Acervo textual da Revista AstroNova
Edição 32 — páginas 21 a 40
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Assuntos identificados: antimatéria, impressão, tempo, física, carga, velocidade, mesmo, impressoras, impressora, einstein.
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21 TECNOLOGIA IMPRESSORAS 3D E FILAMENTOS O mundo da impressão 3D Ricardo Francisco Pereira [email protected] No primeiro texto dessa série “O mundo da impressão 3D: Aplicações” publicado na edição passada da Revista Astronova (Ano 8, Nº 31, Setembro/2021) foi apresentado um pouco das aplicações e tipos diferentes de impressões 3D com o objetivos de fazer os leitores entenderem o potencial que a impressão 3D terá em nossas vidas. O objetivo original era escrever 3 textos, mas devido a quantidade de coisas que eu preciso apresentar para que você leitor consiga entender o que é a impressão 3D e como fazer as impressões, essa série terá agora 4 textos. Para começar, é preciso que vocês entendam um pouco sobre o tipo de impressoras 3D que eu trabalho e como é o processo básico da impressão. A partir de agora, sempre que falarmos de impressoras 3D, estamos nos referindo a equipamentos não profissionais ou básicos, ou seja, impressoras que você pode comprar e ter em sua casa a preços razoavelmente acessíveis. Para que esse texto não fique muito chato, com muitas coisas, não entrarei em detalhes na questão de valores dos diferentes tipos de impressoras, mas só para ter alguma noção, uma boa impressora 3D das mais populares, já pode ser comprada por entre 1.800 e 2.000 reais no Brasil. Quando tem promoções, esses valores chegam a cair para a faixa dos 1.500 e 1.700 reais. O princípio básico de toda impressão 3D é a ação de transformar um objeto tridimensional digital em um objeto tridimensional real por meio de um processo chamado de Manufatura Aditiva onde o
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22 AstroNova . N.32 . 2021 objeto vai sendo construído por meio da adição de material por camadas, obviamente, tudo a ser impresso precisa ser modelado em softwares adequados para criar objetos que possam ser impressos e existem muitas formas diferentes de como fazer isso e as aplicações disso são imensas. Quero destacar algo bem importante e que as vezes as pessoas confundem, a Modelagem 3D e a Impressão 3D são duas coisas completamente diferentes, em parte estão interligadas, mas são diferentes. Você não consegue realizar uma impressão 3D se você não tiver um modelo 3D, mas nem todo modelo 3D é usado em impressão 3D. Para fazer uma impressão, ou você primeiro faz o modelo e depois imprime ou você precisa achar um modelo para baixar ou comprar na internet e depois imprimi-lo. Eu não sei fazer Modelagem 3D, então tudo que eu imprimo vem de modelos 3D obtidos em portais que disponibilizam, já até comprei alguns poucos, mas a esmagadora maioria que imprimi são modelos gratuitos que eu baixei em portais como o Thingiverse, Cults 3D e MyMiniFactory. Os tipos básicos de impressoras que você consegue comprar são impressoras do tipo SLA (Stereolithography Apparatus, na tradução: Aparato de Stereolitografia) ou FDM (FusedDepositionModelin, na tradução: Modelagem de Deposição Fundida). Começarei com as impressoras do tipo SLA ou popularmente conhecida como impressora de resina, como não tenho esse tipo de impressora, não tenho experiência parar dar muitos detalhes sobre esse tipo de impressora. Essa impressora tem um recipiente onde é depositado uma resina líquida, cujo termo mais técnico é Fotopolímero Curável. Esse líquido, ele cura (endurece) quando é aplicado nele uma luz ultravioleta (luz UV). No fundo do recipiente que fica Imagem 1: Peça sendo impressa por meio do processo de Manufatura Aditiva. Imagem 2: Modelos digitais sendo criados em plataformas para criação de Modelos 3D.
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23 AstroNova . N.32 . 2021 o líquido, tem uma tela do mesmo tipo que se tem nos smartphones e tablets, mas essa tela deixa passar só a luz UV, então essa luz cura uma camada inteira da peça, assim, camada por camada a peça vai sendo produzida (ver imagem 3). As principais características das impressoras de resina é a grande qualidade (resolução) das peças, mas em contrapartida, o volume de impressão (tamanho) da peça, é bem pequeno comparado com as impressoras FDM. O processo do pós-impressão também necessita de bastante cuidados, por exemplo, é necessário uso de luvas e máscara para manusear a resina e depois da peça ter sido impressa, ela precisa ser lavada com álcool isopropílico ou álcool de cereais e receber um novo processo de cura, agora definitivo, com Luz UV, então é necessário o uso de uma lâmpada de luz UV ou a peça ser deixada um tempo na luz do Sol. A impressora também precisa ser limpa depois de todo o processo e na maioria das resinas, há um “mal cheiro” durante o processo de impressão, tanto que é altamente recomendado que se deixe a impressora em um lugar muito arejado para ela funcionar. Nas impressoras FDM, que são as que eu trabalho, em essência, um filamento de material plástico (termoplástico) de 1,75 mm de diâmetro é derretido e depositado em camadas para criar o objeto. Existem vários tipos diferentes de impressoras do tipo FDM, como as impressoras Cartesianas, Delta e CoreXY, com cada tipo tendo suas características, assim como vantagens e desvantagens. As impressoras cartesianas básicas são as mais comuns dentre as vendidas e ela tem 3 motores de passo (Um motor de passo é um tipo de motor elétrico usado quando algo tem que ser posicionado muito precisamente ou rodado de um ângulo exato. Fonte Wikipedia), um para cada eixo de movimentação, um para o eixo X, um para o eixo Y e outra para o eixo Z (eixo Imagem 3: A esquerda, uma impressora 3D de resina e na direita, uma peça sendo impressa. Imagem 4: Estrutura da cabeça de impressão (hot end) de uma impressora do tipo FDM.
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relacionado a altura) e mais um motor para a extrusão, é esse motor que empurra o filamento para o que chamamos de HotEnd (podemos chamar de cabeça de impressão, onde o filamento é derretido e forçado a passar por um bico com uma abertura bem pequena, normalmente de 0,4 mm, mas há bicos de vários tamanhos, de aberturas menores ou maiores - ver imagem 4). Com isso, a impressora consegue depositar esse material derretido com muita precisão, construindo a peça camada por camada. Destaco que mesmo na categoria de impressoras cartesianas, há impressoras com estruturas que funcionam diferentes da impressora mostrada na imagem 5. É importante dizer que por ser de longe o tipo de impressora mais vendido, a comunidade dos usuários é imensa, então há muitos vídeos e páginas na internet e grupos nas redes sociais não só sobre Impressão 3D, mas de cada marca e modelo das impressoras, muitas vezes disponibilizado orientações e modelos prontos para substituir peças ou mesmo fazer updates na impressora para melhorar a impressão ou a confiabilidade delas. As impressoras do tipo Delta também possui 4 motores de passo, 1 para a extrusora e 3 para as dimensões espaciais (os eixos X, Y e Z), a diferença é que os 3 motores das dimensões espaciais funcionam ao mesmo tempo, ou seja, qualquer movimentação da cabeça de impressão, movimenta esses 3 motores ao mesmo tempo. Ela tem um conjunto de 3 duplas de braços que, quando movimentados ao mesmo tempo, posicionam a cabeça de impressão em qualquer lugar no volume de impressão (ver imagem 6). Por não usar um sistema de posições cartesianas, ela utiliza um sistema trigonométrico para saber onde está a cabeça de impressão, qual movimento ela precisa fazer e para onde ela deve ir. 24 AstroNova . N.32 . 2021 Imagem 5: Impressora Cartesiana. Nessa impressora, a mesa de impressão se movimenta no eixo Y, a cabeça de impressão se movimenta no eixo X e o eixo X inteiro se movimenta no eixo Z. Imagem 6: Impressora 3D do tipo Delta. A cabeça de impressão, destacada pela seta, é suportada por 3 duplas de braços e cada dupla ligada a um eixo vertical que está conectado cada um a um motor de passo por correias. As principais características desse tipo de impressora são a mesa de impressão
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25 Imagem 7: Na esquerda, a estrutura de um modelo de impressora 3D do tipo Core XY. Na direita, 2 formas de acoplar os motores dos eixos X e Y para que eles funcionem ao mesmo tempo. AstroNova . N.32 . 2021 circular, a grande velocidade de impressão, alta confiabilidade, precisão e ampla capacidade de movimento. Como desvantagens, esse tipo de impressora é um pouco difícil de calibrar inicialmente e por ser muito menos comuns que as impressoras cartesianas, a comunidade dos usuários é pequena e tem poucos materiais e guias sobre essas impressoras. Uma impressora Core XY é uma impressora cartesiana, mas ela tem 1 eixo independente (eixo Z) e 2 eixos acoplados (Eixos X e Y). Nesse sistema de eixos acoplados, os motores dos eixos X e Y funcionam simultaneamente quando a cabeça de impressão se move no plano dos eixos X e Y. Esse sistema é o mesmo de uma máquina CNC. Sua principal característica é a alta velocidade de impressão, mas é o tipo de impressora 3D bem menos comum, ainda menos que as do tipo Delta, então a comunidade de usuários é bem pequena, causando dificuldades caso precise de ajuda. No processo de imprimir uma peça, outra parte importante é a escolha do filamento a ser utilizado, dependendo das características do modelo e das característica que você queira da peça impressa, um determinado tipo de filamento é mais adequado para a impressão, mas entrar em detalhes nesse assunto deixaria esse texto muito chato e complexo de ler, então não entrarei nesse assunto, mas só para não deixar passar a oportunidade, hoje em dia há muitos tipos diferentes de filamentos. Os mais comuns no Brasil são o ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno), que é derivado do petróleo e o PLA (Ácido Polilático), que é um polímero biodegradável extraído do milho e da mandioca e é um material que leva o selo Food Safe, ou seja, pode ter contato com comida e bebida. O ABS é o tipo de filamento mais barato para comprar e o PLA é de longe o filamento mais fácil de imprimir (o ABS é tão chato de imprimir que ele ganhou o apelido de Filamento do Demo e não foi a toa). Eu praticamente só uso PLA.
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Imagem 8: Tabela comparando algumas características dos filamentos para impressão 3D. 26 AstroNova . N.32 . 2021 Além desses 2 filamentos, temos o ASA, PETG, filamentos flexíveis, Tritan, HIPS, Nylon, Condutivo (eletricidade), PC (policarbonato), filamento com Fibra de Carbono, filamento com Madeira, filamento Anti-chamas, filamento Antiviral (desenvolvido muito recentemente para ajudar no combate ao Coronavírus) e ainda deve ter outros que nem consigo lembrar ou mesmo não sei que existam. Cada tipo de filamento tem as suas características próprias, tanto nas configurações para ser impresso, quanto nas propriedades da peça impressa. Por exemplo, pode-se usar o filamento Antiviral para imprimir maçanetas de portas para minimizar as chances das pessoas se contaminarem com o Coronavírus. As possibilidades são imensas. Na imagem 8, você pode ver e comparar algumas características para os diferentes tipos de filamentos. Para quem leu esse texto até aqui, tudo isso foi para mostrar um pouco do que é a impressão 3D básica, os tipos de impressoras e os tipos de filamentos que podemos usar. Na próxima edição da Revista Astronova, no Equinócio de Outono (em março/2022), apresentarei o terceiro texto da série, onde eu quero mostrar um pouco do que é o processo todo, da escolha de um modelo à impressão finalizada. Tentarei mostrar o máximo possível para que você leitor possa compreender a essência desse processo. Espero você na próxima edição. Ricardo Francisco Pereira é professor do Departamento de Física da UEM. Graduado em Física, é mestre e doutor em Educação para a Ciência e Matemática. Mantém a página Recursos de Física. Para saber mais: Qual é melhor? Impressão 3D de Filamento (FDM) ou Resina? - PLA ou ABS? Qual é o MELHOR MATERIAL para sua impressão 3D? [3D Iniciante 05] - 5 dicas imperdíveis para começar na impressão 3D - 5 dicas essenciais para começar na impressão 3D - Conheça os principais tipos de filamentos para impressão 3D - PLA, ABS ou PETG? Qual melhor material para impressão 3D? Testei e mostrei as diferenças na prática - https://www.youtube.com/watch?v=w zTTL1Ib9Zo https://www.youtube.com/watch?v=8 mgjoNvkDJ8&t=1s https://www.youtube.com/watch?v=A XFrptsR3ak https://www.youtube.com/watch?v=R vzlyi8tgf0 https://www.youtube.com/watch?v=Q CGjAXS4U0Y https://www.youtube.com/watch?v=Fi uWr__cXe4
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Super aglomerado de galáxias em Fornalha Astrofotógrafo: Fernando Oliveira de Menezes 11/07/2021 Jales - SP (Brasil)
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Cometa C/2021 A1 Leonard Astrofotógrafo: Bruno Bonicontro 18/12/2021 Sarandi - PR (Brasil)
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29 13 Wilson Guerra [email protected] Na antiguidade, o céu era visto como uma forma de comunicação com os deuses. Isso não se limitava a este ou aquele povo. Historiadores e antropólogos mostram que essa era uma prática universal de nossos antepassados. Muitas estórias e mitos têm origem de fenômenos astronômicos não compreendidos na época. Estas ocorrências facilmente se misturavam às crenças e marcaram muitas tradições em muitas culturas. Sem a Ciência Moderna, fenômenos de causas naturais muitas vezes eram interpretados pelos antigos como sinais, avisos, mensagens ou presentes divinos. Hoje, estrelas; antes, fogueiras O céu, geralmente tranquilo e passivo, por vezes também pode ser palco de poderosas forças da Natureza. Para a humanidade em seu longo estágio primevo, a fúria dos céus podiam ser facilmente intepretadas como a força de poderosos seres celestiais. É quase natural que os grupos de caçadores-coletores que nos antecederam há milhares de anos chegassem a essas conclusões ao ver raios, fortes tempestades, furacões, tornados... Em um didático exercício de antropologia, o astrônomo Carl Sagan especula da seguinte maneira o que se poderia imaginar de um ancentral nosso ao pensar sobre o céu: “Nós somos um povo caçador nômade. O fogo nos mantém aquecidos. Sua luz abre ‘buracos’ na escuridão. Ele afasta os animais famintos. Na claridade, podemos ver uns aos outros e conversar. Nós cuidamos da chama. A chama cuida de nós. As estrelas não estão próximas de nós. Quando subimos numa colina ou numa árvore elas não ficam mais próximas. Elas piscam com uma luz estranha, fria, distante. Muitas delas, todas pelo céu. Mas só a noite. Eu fico imaginando o que elas são. Uma vez eu pensei que as estrelas eram chamas. Elas davam pouca luz à noite, como o fogo. Talvez as estrelas são na formação de diferentes ASTRONÔMICA A influência CULTURAS ASTRONOMIA CULTURAL
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fogueiras que outros nômades acendem a noite. As estrelas dão muito menos luz do que as fogueiras, então devem estar muito distantes. Fico pensando se as nossas fogueiras parecem estrelas para as pessoas no céu. Mas porque aquelas fogueiras e os nômades que as fizeram não caem em nossos pés? Por que tribos estranhas não caem do céu? Aqueles seres do céu devem ser muito poderosos! Foi de pensamentos parecidos com essa descrição que derivaram as crenças relacionando divindades às estrelas. Gregos: os deuses desenhando no céu Ao ver o céu a olho nu em uma noite sem Lua e longe da poluição luminosa, o número de estrelas visível é estonteante. Estima-se que podemos ver em torno de 5 mil estrelas nestas PERIGEU APOGEU Na série original de Cosmos, Carl Sagan trata da forma como os povos pré-históricos imaginariam os céus. Em todas as culturas, crenças e religiões foram marcadas por fenômenos astronômicos pouco compreendidos em sua época. condições. As mais brilhantes parecem formar conjuntos que lembram figuras. É como nos almanaques de liga-pontos. Estes conjuntos de estrelas que formam figuras são as constelações, e constituem nossos atuais mapas celestes. Para os gregos clássicos a figuras imaginadas das constelações eram um capricho dos deuses. Cada constelação tinha uma história mitológica. Segundo os historiadores, muitas delas foram incorporadas pelos gregos de culturas ainda mais antigas. Uma das mais conhecidas envolve Órion e o Escorpião, com várias versões. Em uma delas, Órion era um caçador apaixonado por Ártemis. O irmão dela, Apolo, não concordava com esta aproximação e enviou um escorpião gigante para matá- lo. Órion sempre conseguia fugir. Em uma das fugas pelo mar, Apolo engana Ártemis, exímia atiradora, ao desafiá-la acertar um ponto distante no oceano. O alvo era Órion. Arrasada ao descobrir que matou seu amor, Ártemis pede a Zeus para colocá-lo no céu, que concede seu desejo. Zeus faz o mesmo com o escorpião, fixando-os em posições opostas. Por isto, quando a constelação do Escorpião surge no horizonte leste, 20 Foto do céu com as estrelas que compôem a constelação de Órion (acima) e sua representação (abaixo). No destaque, o cinturão de Órion (”as 3 Marias”). AstroNova . N.32 . 2021 30
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Órion se põe no oeste. Hoje sabemos que as estrelas que formam uma constelação não estão ligadas entre si e raramente se encontram próximas umas das outras. Isso não era conhecido na antiguidade. Estrelas de uma constelação que estão muito distantes podem ter uma “vizinha” bem mais próxima de nós. Isto significa que ambas tem anos-luz de distância entre si. A impressão de estarem lado a lado é só um efeito de perspectiva da nossa posição de observação na Galáxia. A Estrela de Belém: supernova ou um cometa Os adeptos do cristianismo acreditam que no mundo antigo a humanidade testemunhou a presença de um messias: Jesus. Ele veio para salvar-nos do pecado. Seu local de nascimento teria sido indicado por uma estrela repentina e inesperada: a Estrela de Belém. Esta estrela guiou os três Reis Magos, que eram astrônomos de tribos antigas que constituíam o povo meda. A principal hipótese para a aparição da estrela de Belém é que, na realidade, se tratava de uma nova ou uma supernova. Uma nova é um fenômeno onde uma estrela passa repentinamente a brilhar milhares de vezes mais que o habitual. Se ela era inobservável a olho nu antes do fenômeno, durante sua ocorrência a estrela pode ser vista. É como se a estrela aparecesse subitamente no céu (mas na realidade estava lá o tempo todo). Já uma supernova faz a estrela brilhar milhões de vezes mais. Em ambos os casos o fenômeno pode durar dias ou até semanas. Baseados em registros muito precisos de astrônomos chineses antigos, pesquisadores britânicos afirmam que a Estrela de Belém provavelmente foi uma nova que ocorreu na primavera de 5 AEC. A data é compatível com o provável ano de nascimento de Jesus, entre 5 e 7AEC. segundo especialistas católicos. Outra hipótese menos provável mas que não deve ser desconsiderada é de que a Estrela de Belém fosse um cometa. Como as novas, os cometas não eram compreendidos na época e por esta razão podiam ser chamados de “estrelas”. Nos presépios, que são representações simbólicas do local humilde onde para os cristãos o Salvador nasceu, é comum ilustrar a Estrela de Belém como um cometa. É difícil que tenha sido o famoso cometa Halley. Mas dois outros cometas estão nos registros chineses: um em março de 5AEC e outro em abril de 4AEC. Mesmo mais afastadas da data da estrela nova, é importante lembrar que muitos eventos religiosos são estabelecidos a posteriori, muito depois da ocorrência, como lembra o famoso antropólogo e mitologista Joseph Campbell. Islã: um meteorito em Meca? Meca é a cidade mais sagrada do mundo para os muçulmanos, adeptos da Ilustração retrata os três Reis Magos seguindo a “Estrela de Belém”. É provável se tratava de uma explosão estelar do tipo nova ocorrida na antiguidade. AstroNova . N.32 . 2021 31
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Milhares peregrinando em Meca, a cidade sagrada dos muçulmanos. A estrutura cúbica no centro é a Caaba. Muçulmanos contemplando a Pedra Negra, que pode ser um meteorito. religião islâmica. Na antiguidade Meca foi um importante centro comercial. Em torno do ano 600 Maomé, o principal profeta dos muçulmanos e fundador do Islã, teria transformado um templo de deuses antigos em um local de adoração monoteísta, o deus único Allah. Uma estrutura cúbica foi construída no centro do que hoje é a Grande Mesquita, e foi denominada Caaba. Todos os anos milhões de muçulmanos fazem peregrinação para Meca e tentam se aproximar da Caaba. Em uma de suas arestas há uma rocha especial. Ela é chamada de Pedra Negra. Pela tradição muçulmana a Pedra Negra veio do céu, trazida por um anjo. Eles acreditam que ela era branca mas que se tornou escura com o tempo como resultado dos pecados humanos. O que para antigos foi um presente trazido do paraíso, hoje parece-nos muito com um meteorito. Os meteoritos rochas espaciais que entram na atmosfera da Terra em grande velocidade. A maioria se desintegra no processo e são chamados de meteoros. Quando algum fragmento consegue chegar até a solo, recebe o nome de meteorito. Como os pesquisadores não tem acesso à Pedra Negra, ainda não há como detalhar sua composição e origem. Festas e calendários Eventos astronômicos notáveis também definem datas festivas e medem períodos de tempo. O Natal, por exemplo deriva do solstício. Já era comemorado antes do cristianismo, celebrando o início da redução gradativa do inverno (no hemisfério norte), e foi ressignificada, estrategicamente, pela Igreja Católica. A duração da semana é definida pelos ciclos lunares, assim como é a base do calendário judaico. De várias formas, herdamos o conhecimento das estrelas. Wilson Guerra é professor, graduou-se em Física (UEM), tem especialização em Astrobiologia (UEL) e é mestre em Educação Científica (UEM). Leitura Recomendada: O Livro de Ouro do Universo Rogério Mourão; Editora Zahar Astronomia nos Descobrimentos. A importância dos árabes e dos judeus nas descobertas Rogério Mourão, Lacerda Editora As transformações dos mitos através dos tempos Joseph Campbell; Editora Cultrix O tempo que o tempo tem A. Cherman; F. Vieira; Zahar Editor 20 AstroNova . N.32 . 2021 32
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Rafael Cândido Jr. [email protected] Em nosso senso comum, consideramos matéria como tudo aquilo que tem massa e ocupa um lugar no espaço, ou seja, tem volume. Dentro da Física essa definição também é válida e inclui que a matéria é constituída de átomos e estes são constituídos de elétrons, que possuem carga elétrica negativa; prótons, que possuem carga elétrica positiva, e nêutrons, sem carga elétrica. Mas, será que existem as partículas com o sinal de carga trocado? Ou seja, um elétron positivo? Um próton negativo? E o nêutron? Seria o mesmo? E se estas partículas com sinal trocado existem, como seria a matéria formada por estas partículas? Neste artigo vamos conhecer um pouco O UNIVERSO INVERTIDO DA ANTIMATÉRIA mais e tentar responder algumas destas perguntas. Primeiras ideias e descobertas O conceito de uma “matéria ao contrário” foi proposto ao final do século 19 pelo físico alemão Arthur Schuster. Em duas cartas escritas para a revista Nature, Schuster propôs uma hipótese de existência de uma matéria constituída de antiátomos, que poderiam formar uma antimatéria (foi a primeira vez que este termo foi citado) e que esta antimatéria apresentaria uma antigravidade. Porém o assunto não foi levado a frente, foi considerado apenas um exercício de imaginação de Schuster. Em 1928, o físico inglês Paul Dirac publicou o artigo Teoria quântica do elétron. Neste artigo, Dirac aprimora a Equação de Schrödinger da Mecânica Quântica conseguindo acoplar nesta equação a componente da Relatividade de Einstein. Como resultado desta equação, foi definida a massa do elétron e comprovado matematicamente que este tem uma carga elétrica negativa. A outra solução da equação definia uma partícula com a mesma massa do elétron, porém com carga elétrica positiva. Na época, não se conhecia nenhuma partícula com a mesma massa do elétron e que tivesse a carga oposta, ou seja, positiva. Mesmo assim, essa hipotética partícula foi denominada pósitron e permaneceu como uma hipótese até 1932, quando um experimento realizado pelo físico estadunidense Carl David Anderson descobriu a 33 FÍSICA DE PARTÍCULAS
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34 AstroNova . N.32 . 2021 partícula com as mesmas propriedades previstas pela equação de Dirac. Por esta realização, Anderson foi laureado com o Nobel de Física de 1936. Em 1933, durante seu discurso no recebimento do Nobel de Física de 1933, Paul Dirac previu a existência do antipróton, ou seja, uma partícula com a mesma massa do próton, porém com carga elétrica negativa, a qual foi confirmada experimentalmente em 1955 no acelerador de partículas Bevatron da Universidade da Califórnia, Berkeley, pelos cientistas Owen Chamberlain, dos EUA, e Emilio Gino Segre, da Itália. Ambos foram laureados com o Nobel de Física em 1959. Em 1956, um ano depois da descoberta do antipróton, no mesmo acelerador de partículas, o Bevatron, foi descoberto o antinêutron por uma equipe de cientistas composta pelos estadunidenses Bruce Cork, Glen Lambertson, William Wenzel e o italiano Oreste Piccioni. Entretanto, esta descoberta não foi laureada com o Nobel. Cadê a antimatéria que estava aqui? Com a descoberta destas partículas de antimatéria, surge a seguinte questão: Se no início do Universo, quando este era extremamente quente e denso, houve o processo de bariogênese, ou seja, geração de matéria bariônica, em igual proporção entre matéria e antimatéria temos um paradoxo: ou deveria existir matéria e antimatéria em quantidades iguais no Universo, ou ocorreria a aniquilação de toda a matéria com a antimatéria, formando um Universo apenas com radiação. Porém, nenhum dos dois casos se verifica a partir de dados de observação do Universo. Não seria possível diferenciar uma estrela que fosse constituída de antimatéria de outra constituída de matéria pois ambas respondem da mesma forma à interação gravitacional e à interação eletromagnética. Então, a detecção de antimatéria só é possível quando esta interage com a matéria no fenômeno da aniquilação. Quando um elétron interage com um pósitron ambas as massas são totalmente aniquiladas e convertidas em fótons de raios gama, ou seja, a matéria é transformada em onda eletromagnética, radiação, conforme a conhecida equação de Einstein: E = mc². Portanto, se a proporção de antimatéria em relação à Arthur Schuster (1851 – 1934) Primeira fotografia de experimento em câmera de nuvem revelando a trajetória do pósitron (a linha curva fina da parte superior, a linha na parte inferior é a trajetória do elétron). Carl David Anderson (1905 – 1991)
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35 AstroNova . N.32 . 2021 matéria fosse próxima de 50%, haveria a detecção de maiores intensidades de raios gama por sondas espaciais. Porém isso não se verifica nas observações, o que mostra que há muito mais matéria do que antimatéria. Esta assimetria na proporção entre matéria e antimatéria é denominada assimetria bariônica e, até o momento, não há uma explicação para este fato ter ocorrido durante a evolução do Universo. Antimatéria natural e artificial Provavelmente, toda a antimatéria gerada durante a bariogênese foi aniquilada; de modo que a antimatéria existente hoje é resultante de processos naturais. As partículas de antimatéria formadas naturalmente mais próximas de nós são resultantes do decaimento beta (mais detalhes no artigo As Forças Fundamentais do Universo, edição 30 da Revista Astronova) e na interação dos raios cósmicos com a atmosfera e com o campo magnético da Terra, resultando em sua presença no cinturão de Van Allen. Em 15 de junho de 2006 foi lançado do Cosmódromo de Baikonur o satélite russo Resurs-DK1 com o módulo PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics). Desenvolvido em conjunto pela Rússia, Itália, Alemanha e Suécia, este módulo foi projetado para durar 3 anos e analisar fluxos de prótons, antiprótons, elétrons, pósitrons, núcleos leves e antinúcleos presentes nos cinturões de Van Allen. As descobertas mostraram que o cinturão interno apresenta um fluxo significativo de antiprótons que são produzidos pela interação de raios cósmicos com átomos na atmosfera superior da Terra, criando antinêutrons que decaem para antiprótons. Desse modo, quando um antipróton interage com um próton, possivelmente proveniente do vento solar, ocorre aniquilação e a emissão de fótons de raios gama. Os dados obtidos pelo módulo PAMELA mostram que a aniquilação de antimatéria ao redor da Terra é muito comum. A produção artificial de antimatéria depende do tipo de partícula a ser obtida. No Laboratório Nacional Lawrence Livermore nos EUA, pósitrons são obtidos através do uso de lasers em uma folha muito fina de ouro, de modo que os elétrons decaem a pósitrons. Antiprótons e antinêutrons necessitam de muito mais energia para serem obtidos, de modo que estas partículas são produzidas apenas em aceleradores de partículas mais potentes. Antinúcleos são constituídos de mais de um antipróton e mais de um antinêutron e a energia para produzi-los é ainda mais alta. O átomo de antihélio-3, no qual o núcleo é constituído de 2 antiprótons e 1 antinêutron, foi obtido durante os anos 70 durante os experimentos de colisão de prótons e núcleos realizados no Instituto de Física de Altas Energias em Protvino, na época ainda era Owen Chamberlain (1920 – 2006)Emilio Gino Segre (1905 – 1989)
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As cores primárias (vermelho, verde e azul) estão relacionadas aos quarks. As cores secundárias (ciano, magenta e amarelo) estão relacionadas ao antiquarks. 36 AstroNova . N.32 . 2021 União Soviética. Somente no ano de 2011 que foi reportada a observação do núcleo antihélio-4, também denominado de partícula anti-alfa. Durante este ano de 2021, até o momento (dezembro de 2021), o Espectrômetro Magnético Alfa instalado na Estação Espacial Internacional detectou no espaço a partícula de antihélio-3 em 8 eventos. Cargas elétricas e... cores inversas! Como citado anteriormente nos artigos nas edições 30 e 31 da Revista Astronova, o elétron é uma partícula indivisível do grupo dos léptons e tem massa de 0,511 MeV/c², número de spin ½ (relacionado ao “giro” do elétron) e carga elétrica -1. O pósitron tem a mesma massa e o mesmo número de spin, porém com carga +1, e assim como o elétron, é também uma partícula indivisível. Ao se comparar o próton e o antipróton, ambos têm a mesma massa (938,3 MeV/c²), o mesmo número de spin (igual ao do elétron, ½), mas as cargas são contrárias, sendo o próton com carga +1 e o antipróton com carga -1. Porém, o próton não é indivisível. Como visto anteriormente, o próton é formado por três quarks, que se caracterizam por ter cores e sabores. Assim, o próton é constituído por um quark up azul, um quark up vermelho e um quark down verde. Como estes quarks tem cargas fracionárias, a soma destas é +1. Mas, e para o antipróton? Os quarks que formam são os mesmos do próton? Ou existem antiquarks? Os antiprótons são constituídos por antiquarks e estes também têm sabores e cores. O próton é constituído por quarks de sabores up e down, no caso do antipróton, são dois antiquarks up e um antiquark down, que são representados pelas letras u Representação artística dos cinturões de Van Allen. O interno (em vermelho) tem predominância de prótons e antiprótons, o externo (em ciano) tem predominância de elétrons e pósitrons.
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37 AstroNova . N.32 . 2021 e d com uma barra acima. Em relação às cores, para entender as cores inversas dos antiquarks, temos que relembrar o conceito de cores primárias e secundárias. As cores primárias são o vermelho (red), o verde (green) e o azul (blue); o que dá origem ao sistema RGB comum em muitos softwares gráficos e as cores secundárias são as cores geradas pela combinação de duas das cores primárias. Foi com esse sistema que o físico Murray Gell-Mann construiu o conceito de carga de cor para quarks. Para os antiquarks, foram propostas as anti-cores. Porém, o que seria uma cor anti-azul? E uma cor anti- verde? Ou a cor anti- vermelho? Baseando-se no sistema RGB, uma cor anti- vermelha seria uma cor composta apenas pelas cores verde e azul, ou seja, o ciano. Da mesma forma, uma cor anti-verde é composta pelas cores vermelha e azul, que gera a cor magenta. E a cor anti- azul é composta pelas cores vermelha e verde, gerando a cor amarela. Então, o antipróton é constituído por um antiquark up de cor amarela, um antiquarkup de cor ciano e um antiquark down de cor magenta. Como a carga do antiquark up é 2/3 e do antiquark down é +1/3, então a carta total do antipróton é 2.(-2/3)+(+1/3) = -1. Isso explica a formação de antinêutron. Se considerarmos apenas a troca de sinal de carga elétrica, o antinêutron não faria sentido porque sendo a carga do nêutron nula não haveria carga contrária. Mas, ao avaliar que o nêutron não é uma partícula fundamental, mas sim constituído de quarks; então o antinêutron, embora seja de carga nula, é uma antipartícula constituída de antiquarks. Sendo o nêutron constituído de um quark up azul, um quark down verde e um quark down vermelho; o antinêutron é constituído de um antiquarkup amarelo, um antiquark down magenta e um antiquark down ciano. Somando as cargas destes antiquarks tem-se a seguinte carga resultante: 2. (+1/3) + (-2/3) = 0 Isso explica a formação de antinêutron. Se considerarmos apenas a troca de sinal de carga elétrica, o antinêutron não faria sentido porque sendo a carga do nêutron nula não haveria carga contrária. Mas, d uu d u d d uu d u d Representação esquemática dos quarks e antiquarks que constituem o próton, o antipróton, o nêutron e o antinêutron. Próton Nêutron Antipróton Antinêutron
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38 AstroNova . N.32 . 2021 ao avaliar que o nêutron não é uma partícula fundamental, mas sim constituído de quarks; então o antinêutron, embora seja de carga nula, é uma antipartícula constituída de antiquarks. A antimatéria próxima de nós A princípio, a antimatéria parece algo restrito aos institutos científicos e com aplicações apenas em pesquisas de Física de partículas, mas ela está muito próxima de nós e tem muita aplicação no cotidiano. Existe um exame denominado tomografia por emissão de pósitrons (em inglês, PET) que utiliza radionuclídeos emissores de pósitrons, os quais, na sua desintegração, emite raios gama que são detectados por sensores e formam as imagens do exame. Este exame tem diferentes aplicações e para cada uma há utiliza-se um isótopo diferente para a emissão de pósitrons e um transportador diferente destes isótopos. Em um exame PET oncológico, ou seja, voltado à detecção de tumores, é injetada na corrente sanguínea um análogo da glicose contendo núcleos do isótopo flúor-18 18 (F), que sofre decaimento beta e tem meia-vida de 2 horas. Assim, tecidos que apresentem algum tumor benigno ou maligno consumirão muito mais glicose que um tecido sem tumor. A aniquilação pósitron-elétron emite raios gama que são captados por sensores e estes sinais são levados a um computador para processamento, de modo que pode ser determinado o tipo do tumor e construída sua imagem tridimensional. O cérebro é o órgão que mais consome oxigênio em nosso organismo, portanto, no PET cerebral é utilizado o 15 isótopo oxigênio-15 (O) associado ao análogo da glicose. Este exame permite a avaliação da atividade cerebral em casos de isquemia, mal de Alzheimer e mal de Parkinson. Atualmente se estuda o uso do isótopo flúor-18 associado a um precursor da dopamina para avaliação de probabilidade de desenvolvimento do mal de Parkinson. Atualmente há outros estudos relativos a outras aplicações da antimatéria em exames médicos e avaliações farmacológicas. É importante lembrar que estes estudos são interdisciplinares pois envolvem pesquisadores em Estatística, Computação, Química, Física, Biologia, Engenharias e outros assuntos correlatos. Antimatéria para o bem... e para o mal. Há uma proposta para a construção de futuras naves interplanetárias e interestelares de utilização de motores de pulso nuclear que utilize a antimatéria como fonte de energia para o voo espacial.A energia liberada com o uso de antimatéria seria aproximadamente 100 vezes maior que a energia obtida em uma possível propulsão nuclear baseada em fusão nuclear, 1000 vezes maior que em uma propulsão nuclear baseada em fissão nuclear e cerca de 10 bilhões de vezes maior que a energia liberada em um motor foguete químico convencional. Porém, estes tipos de motor foguete utilizando a antimatéria só poderiam ser utilizados no espaço, devido à emissão de raios gama. Atualmente este tipo de motor foguete está no campo da pesquisa teórica, dada a dificuldade de obtenção, manipulação e armazenamento da antimatéria. Uma aplicação muito controversa que foi considerada principalmente Tomógrafo PET, também denominado PET scanner.
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Representação artística de uma armadilha de Penning e da antimatéria no filme Anjos e Demônios. 39 pela Força Aérea dos EUA, é o uso da antimatéria como gatilho de armas atômicas ou como arma de destruição em massa. No caso de uso como arma, a liberação de raios gama devido à aniquilação seria suficiente para acabar com seres vivos em uma determinada área sem deixar resíduos radioativos como em uma arma nuclear comum. Porém a dificuldade encontrada é a mesma dos motores foguetes, não é fácil “segurar” a antimatéria por muito tempo, o que inviabilizou o projeto das armas de destruição em massa (Ufa!!! Ainda bem!). Antimatéria na ficção Como todo assunto científico, a antimatéria já esteve presente em trabalhos de ficção científica como contos, séries e filmes. A primeira referência a antimatéria foi em um conto do escritor Jack Williamson (1908 – 2006) no qual astronautas de um futuro distante se arriscavam na exploração de asteroides constituídos de antimatéria. Este conto entitulado Collision Orbit foi publicado pela revista Astounding em 1942 e nele, o protagonista é um engenheiro da missão que usa um sistema de ímãs para capturar a antimatéria sem encostar em nada, o que causaria uma explosão. Interessante que este é o princípio de funcionamento da armadilha de Penning, que é utilizada para a contenção de antipartículas. A armadilha de Penning também está presente no livro e no filme Anjos e Demônios. No enredo, uma pequena massa de antimatéria armazenada em um bastão é roubada e como a armadilha é mantida funcionando com uma bateria, após um determinado tempo, a bateria irá acabar e a antimatéria entraria em contato com a matéria de modo que 1 grama de antimatéria liberaria energia suficiente para vaporizar a cidade de Roma. E não podemos esquecer de dois clássicos; um é o livro Eu, Robô de Isaac Asimov no qual os robôs apresentavam um cérebro positrônico, ou seja, a corrente elétrica nos cérebros destes robôs era resultante de um fluxo de pósitrons. O outro clássico é a série Star Trek, no qual a nave Enterprise era movida a propulsores de antimatéria. Rafael Cândido Jr. é graduado e mestre em Engenharia Química (USP) e doutorando em Engenharia Aeroespacial. Integra o grupo de astronomia Arcturus, da UFABC. Para conhecer mais: O enigma da antimatéria: Conseguiram manipular a antimatéria: Antimatéria e a assimetria do Universo (e Big Bang!): https://youtu.be/LJML4ffF4i0 https://youtu.be/5JHUtXbd5fY https://youtu.be/pLlrF2GcXDE AstroNova . N.32 . 2021 Representação artística de um foguete movido a antimatéria.
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Cometa C/2021 A1 Leonard Astrofotógrafo: Maico Zorzan 18/12/2021 Sarandi - PR (Brasil) Cometa C/2021 A1 Leonard Astrofotógrafo: Maico Zorzan 18/12/2021 Sarandi - PR (Brasil)