Conectividade em IoT: mix de tecnologias garante efetividade das soluções

Conectividade em IoT: mix de tecnologias garante efetividade das soluções

Frente à crescente competitividade vivida pelo mercado, é fundamental que as empresas e indústrias pensem em diferenciadores que garantam resultados mais eficientes. E quando falamos em projetos de Internet das Coisas (IoT), as diversas tecnologias de conectividade certamente são fundamentais para alavancar a vantagem competitiva.

Com tantas opções disponíveis, a escolha mais adequada para o padrão de conectividade em IoT precisa levar em consideração as especificidades de cada projeto, como o volume de dados a serem transmitidos e analisados, bem como a sua projeção de escalabilidade. Afinal, a escolha mais acertada de conectividade está diretamente ligada ao grau de sucesso que o negócio desempenhará ao longo do tempo.

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No mundo ideal, o padrão de conectividade em IoT perfeito é aquele que consegue unir velocidade na transmissão de dados (independentemente da distância), elevados padrões de segurança, baixo consumo de energia e, claro, projetos financeiramente viáveis. Mas, ao verificarmos o cenário real, muitas vezes é necessário dar mais peso a alguns desses aspectos em detrimento de outros, e apenas a análise caso a caso dos resultados esperados com a IoT poderá dizer qual opção de conectividade se encaixa melhor naquele contexto específico.

conectividade em IoT
Fonte: adaptado de IoT for all

Nessa trade-off tecnológica, quanto mais profundo adentrarmos nas diferentes fases de implementação dos projetos, mais fácil será manejar esse sistema de pesos e contrapesos que as opções de conectividade trazem consigo.

Entre as principais perguntas que podem ser feitas para ajudar a escolher o melhor protocolo de conectividade em IoT, podemos destacar:

  • Qual é o escopo do projeto e para qual uso se destina?
  • Em relação aos dados, qual a quantidade a ser enviada, em qual alcance, velocidade e intervalo?
  • Em relação ao local da implementação, há vários padrões de cobertura disponíveis?
  • Em caso de não haver uma única solução que atenda à demanda 100%, existe a possibilidade de unir diferentes tecnologias?
  • O consumo de energia dos dispositivos e a duração das baterias apresentam qual grau de importância no projeto?
  • Em relação aos custos, qual a abrangência para atender mensalidades de serviços e infraestrutura?

Essas perguntas (e outras ainda mais aprofundadas) são fundamentais para garantir a inteligência da Internet das Coisas. Um padrão de conectividade inadequado à uma determinada realidade acarretará no subaproveitamento dos dados e, como consequência, em uma capacidade de análise restritiva. As "coisas" em IoT só se tornam verdadeiramente inteligentes quando equilibram perfeitamente uma série de requisitos (de velocidade, segurança, energia, etc) ao contexto macro que o projeto oferece.

A seguir detalhamos algumas das principais tecnologias de conectividade em IoT amplamente utilizadas:

3G/4G/5G

As redes celulares oferecem banda larga confiável com amplo espectro de uso. No caso específico dos projetos de IoT, elas se encaixam bem em situações específicas como carros conectados ou gerenciamento de frotas em transporte e logística.

A infraestrutura 5G, em particular, representa a próxima evolução de conectividade sem fio, expandindo as possibilidades de negócios para patamares nunca antes alcançados. Segundo recente relatório da MarketsandMarkets, o mercado de infraestrutura para 5G valerá quase 3 bilhões de dólares em 2020, podendo alcançar mais de 33 bilhões de dólares, até 2026.

A rede 5G é capaz de absorver conexões simultâneas de forma bastante eficiente (até 100 vezes mais dispositivos conectados por unidade de área, todos com a mesma velocidade e latência), consumindo muito menos energia. Projeta-se uma redução de 90% no consumo, o que se traduz em dispositivos de baixa potência em ambientes industriais e baterias com 10 anos de vida útil. Além disso, por ser programável, a 5G é capaz de se desconectar automaticamente quando não estiver em funcionamento.

A elevada velocidade é outro requisito fundamental para suportar o tráfego cada vez mais carregado de dados que partirão desses dispositivos. Ademais, a demanda por interações praticamente instantâneas com tempo de resposta tendendo a zero, faz da tecnologia 5G um requisito imprescindível para a efetividade das futuras soluções de IoT. Com ela, espera-se alcançar latência de no máximo 1 milissegundo, dez vezes menor do que os padrões atuais.

https://www.youtube.com/watch?v=F-C1O1mNGNQ

LPWANs

Ao fornecer comunicação de longo alcance com baterias pequenas e baratas que duram anos, as Low Power Wide Area Networks (LPWANs) atendem as redes de IoT de larga escala, com um vasto campo de aplicação. Elas podem ser usadas para monitoramento remoto, medição inteligente, segurança do trabalho e gerenciamento de instalações industriais, por exemplo.

As LPWANs enviam pequenos blocos de dados a uma taxa de transmissão baixa. Por essa razão, seu uso é mais recomendado para situações em que o fator tempo não seja tão sensível.

A qualidade do serviço e a escalabilidade são dois dos principais fatores levados em conta quando se optam pelos espectros não licenciados das LPWANs, como LoRA e Sigfox. A padronização é outro fator importante quando se deseja garantir confiabilidade, segurança e interoperabilidade a longo prazo.

ZigBee e Mesh

O protocolo Zigbee é um padrão de curto alcance e baixo consumo de energia, comumente implantado em topologia Mesh para estender a cobertura por meio da transmissão de dados de um sensor sobre vários nós de sensores. Comparado ao LPWAN, o Zigbee fornece taxas de dados mais altas, mas, ao mesmo tempo, menor eficiência energética devido à configuração da malha.

Devido ao seu curto alcance físico (menor que 100 metros), o Zigbee é mais adequado para aplicações IoT de médio alcance com uma distribuição uniforme de nós em estreita proximidade. Funciona como um complemento perfeito para o Wi-Fi em casos de automação doméstica, como iluminação inteligente e gerenciamento de energia.

Bluetooth e BLE

Bluetooth já é uma comunicação de curto alcance bem posicionada no mercado, e sua recente versão — Bluetooth Smart, Bluetooth 4.0 ou Bluetooth Low Energy (BLE) — é ainda mais otimizado para aplicações de IoT, graças ao baixo consumo de energia. As aplicações que utilizam BLE podem funcionar com pequenas baterias, por até 5 anos. Isso é vital para situações em que são transmitidos poucos dados de modo periódico.

Os dispositivos habilitados para BLE são usualmente utilizados em conjunto com aparelhos eletrônicos, os quais funcionam como um hub para transferir dados para a nuvem. O BLE tem sido amplamente integrado a dispositivos wearables, sensores de aplicação industrial, bem como aqueles que compõem soluções para Smart Home.

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Setor Energético

Como a IoT resolve um dos principais dilemas das Utilities?

Como a IoT resolve um dos principais dilemas das Utilities?

Dados da Energy Information Administration (EAI) mostram que as taxas de crescimento em consumo de energia nos Estados Unidos oscilaram pouco abaixo de 1%, nos últimos anos. Em algumas situações, inclusive, houve decréscimo de demanda, como pode ser visto na tabela abaixo.

Consumo energético por setor - Estados Unidos
Fonte: U.S Energy Information Administration. Consumo energético por setor

As razões para essa tendência são várias, desde a substituição de equipamentos antigos por maquinário mais eficiente e alterações no padrão de consumo, até o incremento de novas indústrias com menor demanda de energia para o funcionamento.

Por outro lado, a necessidade de serviços públicos cada vez mais complexos, as novas formas de distribuição de energia elétrica que chegam ao mercado, os modelos mais avançados de baterias que estão em desenvolvimento e a integração de um número cada vez maior de dispositivos ao redor do mundo são apenas algumas das muitas situações que prometem manter ou até mesmo elevar o consumo de energia para os próximos anos, conforme apontam algumas pesquisas.

E é justamente por esse motivo que investir em inovação tornou-se obrigatório para qualquer empresa que deseje se manter competitiva no futuro.

Grandes corporações movimentam-se em direção à eficiência 

Transformação Digital é a expressão do momento quando o assunto é atender um novo padrão de consumo que cresce mundo afora. Ao permitir a automatização de processos e a análise inteligente de dados (incluindo o consumo de energia em tempo real), a inovação digital garante às empresas não apenas o aumento da eficiência produtiva e, por consequência, dos lucros, mas também uma importante redução da pegada ambiental, através da otimização de recursos e da viabilização da chamada economia circular.

Indo nessa direção, algumas das maiores corporações do mundo já declararam um novo posicionamento estratégico muito mais conectado a esse novo modo de fazer negócios. A Procter & Gamble (P&G), por exemplo, assumiu para 2020 que a organização seja "100% renovável”. A Walmart, por sua vez, é outra gigante que tem procurado se adequar às demandas do século XXI: ela pretende reduzir seu consumo energético a 20% dos níveis computados em 2010.

Seja por razões meramente financeiras (com foco em custos menores), seja para assumir uma postura sustentável, essas e outras empresas mostram-se cada vez mais inclinadas a reavaliar antigas rotinas, substituindo-as ou incrementando-as com o auxílio de tecnologias que se adequam a um padrão moderno de demanda por energia.

Investimentos em IoT elevam o valor agregado das soluções

A Internet das Coisas (IoT) é uma das grandes aliadas quando o assunto é a otimização de linhas e processos industriais. Ao conectar sensores de ponta a sistemas inteligentes de gerenciamento remoto de dados, a IoT gera um poderoso arsenal de insights que auxiliam a rotina de tomada de decisão dos gestores.

Ilustração de sensor ultrassônico usado pela V2COM
Exemplo de sensor ultrassônico usado pela V2COM na arquitetura de solução para monitoramento de controle de diesel em caminhão comboio, usado no abastecimento de máquinas agrícolas.

No que se refere diretamente ao mercado de energia, as plataformas de IoT permitem predizer o consumo dos próximos meses com base em séries históricas, detectar em tempo real oscilações suspeitas de utilização, gerar comandos de ativação e desligamento sem intervenção humana, disparar alertas e alarmes de segurança e avaliar a necessidade de manutenção de equipamentos no momento exato, evitando paradas desnecessárias e custosas e também danos de maior importância.

No setor residencial, por sua vez, a inovação também avança a passos largos. A adoção de tecnologias para a construção das chamadas “Smart Houses” são a grande promessa para uma nova maneira de os humanos se relacionarem com suas habitações, não apenas garantindo mais conforto com a automação de tarefas, mas sobretudo elevando a segurança das casas e das famílias.

E, mais uma vez, os sensores e os softwares a eles conectados são os grandes viabilizadores dessas soluções. Ao desligarem eletrodomésticos e outros aparelhos de forma automática, por exemplo, os sistemas das "Smart Houses" garantem uma surpreendente economia de recursos energéticos. Câmeras sensíveis a movimento e dispositivos ativados por calor podem ainda alertar a aproximação de pessoas suspeitas e disparar alarmes conectados diretamente aos órgãos e empresas de segurança.

O mercado B2B é o grande impulsionador dos investimentos em tecnologia

A busca por consumo otimizado e inteligente de energia é, sem dúvidas, um dos grandes motivadores que impulsionam as empresas a investirem em tecnologia. O mercado B2B (business-to-business) para IoT cresce ano após ano e, nesse contexto, as concessionárias possuem um papel fundamental como propulsoras da inovação.

Um recente relatório (IoT Utilities Market Size, Growth - Industry Share Forecast Report 2024), publicado pelo Global Market Insights, justamente corrobora esse potencial de expansão. Os dados indicam que o setor de IoT voltado especificamente às Utilities promete crescer dois dígitos por ano, até 2024, quando valerá mais de US $ 15 bilhões.

E para atender essa nova dinâmica de mercado, as concessionárias e distribuidoras precisam oferecer possibilidades inéditas de armazenamento, distribuição e geração de energia. Por essa razão, as Smart Grids são tão importantes, sobretudo por aprimorarem toda a rede de distribuição e ainda elevarem a confiabilidade dela perante os consumidores. Elas ainda garantem a integração dos dispositivos interconectados com muito mais facilidade, criando um novo padrão de infraestrutura coerente com os atuais processos que perfazem as empresas e, por consequência, seus clientes.

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É claro, porém, que esses avanços ocorrem em velocidades diferentes, a depender de alguns fatores inerentes a cada país. No Brasil, por exemplo, as questões regulatórias e tributárias do setor energético muitas vezes mostram-se como um importante desafio à expansão da transformação digital.

Felizmente, porém, uma série de movimentações legislativas promete fomentar a inovação, isentando a IoT de alguns tributos que, muitas vezes, impedem a expansão das tecnologias, dado seu elevado custo final às operadoras. Além disso, o Plano Nacional de IoT, cujo texto foi oficializado ano passado, promete sistematizar investimentos em infraestrutura, sobretudo de conexão, sem a qual a transformação digital dificilmente conseguiria escalar os resultados almejados.

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Simbiose Industrial: relação ganha-ganha das empresas pela sustentabilidade

Simbiose Industrial: relação ganha-ganha das empresas pela sustentabilidade

Na Biologia, a simbiose é a interação ecológica entre diferentes espécies com resultados mutuamente benéficos. Um exemplo clássico é a relação entre os ruminantes e as bactérias que habitam o sistema digestório. Os primeiros tiram proveito do trabalho das bactérias para facilitar a digestão, enquanto as segundas encontram um ambiente satisfatório para sobreviverem e se reproduzirem.

Embora a Natureza esteja repleta de casos de simbiose, ela não é o único cenário onde o fenômeno acontece. No mundo dos negócios, é cada vez mais comum encontrar esse tipo de interação ganha-ganha, em que empresas articulam estratégias para integrar suas operações e, assim, alavancar a produtividade, reduzir custos e ainda garantir um cenário mais sustentável.

O caso de Kalundborg

Foi na década de 70, na cidade dinamarquesa de Kalundborg, onde surgiu o exemplo mais expressivo de simbiose corporativa. Na época, as iniciativas privada e pública uniram-se para estruturar um modelo inovador de eco-parque industrial que, até hoje, mantém-se plenamente ativo.

A ideia foi efetivar o esquema de economia circular, de tal modo que os resíduos de uma fábrica passaram a servir de insumo para a outra. A associação é denominada "Simbiose de Kalundborg", e inclui empresas dos segmentos de energia elétrica, gás, água, esgoto, gerenciamento de resíduos, farmacêutico, químico e fertilizantes.

Esquema de fluxo simbiótico em Kalundborg
Esquema de fluxo simbiótico em Kalundborg

Os parceiros desse ecossistema criaram um fluxo sustentável de materiais, água e energia, de tal forma a sempre garantir o suprimento na medida certa. A iniciativa não apenas aumentou os ganhos econômicos, como também diminuiu a pegada ambiental e reduziu despesas operacionais. Além disso, o ambiente de simbiose também incentivou a criação de um pólo de inovação, com projetos de extensão cada vez maior.

Entre os principais resultados, a Simbiose de Kalundborg garante, todos os anos, às empresas envolvidas no projeto:

  • Economia final de 24 milhões de euros
  • Amortecimento do impacto socieconômico dos negócios na ordem de 14 milhões de euros
  • Redução de 635 mil toneladas de CO2
  • Economia de 3.6 milhões de m3 de água
  • Economia de 100 GWh de energia
  • Diminuição de 87 mil toneladas de insumos de produção

Internet das Coisas pela Sustentabilidade

A Internet das Coisas (IoT) oferece uma série de possibilidades para que as empresas ajustem seus processos aos mais modernos padrões de sustentabilidade.

Em 2018, o Fórum Econômico Mundial publicou um documento (Internet of Things Guidelines for Sustainability) no qual 643 aplicações de IoT foram analisadas. Ao menos 84% delas estariam em concordância com os objetivos da ONU ligados ao desenvolvimento sustentável.

Fonte: Future of Digital Economy and Society System Initiative
Fonte: Future of Digital Economy and Society System Initiative

Esse documento corroborou a ideia de que a inovação, mais do que necessária, é imprescindível para que as metas globais em prol do meio ambiente sejam atingidas. E, para tanto, será fundamental a adesão e o engajamento das empresas, cujos investimentos poderão finalmente aproximar IoT e sustentabilidade na prática

IoT e sustentabilidade: um mercado de trilhões

A Comissão Mundial sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento já afirmou que, até 2030, mais de 26 trilhões de dólares serão gerados globalmente, apenas em razão dos investimentos em tecnologias sustentáveis. A McKinsey, por sua vez, acredita que o impacto da IoT no mundo, até 2025, gerará 11 trilhões de dólares.

Em vista disso, fica claro que o engajamento das empresas com a inovação, associando-a às causas socioambientais, fará com que IoT e sustentabilidade, cada vez mais, saim do papel e transformem-se em realidade prática.


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eficiência das usinas eólicas

Como a IoT aumenta a eficiência das usinas eólicas?

Como a IoT aumenta a eficiência das usinas eólicas?

No Brasil, a energia eólica se posiciona como a segunda maior fonte energética, com crescimento de 14,7% em 2019. Atualmente, a energia dos ventos representa cerca de 8,6% da matriz energética do país, atingindo a marca de 15,1GW da capacidade instalada. São mais de 7 mil aerogeradores espalhados em 601 parques eólicos, que abastecem aproximadamente 22 milhões de residências.

ANEEL: eficiência de usinas eólicas
Fonte: ANEEL

Os parques eólicos são um excelente exemplo de máquinas conectadas que podem operar de forma independente, ao menos até que algo de errado interrompa o andamento dos processos. E é justamente aí que entra a Internet das Coisas.

Os sistemas mais avançados de IoT permitem o aumento contínuo da eficiência das usinas eólicas, ao mesmo tempo em que preveem com elevada acuracidade o melhor momento para a manutenção dos ativos, evitando custos desnecessários.

Manutenção Preditiva Inteligente diminui custos

Ao redor do mundo, as fazendas eólicas estão travando importantes batalhas para manter a eficiência dos sistemas. Intempéries climáticas — como chuvas excessivas, tempestades de areia, fortes vendavais, oscilações térmicas e movimento das marés — diminuem o intervalo de tempo necessário entre as manutenções, aumentando os custos.

A região do Mar do Norte — conhecida pela agressividade dos ventos — recentemente sofreu importantes perdas devido a problemas com o mapeamento de manutenção. Engenheiros tiveram que examinar e reformar 206 torres às pressas, após danos não previstos.

Na Alemanha, uma outra fazenda eólica sofreu com o colapso de vários aerogeradores muito antes do esperado. Acreditava-se que os ativos trabalhariam sem problemas por pelo menos 15 meses quando, na verdade, eles aguentaram apenas 15 semanas de funcionamento.

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IoT: uma nova significação aos sensores inteligentes

Diante disso, e visando evitar novas surpresas desagradáveis, as engenharias de projetos passaram a se apoiar nas novas tecnologias de IoT para garantir a total eficiência das usinas. Fez-se necessário o acompanhamento automático e em tempo real dos parques para evitar o colapso dos sistemas e os altos custos com reparos e substituição de peças.

Essas tecnologias tornam-se ainda mais necessárias toda vez que uma fazenda decide adicionar megawatts ao esquema geral do sistema, o que eleva a importância fundamental da manutenção preditiva. Sensores de alta capacidade associados a plataformas de IoT robustas e inteligentes permitem mapear e monitorar, em detalhes, o cisalhamento e a velocidade do vento, a temperatura atmosférica e do mar, o torque, a vibração dos sistemas, entre muitas outras variáveis. Todas elas, juntas, fornecem informações que levam à tomada de decisão segura e no tempo certo.

 

Uma turbina pode ter mais de 150 sensores acoplados
Uma turbina pode ter mais de 150 sensores acoplados

A partir dessa coleta de dados, as plataformas de Internet das Coisas geram respostas instantâneas a todo e qualquer problema que possa aparecer, corrigindo-os no menor intervalo de tempo possível. Mais do que isso, a inteligência dos softwares garante que a operação se antecipe às falhas, disparando avisos que permitem alterações processuais, antes mesmo que o dano torne-se realidade.

Tudo isso em conjunto, claro, diminui os custos operacionais.

Plataformas de IoT elevam a eficiência das usinas eólicas

Redes industriais conectadas a estruturas remotas, como as fazendas eólicas, precisam de sistemas redundantes. Os projetos de turbinas devem ser compostos por alertas ativos e antecipados, além de respostas automáticas de segurança (shutout / shutoff). Desse modo, é possível se adiantar na resolução de problemas, sem interrupções desnecessárias que geram perdas financeiras.

E, nesse processo, as plataformas de IoT são peça-fundamental. Com capacidade de trabalhar uma quantidade enorme de dados por segundo, elas diminuem o tempo de resposta dos sistemas, enquanto elevam a inteligência do mecanismo como um todo: quanto mais dados e respostas automáticas, mais a plataforma adquire capacidade preditiva com elevada acuracidade.

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Esse padrão de rede para ambientes externos funciona em sentido duplo. De um lado vai o dado transmitido do sensor até a placa de emergência; do outro, volta o comando com a ação a ser tomada. Como exemplo, quando se recebe o dado de superaquecimento, tem-se como resposta imediata o desligamento dos equipamentos.

Esse vaivém de dados e respostas eleva o refinamento do sistema, de tal forma que as escolhas ficam ainda mais eficientes. Quando os aspectos de aprendizagem das redes se combinam com sistemas redundantes e mais robustos, eles passam a trabalhar juntos, tornando o aprendizado ainda mais rápido, numa espécie de ciclo virtuoso. Voltando ao exemplo anterior, em vez de uma resposta para desligar por completo o sistema, poderia ocorrer apenas a ordem de desaceleração, ou mesmo o desligamento de apenas uma única turbina.

V2COM: aliada estratégica do mercado de energia 

A V2COM consolidou-se no mercado nacional e internacional por ser um dos poucos fornecedores de soluções de IoT ponta à ponta. Com isso, garante um elevado grau de customização dos projetos, que se adequam perfeitamente às mais diferentes necessidades dos clientes.

Por desenvolver integralmente tanto hardware quanto software, a V2COM alcançou um padrão de tecnologia plenamente compatível com as inovações, integrando-se perfeitamente a diferentes realidades de forma bastante ágil. As histórias de sucesso de centenas de clientes sempre resultaram em impacto financeiro positivo associado à escalabilidade dos projetos em tempo recorde.


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O OceanPod é um cilindro que contém um gravador, condicionadores de sinais, hidrofone e pilhas – Foto: Divulgação/RCGI

Até debaixo d'água: banco de dados para monitorar vazamento de gás

Até debaixo d'água: banco de dados para monitorar vazamento de gás

O barulho das bolhas no fundo do oceano é capaz de revelar se ali está ocorrendo um vazamento de gás e quais suas características. Entender este fenômeno é importante para um grupo de pesquisadores que deseja construir cavernas nas camadas de rocha sobre o pré-sal para estocar gás carbônico (CO2) – o composto está presente nos reservatórios de petróleo e é um dos principais responsáveis pelo efeito estufa, por isso a preocupação em armazená-lo e evitar a liberação no meio ambiente.

O OceanPod é um cilindro que contém um gravador, condicionadores de sinais, hidrofone e pilhas – Foto: Divulgação/RCGI
O OceanPod é um cilindro que contém um gravador, condicionadores de sinais, hidrofone e pilhas – Foto: Divulgação/RCGI

Estes cientistas fazem parte do Fapesp Shell Research Centre for Gas Innovation (RCGI) e estão montando um banco de dados acústicos na USP, a primeira instituição de pesquisa brasileira a ter um repositório do gênero no País. A ideia é que esta coleção de sons, assim como os hardwares e softwares que estão em desenvolvimento para sua coleta e análise, ajude a monitorar possíveis vazamentos de CO2 nos campos de exploração.

O banco de dados é composto de material obtido em campo e em laboratório. Está em constante crescimento e, atualmente, totaliza aproximadamente 60 horas de gravação. Os pesquisadores registraram os sons das plumas de bolhas originadas por vazamentos de gases simulados debaixo d’água em diversas vazões, pressões e locais.

“Vazamentos, geralmente, formam uma pluma de bolhas que faz barulho ao ser gerada sob a água. Nossa meta é conhecer a ‘assinatura’ dos ruídos das plumas de bolhas para poder detectá-las, quantificá-las e diferenciá-las de outros tipos de ruído”, explica Linilson Rodrigues Padovese, coordenador desse projeto no RCGI.

O professor também faz parte do Laboratório de Acústica e Meio Ambiente (Lacmam) do Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica (Poli) da USP.

A equipe começou a coletar dados experimentais sobre vazamentos no intuito de validar os algoritmos de Inteligência Artificial desenvolvidos para a detecção desses fenômenos. “Fizemos simulações de vazamentos para obter os dados. Foram três saídas a campo: duas no mar e em uma represa, e conseguimos avançar bastante no banco de dados. Também usamos o tanque do nosso laboratório aqui na Poli, e ainda o tanque de mergulho do Cepeusp, o clube poliesportivo da USP. Já temos um bom banco de dados, com diferentes tamanhos de plumas de bolhas e para diferentes vazões.”

Para simular os vazamentos, os pesquisadores usaram um reservatório de ar comprimido e mangueiras, com instrumentação para controle da pressão e vazão do ar e com orifícios de saída de diferentes diâmetros.

“Para cada som gravado nós sabemos qual foi a vazão de ar. Quando simulávamos os vazamentos, já estipulávamos a vazão: por exemplo, um litro por minuto; 10 litros por minuto. Assim, sabemos a assinatura da pluma de cada vazão, para cada uma das vazões que estabelecemos. Ou seja: temos dados para estabelecer comparações.”

Matéria original: Jornal da USP


Biomimética: eficiência energética ensinada pela Natureza

Biomimética: eficiência energética ensinada pela Natureza

Energia e vida são palavras indissociáveis. Ao longo dos últimos 3.8 bilhões de anos, desde quando os primeiros seres vivos começaram a aparecer na Terra, o sucesso evolutivo sempre esteve (direta ou indiretamente) relacionado com a eficiência energética.

Estudos indicam que ao menos 95% das espécies que já existiram no planeta desapareceram. As que conseguiram evoluir, mesmo diante de episódios de extinção em massa (como quedas de asteroides ou grandes erupções vulcânicas), só o fizeram por terem a capacidade de otimizar o gasto energético em situações de escassez extrema.

Nas últimas décadas, a Biomimética tem estudado como algumas dessas espécies conseguem produzir e gerenciar a energia de que necessitam para manter suas atividades vitais. A partir disso, engenheiros e cientistas estão desenvolvendo novas tecnologias que irão atender ainda mais a demanda por fontes limpas e mais eficientes.

E, ao que tudo indica — diante do crescimento populacional esperado nos próximos anos e da consequente escassez de recursos — a eficiência energética pode, mais uma vez, ser um divisor de águas para nosso sucesso evolutivo.

Da água para o ar: usinas eólicas inspiradas em cardumes

O setor de energia passa por um momento de grandes mudanças. As iniciativas dirigem-se para um novo padrão de produção e consumo, focado em fontes renováveis, investimentos na digitalização e inteligência de redes de média e baixa tensão, mobilidade elétrica, automação e gerenciamento remoto de redes de distribuição, além de novas tecnologias de armazenamento.

eficiência energética: usinas eólicas e cardumes
Modelo de rotação vertical com inspiração nos cardumes

No Brasil, a energia eólica se posiciona como a segunda maior fonte energética, com crescimento de 14,7% em 2019. Atualmente, a energia dos ventos representa cerca de 8,6% da matriz energética do país, atingindo a marca de 15,1GW da capacidade instalada. São mais de 7 mil aerogeradores espalhados em 601 parques eólicos, reduzindo até 28.000.000 toneladas de CO2 emitidos por ano.

Para melhorar ainda mais a eficiência energética das usinas eólicas, o professor de Bioengenharia, John Dabiri, da Universidade de Stanford, está desenvolvendo um novo modelo de turbinas com eixo de rotação vertical. E o mais interessante é que ele se baseou no comportamento de natação dos cardumes de peixes para iniciar o projeto.

Por regra, as pás das turbinas tradicionais são projetadas para girar no eixo horizontal, sempre com ângulos retos em direção ao vento. Mas para que essa arquitetura opere com máxima eficiência, cada turbina precisa oscilar com uma certa distância em relação às outras, caso contrário o padrão de fluxo do ar poderia comprometer a operação do parque como um tudo. Nessa formatação, é necessário ocupar extensas faixas de terra (as fazendas eólicas), capazes de abrigar todas as turbinas com o devido espaçamento.

Segundo defende o professor Dabiri, as usinas eólicas de eixo vertical seriam mais eficientes e ainda ocupariam menos espaço para instalação. Ao observar o deslocamento de grandes cardumes, ele afirma que existem semelhanças reveladoras entre a movimentação na água e os ventos que percorrem os campos eólicos.

Isso porque o padrão de fluxo desempenhado pelos cardumes auxilia cada peixe individualmente, de tal forma que eles conseguem se orientar espacialmente com mais acuracidade e ganhar velocidade de natação sem tanto gasto de energia. Afinal, sob efeito de menor arraste, a água desempenha menos resistência ao movimento.

O que os sistemas de IoT aprenderam com as plantas?

De forma análoga, a arquitetura das pás verticais também criaria um movimento ordenado, capaz de diminuir a resistência do ar sobre as turbinas. Com isso, elas poderiam rotar com mais eficiência, ao mesmo tempo em que estariam expostas a um menor desgaste e, consequentemente, demandariam manutenções menos frequentes e custosas.

LED e vaga-lumes: uma combinação com 90% de eficiência energética

Na faculdade de Engenharia Elétrica da Penn State University, uma outra linha de pesquisa biomimética também está focada na eficiência energética. Mas, nesse caso, o professor Shizhuo Yin pretende desenvolver um modelo de lâmpadas LED ainda mais eficiente com base no comportamento dos vaga-lumes.

A premissa do estudo parte de um desafio comum enfrentado por esses insetos e as lâmpadas LED: ambos perdem uma parcela da luz que emitem.

eficiência energética: vaga-lumes e LED
Estrutura assimétrica em 3D emula estrutura de vaga-lumes. Fonte: Penn State

As lâmpadas LED apresentam um padrão de textura, formada por microestruturas, que eleva o grau de reflexão da luz. Essas pequenas projeções são plenamente simétricas e estão dispostas com inclinações idênticas para cada direção.

Ao analisar a anatomia dos vaga-lumes, o professor Shizhuo encontrou algo semelhante à formatação das LED, mas com a importante diferença de que, no caso desses animais, elas são assimétricas, dispostas em ângulos diversos, o que garante mais eficiência no direcionamento da luminosidade.

Foi então que, a partir desse sutil achado, o professor Shizhuo teve a ideia de desenvolver um novo padrão de lâmpada, mas dessa vez a partir de micro-pirâmides assimétricas que emulassem a estrutura dos vaga-lumes.

Como resultado, chegou-se a um modelo com mais de 90% de eficiência na extração de luz (a tecnologia atual de LED atinge apenas 50%). A comprovação dos resultados deu-se tanto por simulações em computador, quanto fisicamente, através de nanotecnologia.

Biomimética: a nova geração de tecnologias "inspired by nature"

Essa descoberta é extremamente relevante, sobretudo em razão da demanda crescente por energia limpa que percorre o mundo. Projeções indicam que o mercado de iluminação com LED deve alcançar US$ 85 bilhões até 2024.

Os resultados mostraram-se ainda mais interessantes depois de ter sido comprovado que a mudança microestrutural nas lâmpadas além de aumentar a eficiência energética é também plenamente viável em termos econômicos.

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