😆 ✋🏿 🚙 O ultra-capacitor da NASA tornou-se ... um medidor de umidade ♣️ 🏻 🛤️

Com a tecnologia, muito pode ir (e ir) não como gostaríamos. O Dr. Terry Rolin, analista de mau funcionamento de sistemas eletrônicos do Marshall Space Flight Center, sabe disso em primeira mão.

Seu trabalho é encontrar soluções para os problemas e, se ele não pode encontrá-los, começa a inventar. Quando Rolin e sua equipe foram instruídos a descobrir o que causou o fracasso de um grande sistema de bateria em 2011, ele os fez pensar na questão fundamental - podemos desenvolver uma melhor fonte de energia?

Com base na experiência da equipe em ciência dos materiais, Rolin e sua equipe começaram a trabalhar. Eles começaram a resolver o problema do zero, examinando as características ideais da fonte de energia e tentando encontrar materiais que atendessem a esses critérios melhor do que os tradicionais.

"Começamos a trabalhar com materiais sólidos para evitar líquidos e géis e evitar materiais tóxicos", explica Rollin. E, após alguns desenvolvimentos ultramodernos usando nanomateriais, ele diz que "conseguimos inventar um novo dispositivo, que chamamos de ultracapacitor".

Este novo ultracapacitor da NASA consiste em material sólido projetado para armazenar energia e é mais seguro do que as baterias feitas de líquidos e géis tóxicos. Durante os testes, ele mostrou incrível sensibilidade à umidade.

A nova invenção da equipe Rolin é representativa de uma nova classe de fontes de alimentação, representando um tipo de híbrido entre supercapacitores e baterias. Em particular, combina alta capacidade (capacidade de armazenar carga) com "características de descarga inerentes às baterias", ou seja, fornece energia constante ao longo do tempo. Sendo feito de material semicondutor, também é mais resistente a condições adversas, como mudanças de temperatura na sala, e mais seguro de fabricar e operar do que os sistemas de bateria tradicionais.

A criação acidental de um sensor de umidade semicondutor surpreendeu os engenheiros da NASA que trabalhavam em novas tecnologias de energia. Tentativas de encontrar um substituto para baterias feitas de materiais tóxicos levaram ao surgimento de um novo sensor de umidade que pode fornecer leituras sobre o nível de umidade dentro da geladeira ou nave espacial.

Rolin e sua equipe esperam que este material revolucionário tenha um grande futuro nos sistemas de energia espacial e comercial. Ao mesmo tempo, a peculiaridade das propriedades de seu material inovador abriu aplicações inesperadas.

Nos estágios iniciais dos testes, Rolin percebeu uma característica interessante que ele não conseguia explicar: "Um bom sistema de armazenamento de energia deve ter uma grande capacidade", diz ele. “Quando segurei o ultracapacitor na mão e o testei, a capacidade foi muito alta. Mas quando o coloquei na mesa e testei novamente, ele caiu acentuadamente. "

Inicialmente, os engenheiros acreditavam que a capacidade é influenciada pelo calor do corpo de Rolin e, portanto, realizaram testes em uma câmara térmica. A capacidade não mudou.

"Logo percebemos que era a umidade do ar expirado que causava essas grandes mudanças", explica Rolin. "Testamos em uma câmara de umidade e, é claro, vimos a enorme resposta do tanque a mudanças nos níveis de umidade".

O novo ultracapacitor de Rolin acabou por ser um elemento sensível à umidade dos semicondutores.

Mudança tecnológica

Os sensores de umidade medem a quantidade de umidade no ar, detectando alterações que afetam correntes elétricas ou temperatura. O ultracapacitor da NASA é extremamente sensível às mudanças de condições, detectando as menores mudanças. Além disso, ele se recuperou rapidamente, pois despejava facilmente a umidade da superfície coletada.

Para medir a taxa de reação, a equipe testou seu desempenho contra sensores de umidade comerciais e descobriu que era mais rápido. Segundo Rolin, depois de todos os testes de umidade que poderiam ter realizado na fábrica, eles precisavam de um parceiro no setor para realizar verificações mais extensas.

Ele procurou ajuda do Escritório de Transferência de Tecnologia em Marshall. O escritório anunciou essa tecnologia e a Roscid Technologies Inc., com sede em Woburn, Massachusetts, entrou em contato com a NASA. A empresa fornece à NASA equipamentos analíticos de alta qualidade para testar medições de gases de alta pureza. Roscid foi oferecido para testar a nova tecnologia porque a equipe estava intrigada. O trabalho conjunto no sensor de umidade tornou possível explorar uma nova tecnologia que, quando examinada pela primeira vez, parecia promissora.

"Pedimos ao Terry para enviar algumas amostras", explica Ken Murray, vice-presidente de desenvolvimento de novos negócios. "Inicialmente, tivemos a ideia de ver como o material é durável e quão bem ele funcionará em várias condições."

Os testes são realizados em "ambientes bastante desagradáveis", incluindo "produtos químicos terríveis, mudanças repentinas de temperatura e com um grande número de ciclos de trabalho". A empresa confirmou que o material recém-criado da NASA, além de suas principais vantagens, agregou valor.

O tamanho da superfície sensível necessária para capturar mudanças na umidade e na saída do sinal depende de vários fatores: o tipo de material sensível, o ambiente e a aplicação. A maioria dos sensores usa materiais de polímero ou cerâmica, que podem ter baixa sensibilidade, portanto devem ser grandes o suficiente.

O problema que todos os sensores existentes podem encontrar é o dano da umidade que eles medem. Com o tempo, os sensores absorvem líquido, o que leva à erosão do material sensível. Isso leva a uma distorção das leituras ou a uma parada completa do sensor. Nesse sentido, é necessário um monitoramento contínuo para garantir a precisão dos dados e substituir os blocos danificados. Isso significa que a maioria dos sensores tem vida curta, o que aumenta o custo de manutenção do sistema.

A umidade é um problema para a produção em muitas indústrias, incluindo produtos farmacêuticos, portanto, controlar os níveis de umidade é fundamental. Se o sensor falhar ou a calibração falhar, isso pode resultar em perda significativa. O novo sensor de umidade de semicondutores da NASA pode revolucionar a indústria com hardware mais robusto.

Murray descobriu que, para obter leituras consistentes e precisas, basta uma pequena quantidade de material novo da NASA, cerca de um centésimo de polegada. Para transformar esse sinal em dados significativos, a Roscid desenvolveu e aprimorou componentes eletrônicos compatíveis com o novo material.

"À medida que nos aprofundamos no sensor, queríamos levá-lo a um novo nível", diz Murray. “Cada vez que observamos que aprendemos algo novo, e Terry aprimorou levemente a tecnologia. O sensor se tornou um pouco mais confiável para as aplicações que estamos testando. ”

Roscid assinou duas licenças de avaliação com Marshall para ir além dos requisitos de teste da NASA. Quando Murray procurou novos clientes em potencial com amostras, ele disse que "a reação foi extremamente positiva". Portanto, a empresa assinou uma licença não exclusiva e, em 2019, começou a comercializar seu modelo de sensor de umidade CBNS215.

Benefícios

Esses sensores são necessários em ambientes onde a umidade deve ser controlada, seja para manter certas condições ou para impedir a entrada de umidade no produto. Além da manutenção de rotina e da substituição do sensor, os sistemas de controle de umidade enfrentam períodos de inatividade que exigem procedimentos de calibração caros. Roscid acredita que os sensores da NASA reduzirão significativamente essa carga. Murray cita a indústria farmacêutica como um exemplo.

"Após o processamento de cada lote de medicamentos, as empresas farmacêuticas precisam verificar os sensores quanto aos padrões de calibração para garantir que não estejam se desviando", diz ele. "Se algum dispositivo falhar, eles terão que retirar e refazer o último lote ou colocá-lo em quarentena".

Sensores confiáveis permitirão que as empresas aumentem os ciclos de calibração, o que terá um impacto significativo no resultado final.

Os sensores podem se desviar ou falhar após um "evento de umidade". A condensação no sensor pode ser pequena ou significativa, por exemplo, quando o sensor está imerso em qualquer líquido. À medida que o novo material vaza umidade, esses problemas podem ser coisa do passado.

"O material sensível da NASA é um projeto de semicondutor, não há necessidade de liberar nada", explica Murray.

Essa confiabilidade é uma característica essencial para aplicações de alta umidade e baixa temperatura, como resfriamento. À medida que a porta da geladeira se abre e fecha constantemente, a umidade e a temperatura mudam constantemente. Manter condições ideais sem monitoramento constante é extremamente difícil.

Um fabricante de refrigeradores domésticos de alta qualidade testa o sensor CBNS215 em uma bandeja de vegetais. O objetivo é manter a umidade do ar em 95% a 37 ° F. Até agora, a empresa não encontrou um único sensor que pudesse manter a umidade de maneira estável por um longo tempo.

"Existe um teste que esses caras realizam e é bastante complicado", diz Rolin. “Roscid realizou um teste semelhante por conta própria e, segundo eles, apenas nosso sensor conseguiu passar com sucesso. Isso é bem legal. "

Rolin gostaria de encontrar uma solução para um problema importante que permitiria que consumidores e empresas de gás economizassem milhões de dólares. Esse problema é a entrada de água na gasolina.

Murray acredita que um novo sensor pode ajudar. “Monitorar o nível de umidade nos tanques subterrâneos de armazenamento de gasolina pode reduzir a chance de entrada de água no seu carro”, explica ele. Os sensores também podem ser instalados nos tanques de combustível dos carros, alertando os motoristas sobre a entrada de umidade no sistema de suprimento de combustível.

As empresas de petróleo e gás também demonstraram interesse no CBNS215. Eles precisam de tecnologia que funcione em pontos de orvalho baixos e em temperaturas de até -70 graus Celsius. Os sensores de alumina atualmente em uso têm sérias limitações - longos tempos de resposta e longos tempos de secagem. Pode levar vários dias ou semanas antes que o sistema comece a funcionar após a exposição à umidade. Murray fez parceria com a indústria para garantir que o sensor da NASA será um substituto real.

A esterilização a frio, contêineres e caminhões de transporte refrigerados, bem como as companhias aéreas, são apenas alguns exemplos de indústrias interessadas em discutir a nova tecnologia de sensores e discuti-la com a Roscid.

"É especialmente útil para aeronaves militares ter um sensor de umidade que lê com precisão o nível do ponto de orvalho na atmosfera pela qual a aeronave voa", explica Murray. "Esta tarefa está sendo estudada."

Esta cópia da espaçonave SpaceX Crew Dragon está passando por testes do sistema de controle ambiental e suporte à vida da tripulação. Os sistemas de suporte à vida no espaço são complexos e delicados. O inovador material sensível à umidade em estado sólido desenvolvido pela NASA pode ajudar a detectar pequenos vazamentos nesses sistemas, pois é sensível às menores mudanças no ar, o que permite aos astronautas realizar os reparos necessários e evitar problemas sérios.

Essas diversas aplicações introduzem novas indústrias na tecnologia da NASA, e Murray presta homenagem à Agência Espacial por isso.

"Se a NASA diz que funciona, então funciona", diz ele. "A NASA é um ótimo parceiro, porque eles estão realmente comprometidos não apenas com seu trabalho, mas também com o processo de comercialização."

Rolin e sua equipe estão procurando aplicativos espaciais para se beneficiar dessa descoberta inesperada.

"Agora que sabemos que nosso novo material é sensível à umidade e que parece tolerar picos de temperatura, podemos colocá-lo com segurança em uma de nossas bancadas de teste", explica ele. "Se funcionar bem, a NASA terá um sensor que é possível graças a uma parceria com a Roscid".

O sensor está planejado para ser enviado ao espaço durante um voo experimental para o ISS associado aos materiais. Um voo bem-sucedido provará que o novo material pode ser usado em voos futuros.

Observando que a NASA usa sensores de umidade na estação espacial para sistemas de monitoramento ambiental e suporte à vida, Rolin introduziu um sensor em miniatura que ajudará a monitorar tudo, desde parar os astronautas respirando durante o sono até a detecção precoce de vazamentos perigosos no sistema.

Quanto ao uso de ultracapacitores, os resultados preliminares são promissores e ainda há muitos testes pela frente.

"Pode ser possível criar um sistema combinado que acumule energia e também sirva como sensor de umidade em foguetes e outras naves espaciais", diz Rolin.

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O ultra-capacitor da NASA tornou-se ... um medidor de umidade

Mudança tecnológica

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