200 km de cabos supercondutores fabricados para o ITER (200km of superconducting cables manufactured for ITER)

200 km de cabos supercondutores foram fabricados para formar os magnetos do maior reator ITER de fusão do mundo.

Os cabos são a maior aquisição na história industrial dos supercondutores. O ITER já recebeu 70% dos supercondutores, o que levou sete anos para a fabricação.

      China, Europa, Japão, Coreia, Rússia e os Estados Unidos foram responsáveis ​​pela produção dos supercondutores, que serão usados ​​para fazer os ímãs que irão moldar e controlar o plasma dentro da câmara de vácuo.

      “Temos injetado dinheiro em empresas e laboratórios industriais em todo o mundo, que agora ganharam experiência inestimável que pode ser aplicada em outras áreas críticas, como a imagem médica por ressonância, energia e transporte”, disse Bernard Bigot, diretor-geral do ITER. “Tecnologicamente, nós usamos a mais recente ciência de materiais, empurrando a produção para níveis sem precedentes”.

      Sem supercondutores, a fusão nuclear não seria possível. Supercondutores consomem menos energia e são mais baratos de operar do que ímãs convencionais, também suportam correntes mais altas e produzem campos magnéticos mais fortes.

      Os sistemas de magnetos supercondutores do ITER, com uma combinada energia magnética armazenada de 51GJ, irá produzir os campos magnéticos que iniciará, confinará, formará e controlará o plasma a temperaturas de 170 milhões °C.

      Os supercondutores são feitos de fios de nióbio-estanho (Nb₃Sn) e serão montados juntos e contidos em um revestimento de aço estrutural.

      A próxima etapa na fabricação de ímãs do ITER é a integração dos supercondutores com os conjuntos de bobina finais.

      “É inspirador ver os condutores do ITER como uma realidade depois de um programa de desenvolvimento que remonta mais de 30 anos, com parceiros que trabalham como uma equipe para dominar as complexas tecnologias envolvidas”, disse Neil Mitchell, que liderou o desenvolvimento dos condutores do ITER desde 1992.

Fonte: http://eandt.theiet.org/news/2015/sep/iter-superconducting-magnets.cfm

Uma pequena e eficiente planta de fusão (A small, modular, efficient fusion plant)

Uma vista do reator ARC. Graças a poderosa nova tecnologia do ímã, o (muito menor) reator ARC é mais barato e deverá entregar a mesma potência de um reator muito maior. Ilustração: MIT ARC

       É uma velha piada que muitos cientistas de fusão estão cansados de ouvir: usinas práticas de fusão nuclear estão há apenas 30 anos de distância - e sempre estarão.

       Mas agora, finalmente, a piada já não pode ser verdade: avanços na tecnologia de ímã permitiram pesquisadores do MIT propor um novo e compacto reator de fusão Tokamak - e é algo que pode ser feito em menos de uma década, dizem eles. A era da energia de fusão que pode oferecer uma fonte quase inesgotável de energia, pode estar chegando perto.

       Os pesquisadores usaram fitas supercondutoras com materiais de alta temperatura crítica disponíveis comercialmente, a fim de produzir bobinas capazes de gerar altos campos magnéticos.

       O campo magnético mais forte faz com que seja possível produzir o confinamento magnético do plasma superquente - isto é, o material de uma reação de fusão - mas num dispositivo muito menor do que os anteriormente imaginados. A redução no tamanho, por sua vez, faz todo o sistema mais barato e mais rápido de construir, e também permite algumas novas funcionalidades engenhosas no projeto da usina.

Usina protótipo

O novo reator é projetado para a pesquisa básica sobre fusão e também como uma usina protótipo que poderia produzir energia significativa. O conceito básico do reator e seus elementos associados são baseados em princípios bem testados e comprovados, desenvolvidos ao longo de décadas de pesquisa no MIT e em todo o mundo, diz a equipe.

       “O campo magnético muito maior”, diz Brandon Sörbom, “permite atingir um desempenho muito maior”.

       Fusão é a mesma reação nuclear que alimenta o sol, onde pares de átomos de hidrogênio formam o gás hélio resultando em enormes liberações de energia. A parte mais difícil é confinar o plasma superquente - uma forma de gás eletricamente carregado - enquanto se aquece a temperaturas mais altas do que os núcleos de estrelas. Este é o lugar onde os campos magnéticos são tão importantes, eles efetivamente prender o calor e as partículas no centro quente do dispositivo.

       Enquanto a maioria das características de um sistema tende a variar proporcionalmente às mudanças nas dimensões, o efeito das variações no campo magnético em reações de fusão é muito mais extremo: o ​​aumento na capacidade da fusão varia de acordo com a quarta potência do aumento no campo magnético. Assim, a duplicação do campo iria produzir um aumento de 16 vezes na potência da fusão. “Qualquer aumento do campo magnético resulta em uma grande vitória”, diz Sörbom.

Dez vezes mais capacidade

       Enquanto os novos supercondutores não produzem a duplicação da intensidade do campo, eles são fortes o suficiente para aumentar o poder de fusão por um fator de 10 comparado à tecnologia de supercondutores padrão, diz Sörbom. Esta melhoria dramática leva a um grande potencial de melhorias no reator.

       O mais poderoso reator de fusão é o ITER que está em construção na França, deverá custar cerca de US $ 40 bilhões. Sörbom e a equipe do MIT estimam que o novo projeto com metade do diâmetro do ITER (concebido antes dos novos supercondutores tornarem-se disponível), teria a mesma capacidade com uma fração do custo e em um tempo de construção mais curto.

       Mas, apesar da diferença de tamanho e força do campo magnético, o reator proposto, chamado ARC, é baseado “exatamente na mesma física”, como o ITER, afirma Dennis Whyte, professor de engenharia nuclear. “Nós não estamos extrapolando nenhum regime novinho em folha”, acrescenta.

       Outro avanço chave no novo design é um método para a remoção do núcleo energético de fusão a partir do reator em forma de anel, sem ter de desmontar o dispositivo inteiro. Isso faz com que seja adequado para a investigação que visa melhorar ainda mais o sistema usando diferentes materiais ou modelos para ajustar o desempenho.

       Além disso, assim como no ITER, os novos ímãs supercondutores permitiriam ao reator operar de maneira sustentada, produzindo uma saída de potência constante, ao contrário dos reatores experimentais atuais, que só podem funcionar durante alguns segundos de cada vez, sem sobreaquecimento nas bobinas de cobre.

Proteção líquida

Outra vantagem importante é que a maioria dos materiais sólidos de cobertura utilizados para rodear a câmara de fusão em tais reatores são substituídos por um material líquido que pode ser facilmente distribuído e substituído, eliminando a necessidade de procedimentos dispendiosos de substituição como os materiais que degradam ao longo do tempo.

       “É um ambiente extremamente severo para materiais sólidos”, diz Whyte, então substituir os materiais com um líquido poderia ser uma grande vantagem.

       Agora, como projetado, o reator deve ser capaz de produzir cerca de três vezes mais eletricidade do que é necessário para mantê-lo funcionando, mas o projeto provavelmente poderia ser melhorado para aumentar essa proporção para cerca de cinco ou seis vezes, diz Sörbom. Até agora, nenhum reator de fusão produziu tanta energia quanto ele consome, de modo que este tipo de produção de energia líquida seria um grande avanço na tecnologia da fusão, diz a equipe.

       O projeto poderia produzir um reator que iria fornecer eletricidade para cerca de 100.000 pessoas, dizem eles. Aparelhos de complexidade e dimensões semelhantes serão construídos dentro de cerca de cinco anos, dizem eles.

       “A energia de fusão será a fonte de energia elétrica mais importante da Terra no século 22, mas precisamos disso muito mais cedo para evitar o catastrófico aquecimento global”, diz David Kingham, CEO da Tokamak Energy do Reino Unido, que não estava relacionada com esta pesquisa. “Este trabalho mostra uma boa maneira de fazer progressos mais rápidos”, diz ele.

       Sobre a pesquisa do MIT, Kingham diz: “O trabalho é de qualidade excepcional. O próximo passo seria refinar o projeto e trabalhar mais detalhes de engenharia, mas o trabalho já deve chamar a atenção dos políticos, filantropos e investidores privados”.

Fonte: http://news.mit.edu/2015/small-modular-efficient-fusion-plant-0810

Cientistas do CERN testam supercondutores para proteger os astronautas dos raios cósmicos (CERN Scientists Test Superconducting Magnetic Shields To Protect Astronauts From Cosmic Rays)

Cientistas do CERN estão testando uma ideia para equipar futuras naves espaciais com um campo de força Star Trek, para proteger os astronautas de raios cósmicos. Foto: Terry Virts trabalha fora da Estação Espacial Internacional (ISS) em sua terceira viagem espacial. Fonte: NASA via Getty Images

       O espaço é um lugar frio, escuro e cheio de radiação que pode, literalmente, fritar seu cérebro se você for temerário o suficiente para aventurar-se sem a proteção adequada. Esta é uma das principais preocupações das agências espaciais, incluindo a NASA, que está planejando lançar missões tripuladas a Marte e além nas próximas décadas.

       Os cientistas do CERN estão trabalhando em uma ideia para equipar futuras naves espaciais com um campo de força que irá protegê-los dos raios cósmicos mortais. Os raios cósmicos são feitos de partículas eletricamente carregadas de alta velocidade emergentes de todas as direções no espaço. Estudos recentes em ratos mostraram que a exposição a esses raios pode causar danos cerebrais e deteriorar a função cognitiva.

       A vida na Terra é protegida contra estes raios pela magnetosfera do planeta, que atua como um cobertor, bloqueando a radiação nociva. No entanto, os astronautas que se aventuram além do campo magnético do planeta - a Marte, por exemplo, - serão continuamente bombardeados com raios cósmicos de alta energia que pode, além de danos ao cérebro, provocar um aumento significativo na probabilidade de vários tipos de cânceres.

       Como resultado, missões de exploração a outros planetas só serão possíveis se for encontrada uma solução eficaz para os astronautas se protegerem adequadamente.

       Em um comunicado divulgado recentemente, uma equipe de cientistas do CERN que trabalha com o projeto Space Radiation Superconducting Shield (SR2S), um esforço colaborativo financiado pela União Europeia, divulgaram que estão testando se bobinas supercondutoras feitas a partir de diboreto de magnésio (MgB₂) - um composto binário de baixo custo - pode ser usado para criar uma tecnologia de blindagem magnética para naves espaciais.

       “No âmbito deste projeto, o CERN está testando fitas de diboreto de magnésio (MgB₂) em uma configuração que foi desenvolvida especificamente para o projeto SR2S”, disse a cientista do CERN Amalia Ballarino no comunicado. “Se a bobina protótipo que será usada no teste produzir resultados bem sucedidos, vamos ter contribuído com informações importantes para a viabilidade do escudo magnético supercondutor”.

       Uma vez que supercondutores podem conduzir eletricidade com resistência zero, eles podem transportar corrente indefinidamente sem perder energia. Além disso, como todas as partículas carregadas em movimento geram um campo magnético, este fenômeno pode ser utilizado para criar uma cobertura de magnetosfera artificial em torno de uma nave espacial que proteja de radiação nociva aqueles que estão a bordo.

       A má notícia é que, ao contrário do USS Enterprise, esses campos de força não serão de muita utilidade contra um ataque concertado por alienígenas hostis.

Fonte: http://www.ibtimes.com/cern-scientists-test-superconducting-magnetic-shields-protect-astronauts-cosmic-rays-2041505

Saiba como funciona o Lexus Hoverboard explicação e demonstração

 

O Lexus Hoverboard foi finalmente revelado com um vídeo mostrando o que pode ser feito com ele, dentro do parque magnetizado especialmente projetado para o Lexus Hoverboard, basicamente, você consegue fazer quase tudo que um skate faz.

       O Lexus Hoverboard foi construído usando um núcleo isolado, contendo blocos de supercondutores de alta temperatura (HTSL).

       Os HTSLs são então fixados em sistemas criogênicos que são constituídos por reservatórios de nitrogênio líquido que resfria os supercondutores a -197 °C. A prancha pode, então, ser utilizada acima de uma faixa contendo magnetos permanentes.

A Lexus explica mais:

       “A prancha é construída a partir de um núcleo isolado, contendo HTSLs (blocos de supercondutores de alta temperatura). Estes estão alojados em criostatos, reservatórios de nitrogênio líquido que resfriam os supercondutores a -197 °C. A placa é então colocada acima de uma faixa contendo ímãs permanentes. Quando a placa é resfriada a sua temperatura de funcionamento, linhas de fluxo magnético da pista ficam ‘presas’ no lugar, mantendo a altura do Hoverboard”.

O nitrogênio líquido preenche o criostato embutido com blocos supercondutores. Em baixo na pista, o campo magnético dos ímãs permanentes são repelidos e aprisionados nos supercondutores, o que faz a prancha flutuar.

       Para obter mais informações sobre o novo Lexus Hoverboard visite o site da Lexus para conferir a história completa e ver mais imagens e vídeos.

Fonte1: http://www.teciber.com/tech/hardware/saiba-como-funciona-o-lexus-hoverboard-explicacao-e-demonstracao/

Fonte2: http://www.lexus-int.com/amazinginmotion/slide/

A supercondutividade e os aceleradores de partículas

Por Flora Balieiro e Tárcio Fabrício

Muitas das descobertas sobre o misterioso mundo subatômico seriam inviáveis sem a existência dos supercondutores

Foi Demócrito o primeiro a dizer que os materiais eram constituídos de partículas minúsculas. A essas partículas o filósofo deu o nome de átomos. O termo vem do grego e significa “aquilo que não pode ser dividido em pedaços”, um termo bastante plausível para a ideia de átomo que existia na época. Os conhecimentos sobre o átomo mudaram desde então e, muito embora o termo cunhado por Demócrito não tenha caído em desuso, a fissão nuclear mostrou que era possível dividir o que antes era indivisível.

Partículas ainda menores que os prótons, nêutrons e elétrons foram descobertas e, a partir da década de 1950, com a construção dos primeiros aceleradores de partículas, iniciou-se uma corrida em busca das chamadas partículas elementares, sendo algumas delas de difícil detecção e de existência extremamente efêmera – em alguns casos, menos de um bilionésimo de segundo.

Genericamente falando, aceleradores de partículas são equipamentos que fornecem energia a partículas subatômicas eletricamente carregadas, fazendo com que elas atinjam altas velocidades. Nesses aceleradores, as partículas são dispostas em feixes, possibilitando que atinjam velocidades próximas à da luz! Esse tipo de acelerador normalmente é usado para se conhecer melhor as partículas subatômicas por meio de colisões entre elas.

Nemitala Added, do Departamento de Física Nuclear da Universidade de São Paulo (USP), explica que os trabalhos na área de Física Nuclear, tanto básica quanto aplicada, lidam com colisões nucleares para investigar a estrutura nuclear ou para o desenvolvimento de estudos interdisciplinares. “Analogamente a um jogo de bilhar, a colisão nuclear seria representada pelo choque entre as bolas e o taco teria a função de dar energia (acelerar) a uma das bolas em direção à outra”, ilustra o pesquisador.

Dentro dessa classe de aceleradores, podemos distinguir dois tipos básicos: os aceleradores lineares e os aceleradores circulares. Nos aceleradores lineares, as partículas percorrem rotas retilíneas no vácuo – em extensos tubos de cobre – antes de colidirem com o alvo, onde existem detectores específicos para registrar as partículas e a radiação que são liberadas durante a colisão.

Os aceleradores lineares utilizam eletroímãs para manter as partículas em um feixe estreito, já que, por terem carga elétrica de mesma natureza, elas tendem a se repelir.

Seção retilínea do LHC: Duas seções dessas são responsáveis por acelerar o feixe de partículas enquanto os 27 km curvos restantes servem somente para redirecionar o feixe (Foto Denis Damazio).

Mas onde é que entram os supercondutores nessa história? Bem, alguns tipos de acelerador exigem a utilização de campos magnéticos fortíssimos para funcionar, o que seria praticamente impossível de conseguir sem a utilização de bobinas supercondutoras.

Um exemplo desses aceleradores, do tipo Linac, está instalado no Instituto de Física da Universidade de São Paulo. O Linac é um tipo de acelerador linear que utiliza radiofrequência para transferir energia ao feixe de partículas a ser estudado. “No Linac são utilizados ressoadores supercondutores para otimizar a produção de campos elétricos com valores acima de 5 ou 6 MV/m usando uma potência de radiofrequência baixa, tipicamente da ordem de alguns Watts”, comenta Added. No laboratório da USP são desenvolvidos diversos tipos de pesquisa, que vão desde o campo da Física Nuclear até Física Ambiental e Biologia Nuclear.

“Na pesquisa básica usamos reações nucleares para entender o processo de produção dos elementos disponíveis no Universo. Alguns experimentos nos permitem simular a nucleossíntese de elementos, levando a um melhor entendimento da evolução e surgimento do Universo. No campo da Física aplicada, as áreas de interesse são diversas, indo desde a investigação de elementos-traços em materiais até estudos relacionados a ambientes com muita radiação, como o aeroespacial”, acrescenta o pesquisador.

A dinâmica de colisões relacionada ao surgimento e evolução do Universo também é estudada nos laboratórios do CERN (Conselho Europeu para Pesquisa Nuclear), que comporta a maior máquina aceleradora de partículas que já foi construída: o LHC. Essa estrutura supercondutora de 27 km de extensão é um tipo de acelerador circular. Nos aceleradores circulares, o princípio de funcionamento é semelhante ao dos lineares, mas com a diferença de que o trajeto é curvo. Nesses aceleradores, o grupo de partículas é lançado em um percurso cíclico, sendo acelerado a cada volta antes de colidir.

        O LHC – sigla para Large Hadron Colidor – está instalado no subsolo a quase 100 metros da superfície e possui dimensões equivalentes a cinco jatos jumbo. Esse laboratório foi desenvolvido para recriar as condições que existiram frações de segundo após a grande explosão (Big Bang) que originou o Universo. Durante o Big Bang, diversas partículas foram criadas e, embora algumas delas ainda persistam – tais como prótons, neutrons e elétrons –, muitas outras, mais energéticas, já não existem em seu estado natural. Por meio da colisão interpartículas é possível produzir traços que podem nos levar à origem do Universo.

        Outros tipos de aceleradores não necessitam de supercondutores, como é o caso do acelerador de luz síncrotron localizado no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), em Campinas. Nesse tipo de acelerador as partículas utilizadas são os elétrons, que emitem radiação ao serem acelerados. O LNLS, diferentemente do LHC e do Linac, estuda essa radiação liberada, chamada luz síncrotron. Analisando o espectro emitido pelos elétrons, os cientistas podem inferir características atômicas e moleculares dos materiais estudados.

        No LHC, onde são necessárias colisões de alta energia, em vez de elétrons são acelerados prótons – partículas duas mil vezes mais pesadas e que emitem menos luz ao serem aceleradas. Essas colisões são capazes de gerar partículas mais pesadas, as quais remetem àquelas criadas durante o surgimento do Universo.

Supercondutores

        Fabiano Colauto, do Departamento de Física da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), explica que, sob altas velocidades em uma trajetória curva, as partículas sofrem a ação da força centrípeta. Para manter os prótons no anel de 27 km do LHC, são usados campos magnéticos muito intensos (duzentas mil vezes o campo da Terra) ao longo do caminho. Os campos magnéticos também fazem o papel de manter o feixe de partículas coeso, pois como elas têm a mesma carga elétrica, sem a atuação do campo elas se repeliriam.

 

Seção de um condutor em cobre - maior diâmetro - ao lado de um cabo supercondutor: ambos são capazes de suportar uma corrente de 13 mil Amperes necessárias à operação do LHC (Foto Denis Damazio).

Denis Damazio, pesquisador brasileiro que trabalha no ATLAS, um dos quatro detectores encontrados no CERN, explica que para criar um campo forte o bastante é necessário aplicar uma corrente elétrica muito intensa e, para isso, a utilização dos supercondutores é imprescindível. “No LHC a corrente aplicada é da ordem de 13 mil amperes. Um material comum não resistiria ao calor gerado pela passagem dessa corrente. Os prótons recebem campo elétrico em uma sessão retilínea curta, onde são acelerados, para em seguida o campo magnético gerado pelo supercondutor redirecionar as partícula. O que acontece é que o grupo de partículas passa por essa sessão reta 11 mil vezes por segundo, sendo aceleradas a cada volta. A grande vantagem dos materiais supercondutores é que eles não oferecem resistência à corrente elétrica e, por isso, não estão sujeitos ao superaquecimento.”

Os campos magnéticos gerados pelo supercondutor no CERN não são utilizados somente para permitir a colisão entre as partículas. No ATLAS, eles também permitem a identificação de cargas. “Como produtos da colisão de prótons são geradas diversas partículas. Uma delas, a partícula Z, logo após ser criada, emite um elétron e um pósitron. Para distinguir essas duas partículas emitidas são usados campos magnéticos gerados por supercondutores. Assim, ao passarem pelo campo, as partículas positivas (pósitrons) irão entortar sua trajetória para uma direção, enquanto as negativas (elétrons) irão na direção oposta”, comenta o pesquisador do ATLAS. “Observando a inclinação dessa trajetória, também é possível inferir a velocidade da partícula. Uma partícula muito rápida irá descrever uma trajetória praticamente reta, enquanto uma partícula mais lenta irá entortar sua trajetória”, acrescenta Damazio.

 

  

Painel mostrando a temperatura de um dos magnetos supercondutores na bancada de testes (1.9 K ou -271 ºC) no CERN (Foto DenisDamazio).

Segundo o pesquisador, o que encarece o uso de supercondutores é principalmente o custo do próprio material, embora mantê-lo nas temperaturas necessárias à supercondutividade também seja bastante caro. Os materiais utilizados nas bobinas normalmente tornam-se supercondutores à temperatura do hélio líquido. “Um litro de hélio, hoje, custa aproximadamente US$ 20. Existem formas de se recuperar o hélio utilizado para resfriar o sistema, mas nesse processo sempre existem perdas e, por isso, o material tem de ser reposto constantemente”, explica Fabiano Colauto, da UFSCar. Ainda assim, o uso de supercondutores no LHC foi a solução mais prática encontrada, tanto do ponto de vista técnico quanto do econômico.

Colauto esclarece que a escolha de bobinas supercondutoras em detrimento de bobinas construídas com condutores comuns depende de vários fatores. “Bobinas supercondutoras dependem de um sistema de resfriamento contínuo, mas são mais leves e compactas que as comuns”, exemplifica. “Cada material supercondutor tem suas próprias características; por isso, a escolha do material a ser utilizado também é consequência de um balanço, que deve levar em conta a temperatura de resfriamento, a corrente máxima (crítica) que ele suporta e o campo magnético máximo.” “No Linac, o material supercondutor escolhido para a região interna dos ressoadores foi o Nióbio, o mesmo utilizado no ATLAS. O fato do Brasil ser o maior produtor de Nióbio do mundo favoreceu a escolha”, conta o professor Added, da USP.

        Os cabos supercondutores do LHC são feitos de uma liga de Nióbio e Titânio (NbTi), um material que é estruturalmente favorável às necessidades mecânicas do acelerador e que mantém suas propriedades supercondutoras mesmo com a passagem de altas correntes elétricas. “As ligas metálicas são preferíveis aos materiais cerâmicos para a construção de bobinas supercondutoras, pois são mais maleáveis, enquanto supercondutores cerâmicos podem sofrer trincas com a constante variação de temperatura a que são submetidas as bobinas. Além disso, os supercondutores metálicos possuem propriedades diamagnéticas mais simples de serem estudadas e mais previsíveis que as encontradas nos materiais cerâmicos”, explica Colauto. “Mas a intenção no futuro é que os materiais cerâmicos substituam os materiais metálicos na construção de dispositivos supercondutores, já que a temperatura crítica para manifestar supercondutividade nos cerâmicos é mais alta. Assim, o nitrogênio líquido (77 K) poderá ser utilizado no lugar do hélio líquido (4,2 K), que é muito mais caro e de difícil obtenção”, conclui.

Por dentro do CERN

Diagrama do complexo de aceleradores do CERN: A linha destacada em laranja, marcada para Gran Sasso, foi responsável pela "descoberta" de neutrinos viajando acima da velocidade da luz (Foto Denis Damazio).

Fonte:http://www.clickciencia.ufscar.br/portal/edicao26/materia3_detalhe.php

Um receptor supercondutor para comunicação óptica a partir da Lua (A superconducting photon-counting receiver for optical communication from the Moon)

As explorações e missões da Nasa exigem taxas de dados maiores do que aquelas atualmente disponíveis. A Deep Space Network (Rede do Espaço Profundo) - um sistema de comunicação internacional para apoiar missões de naves espaciais - utiliza a tecnologia mais atual de rádio frequência (RF) para redes de espaço livre (aquelas que transmitem dados através do espaço em vez de usar estruturas sólidas como cabos de fibra óptica). Uma rede de comunicações de espaço livre com base na tecnologia óptica oferece taxas de dados que são ordens de grandeza maior do que a RF. Além disso, é menor e mais leve, uma característica particularmente importante para os terminais de satélite carentes de recursos de energia.

Para explorar estas vantagens, a Nasa vem trabalhando em demonstrações laboratoriais para um sistema real, o Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD). O projeto inclui um terminal óptico no espaço, o Lunar Lasercom Space Terminal (LLST)¹ (Figura 1), lançado como uma carga no Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (Ladee), e um terminal ​​de chão transportável, o Lunar Lasercom Ground Terminal (LLGT)².

O LLST lançado em 07 de setembro de 2013 atingiu 250 km em órbita acima da superfície lunar no início de outubro. Durante o mês seguinte, foram estabelecidas comunicações livres de erros entre o LLST e o LLGT. Este link de comunicação a laser de 230.000 km foi o mais longo já construído, e demonstrou as taxas de comunicação de dados mais altas atingidas de ou para a Lua. Além disso, o sistema utiliza símbolos de dados estruturados e hardware adicional para conseguir medições contínuas do tempo de voo de ida e volta com resolução bem menor do que 200 ps³.

  

Figura 1. (a) Módulo óptico do Lunar Lasercom Space Terminal. (b) Módulo óptico montado na nave espacial Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer.

A luz do LLST foi recolhida em quatro telescópios de 40 centímetros no terminal LLGT localizado no Novo México. Cada telescópio foi acoplado a uma fibra personalizada que mantém a polarização que foi então concentrada em um conjunto de quatro nanofios supercondutores de nitreto de nióbio (NbN) detectores de um único fóton (superconducting nanowire single-photon detectors - SNSPDs). Tais detectores são baseados em supercondutores que operam abaixo das suas temperaturas críticas com uma corrente constante logo abaixo da corrente crítica. Quando um único fóton é absorvido no nanofio, a corrente supercondutora é interrompida e resulta numa resistência finita que pode ser medida como um pulso de tensão na saída antes do nanofio relaxar rapidamente ao seu estado supercondutor. Os SNSPDs estão disponíveis desde 2001,⁴ mas para o programa LLCD, alguns avanços foram necessários para atingir a alta eficiência do sistema de detecção de fótons (PDE) e baixos tempos de reposição para suportar a taxa de dados de 622 Mb/s.⁵

A concepção e construção de cavidades ópticas também foi modificada para melhorar a absorção de fótons e o PDE,⁶ bem como a concepção de matrizes intercaladas para aumentar as taxas de contagem.⁷ Os dispositivos de nanofios foram fabricados usando a litografia por feixe de elétrons em filmes de NbN cultivados em substratos de silício/dióxido de silício. Os nanofios formaram um padrão circular de 14 μm de diâmetro, com quatro nanofios intercalados, que foram colocados em uma cavidade óptica (veja Figura 2) para alcançar um PDE de 75%. As matrizes SNSPD foram mantidas a uma temperatura de 2.7 K em uma de duas fases do ciclo (ver Figura 3). Os estágios eletrônicos¹⁰ foram alojados em prateleiras ao lado do sistema criogênico, e todos foram alojados remotamente a partir de telescópios ligados por fibra personalizada.

Figura 2. (a) Micrografia eletrônica de varredura do padrão intercalado dos nanofios supercondutores detectores de um único fóton (SNSPD). (b) Perfil esquemático da matriz SNSPD e da cavidade óptica. Si: silício. SiO₂: dióxido de silício.

  

Figura 3. Topo: O Lunar Lasercom Ground Terminal (LLGT) em White Sands, no Novo México. Canto inferior direito: O refrigerador criogênico montado para as quatro matrizes SNSPD. Canto inferior esquerdo: sistema criogênico de processamento de sinais eletrônicos.

Em resumo, o LLCD alcançou uma taxa de transmissão de dados livre de erros de 622 Mb/s entre o terminal LLST em um satélite em órbita lunar e o terminal LLGT na Terra usando um receptor de um único fóton de nanofios supercondutores de NbN. Esta demonstração constituiu o elo de comunicação a laser de maior alcance já construído e as taxas de dados de comunicação mais altas atingidas de ou para a Lua. Com base no sucesso do LLCD, a Nasa está preparando a implantação de terminais ópticos de comunicações a laser para operações espaciais.

Matthew Grein, Eric Dauler, Andrew Kerman, Matthew Willis, Barry Romkey, Bryan Robinson, Daniel Murphy, Don Boroson

Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Laboratório Lincoln

Lexington, MA

Referências

1. B. S. Robinson, D. M. Boroson, D. A. Burianek, D. V. Murphy, Overview of the Lunar Laser Communications Demonstration, Proc. SPIE 7923, p. 792302, 2011. doi:10.1117/12.878313

2. D. Fitzgerald, Design of a transportable ground telescope array for the LLCD, presented at SPIE Photonics West, San Francisco, CA, 2011.

3. D. M. Boroson, B. S. Robinson, D. V. Murphy, D. A. Burianek, F. Khatri, J. M. Kovalik, Z. Sodnik, D. M. Cornwell, Overview and results of the lunar laser communication demonstration, Proc. SPIE 8971, p. 89710S, 2014. doi:10.1117/12.2045508

4. G. N. Gol'tsman, O. Okunev, G. Chulkova, A. Lipatov, A. Semenov, K. Smirnov, B. Voronov, A. Dzardanov, C. Williams, R. Sobolewski, Picosecond superconducting single-photon optical detector, Appl. Phys. Lett. 79, p. 705-707, 2001.

5. A. J. Kerman, E. A. Dauler, J. K. W. Yang, K. M. Rosfjord, V. Anant, K. K. Berggren, Constriction-limited detection efficiency of superconducting nanowire single-photon detectors, Appl. Phys. Lett. 90, p. 101110, 2007.

6. K. M. Rosfjord, J. K. W. Yang, E. A. Dauler, A. J. Kerman, V. Anant, B. M. Voronov, G. N. Gol'tsman, K. K. Berggren, Nanowire single-photon detector with an integrated optical cavity and anti-reflection coating, Opt. Express 14, p. 527-534, 2006.

7. E. A. Dauler, B. S. Robinson, A. J. Kerman, J. K. W. Yang, K. M. Rosfjord, V. Anant, B. Voronov, G. Gol'tsman, K. K. Berggren, Multi-element superconducting nanowire single-photon detector, IEEE Trans. Appl. Supercond. 17, p. 279-284, 2007.

8. A. J. Kerman, J. K. W. Yang, R. J. Molnar, E. A. Dauler, K. K. Berggren, Electrothermal feedback in superconducting nanowire single-photon detectors, Phys. Rev. B 79, p. 100509, 2009.

9. A. J. Kerman, D. Rosenberg, R. J. Molnar, E. A. Dauler, Readout of superconducting nanowire single-photon detectors at high count rates, J. Appl. Phys. 113, p. 144511, 2013.

10. M. E. Grein, A. J. Kerman, E. A. Dauler, O. Shatrovoy, R. J. Molnar, D. Rosenberg, J. Yoon, et al., Design of a ground-based optical receiver for the Lunar Laser Communications Demonstration, Proc. Int'l Conf. Space Opt. Syst. Appl., p. 78-82, 2011.

Fonte: http://spie.org/x114726.xml