquel se assenta entre os poros, as esferas de plástico são dissolvidas com um solvente, deixando uma rede aberta de suportes metálicos.

Como aproximadamente 70% do material resultante é espaço vazio, a densidade dessa madeira metálica feita de níquel é extremamente baixa em relação à sua resistência – com uma densidade igual à da água, um bloco de madeira metálica flutua da mesma forma que um bloco de madeira vegetal.

A equipe agora pretende escalonar sua técnica para a produção em larga escala, fornecendo uma alternativa mais barata, mais leve e mais forte do que o titânio metálico.

Bibliografia:

High strength metallic wood from nanostructured nickel inverse opal materials
James H. Pikul, Sezer Özerinç, Burigede Liu, Runyu Zhang, Paul V. Braun, Vikram S. Deshpande, William P. King
Nature Scientific Reports
Vol.: 9, Article number: 719
DOI: 10.1038/s41598-018-36901-3

Fonte: Site Inovação Tecnologica

Revestimento de ar fará navios deslizarem pela água mais facilmente

Lubrificação passiva a ar

Há tempos os navios tentam ficar mais verdes, e uma das principais ideias é criar uma espécie de “colchão de ar” entre o navio e a água para eliminar o atrito.

É esta ideia que engenheiros do Centro Fraunhofer de Logística e Serviços Marítimos, na Alemanha, pretende testar na prática por meio do projeto Aircoat, sigla em inglês para revestimento para redução da fricção em navios induzida por ar. Para facilitar a adoção desse mecanismo de lubrificação passiva a ar, a equipe pretende fabricar folhas autoadesivas que possam ser fixadas no casco dos navios.

O segredo da tecnologia está na microestrutura desse revestimento, que irá criar uma fina camada de ar entre o navio e a água, reduzindo significativamente a resistência ao atrito. Como resultado, o consumo de combustível e a emissão de gases de escape do navio serão reduzidas consideravelmente. O revestimento de ar reduzirá ainda a emissão de ruído e impedirá que organismos marinhos se instalem no casco, os chamados incrustantes.

Efeito salvínia

Este método de revestimento de ar inovador é uma aplicação biônica, ou seja modelada com inspiração na natureza. A técnica é baseada no chamado efeito salvínia, descoberto conjuntamente pelo botânico Wilhelm Barthlott, da Universidade de Bonn, e pelo professor Thomas Schimmel, do Instituto de Tecnologia Karlsruhe, ambos na Alemanha.

O efeito permite que certas plantas, como a samambaia flutuante (Salvinia molesta), respirem debaixo d’água – a Salvinia molesta é uma planta nativa do sudeste do Brasil. Essas plantas retêm uma fina camada de ar na superfície de suas folhas, que é coberta por estruturas semelhantes a pêlos e é altamente repelente à água.

A superfície altamente repelente da samambaia flutuante (Salvinia molesta) serviu como modelo da tecnologia que promete navios mais verdes e mais rápidos. [Imagem: Schimmel Team/KIT]

A ideia do projeto Aircoat é implementar tecnologicamente esse efeito de manter camadas de ar em superfícies embaixo d’água em um sistema sintético, que possa ser fabricado industrialmente em larga escala. “Nós desenvolvemos um método para produzir uma superfície artificial que imita o efeito no laboratório. Um protótipo inicial que foi colocado debaixo d’água há mais de cinco anos ainda está coberto por uma camada permanente de ar,” contou o professor Schimmel.

A equipe está se dedicando agora a otimizar a tecnologia e estudar as propriedades da superfície experimental e numericamente. A seguir, eles planejam demonstrar a eficiência e a viabilidade industrial e a aplicação do revestimento em navios de pesquisa e em navios porta-contêineres. A intenção é ter um produto comercial dentro de três anos.

Fonte: Redação do Site Inovação Tecnológica -  02/07/2018

Madeira superdura supera o aço e iguala titânio

Redação do Site Inovação Tecnológica –  08/02/2018

A madeira tratada é 12 vezes mais forte e 10 vezes mais dura do que a madeira natural original.[Imagem: Universidade de Maryland]

Supermadeira

Estes engenheiros da Universidade de Maryland, nos EUA, não estão rindo à toa.

Eles descobriram uma maneira de tornar a madeira mais de 10 vezes mais forte e mais resistente, criando uma substância natural que é mais forte do que o aço e até do que muitas ligas de titânio.

A madeira tratada com uma técnica simples em duas etapas é forte e resistente, uma combinação que não é geralmente encontrada na natureza – ela é tão forte como o aço, mas seis vezes mais leve.

É preciso 10 vezes mais energia para fraturar a supermadeira do que a madeira natural original, antes do tratamento – em termos técnicos, ela tem 10 vezes mais tenacidade, que é a resistência à tensão mecânica. Além disso, a madeira em lâminas pode ser dobrada e moldada no início do processo.

“Esta nova maneira de tratar a madeira torna-a 12 vezes mais forte do que a madeira natural e 10 vezes mais dura,” acentuou o professor Liangbing Hu. “Isso pode ser um concorrente para o aço ou até mesmo para ligas de titânio [porque] ela é tão forte e durável [quanto esse metais]. Também é comparável à fibra de carbono, mas muito mais barata.”

Como deixar a madeira superdura

“Nosso processo de duas etapas envolve a remoção parcial da lignina e da hemicelulose da madeira natural através de um processo de ebulição em uma mistura aquosa de NaOH [soda cáustica] e Na₂SO₃ [sulfito de sódio], seguida de prensagem a quente, levando ao colapso total das paredes celulares e à densificação completa da madeira natural, com as nanofibras de celulose [ficando] altamente alinhadas.

“Demonstramos que esta estratégia é universalmente eficaz para várias espécies de madeira. Nossa madeira processada tem uma força específica maior do que a maioria dos metais e ligas estruturais, tornando-se uma alternativa leve, de alto desempenho e de baixo custo,” explicaram Jianwei Song e seus colegas.

Os testes da supermadeira incluíram disparar sobre ela projéteis semelhantes a balas de armas de fogo. O projétil passou direto através da madeira natural, mas ficou encrustado na madeira tratada – ou seja, é essencialmente uma madeira à prova de balas.

Aplicações da supermadeira

Além de um substituto para o aço e algumas ligas, a madeira superforte poderá também aliviar a pressão para o cultivo e extração de madeiras mais nobres e mais duráveis.

“Madeiras macias, como o pinho ou a balsa, que crescem rapidamente e são mais amigáveis com o meio ambiente, poderão substituir bosques mais lentos, mas mais densos, como a teca, em móveis ou edifícios,” disse Hu.

“Esse tipo de madeira poderia ser usado em carros, aviões, edifícios – qualquer aplicação onde o aço é usado,” finalizou.

Bibliografia:

Processing bulk natural wood into a high-performance structural material
Jianwei Song, Chaoji Chen, Shuze Zhu, Mingwei Zhu, Jiaqi Dai, Upamanyu Ray, Yiju Li, Yudi Kuang, Yongfeng Li, Nelson Quispe, Yonggang Yao, Amy Gong, Ulrich H. Leiste, Hugh A. Bruck, J. Y. Zhu, Azhar Vellore, Heng Li, Marilyn L. Minus, Zheng Jia, Ashlie Martini, Teng Li, Liangbing Hu
Nature
Vol.: 554, pages 224-228
DOI: 10.1038/nature25476

Fonte: Site Inovação Tecnológica

Robô navega sem motor e sem bateria

Redação do Site Inovação Tecnológica –  01/06/2018

Este robô rema embaixo d’água sem precisar de bateria e motor.[Imagem: Tian Chen/Osama R. Bilal/Caltech]

Robô sem motor

Este robô subaquático move-se sem precisar de usar um motor, o que significa que ele também não precisa de baterias ou combustível.

Em vez disso, ele rema usando a deformação do próprio material com que é feito, deformação esta que é induzida por mudanças de temperatura.

“[Nosso protótipo] mostra que podemos usar materiais estruturados que deformam em resposta a sinais do ambiente para controlar e impulsionar robôs,” disse o professor Chiara Daraio, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos EUA, que desenvolveu o robô em colaboração com colegas do Instituto ETH de Zurique, na Suíça.

“Combinando movimentos individuais simples, nós fomos capazes de incorporar uma programação no material para realizar uma sequência de comportamentos complexos,” acrescentou o pesquisador Osama Bilal.

Músculos artificiais autônomos

O novo sistema de propulsão se baseia em tiras de um polímero flexível que fica enrolado quando frio e se estende quando aquecido. O polímero é posicionado para ativar um interruptor dentro do corpo do robô, que por sua vez é preso a uma pá, posicionada como o remo de um barco.

O interruptor é feito de um elemento biestável, um componente que pode ser estável em duas geometrias distintas. Neste caso, ele é construído com tiras de um material elástico que, quando empurrado pelo polímero, alterna de uma posição para a outra. Quando o robô frio é colocado em água quente, o polímero se estica, ativa o interruptor e a liberação súbita de energia resultante movimenta o remo, empurrando o robô para a frente.

As tiras de polímero também podem ser ajustadas para dar respostas específicas em momentos diferentes: isto é, uma tira mais espessa levará mais tempo para se aquecer, esticar e, finalmente, ativar a sua pá do que uma tira mais fina. Essa capacidade permite construir robôs capazes de girar e se mover em diferentes velocidades.

Bibliografia:

Harnessing bistability for directional propulsion of soft, untethered robots
Tian Chen, Osama R. Bilal, Kristina Shea, Chiara Daraio
Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI: 10.1073/pnas.1800386115

Fonte: Site Inovação Tecnológica

Navios terão aço do casco substituído por fibras

O uso de materiais compósitos é essencial para viabilizar 
novas tecnologias na indústria naval, como os navios-vela 
e os navios anti-ondas.[Imagem: LADE AS]

Navios sem aço

O projeto europeu FibreShip está com tudo pronto para começar a projetar e construir o primeiro navio de grande porte com um casco feito inteiramente de materiais compósitos, dispensando o tradicional aço.

O objetivo é tornar mais leves os navios comerciais de grande porte – navios com mais de 50 metros de comprimento.

O casco deverá ser feito inteiramente de polímeros reforçados com fibras – os chamados materiais compósitos, como os já utilizados em carros de competição, artigos esportivos e também nos barcos menores.

O projeto, financiado pelo Programa Horizontes 2020, da União Europeia, envolve 18 entidades de 11 países, incluindo universidades, institutos de pesquisa e empresas privadas.

Navios de fibra

Embora a maior parte dos barcos e navios de pequeno porte – como iates de lazer – já sejam construídos de fibra, o objetivo do projeto é permitir a fabricação de navios maiores e, de forma mais geral, viabilizar a adoção em larga escala dos materiais compósitos na indústria de construção naval.

Entre os potenciais benefícios do uso de materiais compósitos nos navios, a equipe espera obter uma redução de até 30% no peso dos navios, redução do consumo de combustível entre 10% e 15%, aumento do índice de reciclagem dos atuais 34% das estruturas de aço para 75%, uma redução substancial da emissão de gases de efeito estufa, menor poluição sonora e um aumento da capacidade de carga em cerca de 12%.

“O projeto irá criar os conhecimentos e as ferramentas para a construção de grandes navios comerciais de compósitos, com mais de 50 metros de comprimento, tanto para a navegação marítima quanto interior, superando os desafios e os hiatos tecnológicos atualmente existentes na construção naval convencional,” disse o professor Anthony Comer, um dos coordenadores do FibreShip.

Fonte: Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/08/2017

Navios sem tripulação na próxima década?

O custo de fabricação e os custos operacionais dos navios sem tripulação prometem ser menores do que os navios com marinheiros. [Imagem: Rolls Royce/Divulgação]

Navios autônomos

Os carros sem motoristas andam muito em moda, mas muitos especialistas argumentam que eles logo farão companhia na história aos carros voadores, que nunca decolaram. Isto porque os primeiros testes, apresentados inicialmente como êxito integral, dependem de uma preparação prévia ainda muito distante da praticidade – por exemplo, uma filmagem detalhada de toda a via e a programação de trajetos precisos, sem contar o cuidado para que as condições iniciais não sofram alterações.

Mas talvez o problema não seja tão complicado com os navios, que poderão se tornar “sem comandantes” da mesma forma que os aviões praticamente se tornaram “sem pilotos”. Engenheiros do projeto europeu MUNIN (Maritime Unmanned Navigation through Intelligence in Networks) acreditam que navios sem tripulação são mais factíveis porque as rotas marinhas são muito mais livres e menos sujeitas a mudanças do que as ruas de uma cidade. Por isso eles trabalham com uma agenda para que os primeiros navios de 200 metros de comprimento rodem autonomamente pelos mares na próxima década.

Autonomia por meio-período

São oito parceiros da indústria e da academia trabalhando em conjunto para recriar todos os sistemas necessários ao navio de forma que eles funcionem sem intervenção humana.Na verdade, sem intervenção humana no próprio navio, já que o sistema, para ser confiável e seguro, depende por hora de uma conexão de banda larga de 4 Mbits.

“Não há muitos dispostos a acreditar, mas se os parceiros do projeto conseguirem superar os desafios nos quais estamos trabalhando, navios como estes poderão na verdade ser mais seguros do que muitos dos que estão no alto mar hoje,” disse Ornulf Rodseth, coordenador do projeto. “O erro humano, no todo ou em parte, é a causa de mais de 75% dos acidentes com embarcações hoje.”

Os primeiros dados indicam que os navios sem tripulação poderão viajar mais lentamente, economizando até 50% de combustível. Rodseth afirma que a adoção dos navios autônomos deverá ser gradual, com as tripulações podendo ir dormir à noite, por exemplo, deixando a embarcação navegar de forma autônoma por meio-período.

Fonte: Site Inovação Tecnológica

Exoesqueleto dá força sobre-humana a trabalhadores de estaleiro

[Imagem: Daewoo]

 

Operário biomecatrônico

Os trabalhadores que vão construir um dos maiores navios do mundo vão contar com a ajuda de exoesqueletos robóticos que os permitirão carregar peças de até 100 quilogramas (kg) como se elas não pesassem nada. O exoesqueleto se encaixa em qualquer pessoa entre 1,60 e 1,85 metro de altura.

Os trabalhadores não sentem o peso da armação de 28 kg de fibra de carbono, ligas de alumínio e aço, uma vez que a estrutura se autossustenta e foi projetada para seguir os movimentos do trabalhador por meio de sensores. As baterias dão ao exoesqueleto uma autonomia de 3 horas.

Quadros especiais projetados para tarefas específicas podem ser anexados à mochila, algumas passando sobre a cabeça ou os ombros do trabalhador, como no caso do pequeno guindaste mostrado na imagem.

Além de aumentar a capacidade de elevação de carga, o traje robótico ajuda os trabalhadores a manipular componentes pesados com precisão, já que as manobras são feitas como se eles estivessem manuseando um objeto virtualmente sem peso.

Super Operário

No estaleiro, que está sendo montado na Coreia do Sul, alguns trabalhadores já podem ser vistos vestidos com a roupa robótica, que está em fase final de testes, conduzidos pela Daewoo Shipbuilding and Marine Engineering.

A empresa, um dos maiores construtores navais do mundo, afirma querer dar um salto tecnológico na sua linha de produção dando uma “força sobre-humana” aos seus trabalhadores.

A equipe está trabalhando para melhorar os protótipos para que eles possam entrar em uso regular no estaleiro, onde robôs industriais já executam uma grande parte de um sistema de montagem que é extremamente complexo.

Gilwhoan Chu, engenheiro-chefe do projeto, afirma que o teste piloto mostrou que o exoesqueleto de fato ajuda os trabalhadores a executar suas tarefas – o protótipo só podia levantar 30 kg.

Fonte: Site Inovação Tecnológica