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À Divisão de Energia Nuclear (ENU) compete realizar pesquisa e desenvolvimento de sistemas núcleo-elétricos compactos geradores de energia para aplicações espaciais e de Defesa, estudos dos efeitos das radiações ionizantes, bem como assessoramento no campo de conhecimento da energia nuclear.
A Divisão de Energia Nuclear possui dois interesses básicos:
- A avaliação de microrreatores nucleares com potência elétrica no intervalo de 0,1 a 1000 kW para aplicações terrestres em regiões isoladas ou aplicações espaciais, com confiabilidade e portabilidade elevadas. Para tanto, desenvolve competências em métodos de cálculo de núcleo de reatores nucleares; análise de tipos de combustível e novos materiais em sistemas nucleares, integrado ao enriquecimento isotópico; análise e desenvolvimento de ciclos térmicos (Brayton e Stirling) para conversão de energia térmica em energia elétrica; análise e desenvolvimento de tubos de calor para condução e rejeição passiva de calor; simulação computacional em transporte de partículas aplicadas a outros sistemas nucleares.
- A análise e medição de efeitos da radiação espacial na atmosfera terrestre e o estudo da interação e efeitos da radiação ionizante sobre indivíduos, materiais, componentes e sistemas expostos à radiação nas aplicações aeroespaciais são também elementos de destaque e desenvolvimento nessa Divisão.
{slider Principal}
Chefe: Maj Av Renato Carvalho Santos Gomes da Silva [lattes] [email]
Adjunto: Dr. Alexandre David Caldeira [lattes] [email]
Secretária:Valéria Maria Nunes Julião [email]
A Divisão de Energia Nuclear (ENU) é composta pela Subdivisão de Engenharia e Física de Reatores (ENU-E) e pela Subdivisão de Aplicações das Radiações (ENU-A).
{slider Subdivisões}
Subdivisão de Engenharia e Física de Reatores (ENU-E)
Chefe: Dr. Abel Antônio da Silva [lattes] [email]
À Subdivisão de Engenharia e Física de Reatores (ENU-E) compete: realizar pesquisa e desenvolvimento nas áreas de neutrônica, blindagem de radiação, queima de combustível nuclear, cinética de reatores, transferência de calor, mecânica dos fluidos e materiais aplicáveis à energia nuclear; desenvolver, aplicar, verificar e validar métodos computacionais em transporte de partículas e radiação; projetar e analisar núcleos de reatores; realizar pesquisa na área de sistemas térmicos, incluindo em especial ciclos térmicos e componentes, aplicados ao balanço de planta de reatores nucleares; realizar pesquisas relacionadas a bibliotecas de dados nucleares avaliados e sistemas de processamento de dados nucleares. Compete ainda a Subdivisão operar e manter o seu Laboratório Computacional;
A Subdivisão de Engenharia e Física de Reatores (ENU-E) é constituída pelo Laboratório de Sistemas Térmicos “Viviane H.T.R. Hirdes” (LST).
Subdivisão de Aplicações das Radiações (ENU-A)
Chefe: Dr. Claudio Antonio Federico [lattes] [email]
À Subdivisão de Aplicações das Radiações (ENU-A) compete: realizar pesquisa e desenvolvimento sobre as interações e os efeitos das radiações ionizantes em materiais, dispositivos e sistemas voltados para:
I - o ambiente aeroespacial e sistemas aeroespaciais;
II - aplicações, dosimetria e transporte das radiações ionizantes;
III - defesa radiológica e nuclear, bem como, para a radioproteção do ser humano, equipamentos, instalações e meio ambiente.
A Subdivisão de Aplicações das Radiações (ENU-A) é constituída pelo Laboratório de Radiação Ionizante (LRI) e Laboratório de Dosimetria Aeroespacial (LDA).
{slider Laboratórios}
Laboratório de Sistemas Térmicos “Viviane H. T. R. Hirdes” (LST)
Ao Laboratório de Sistemas Térmicos “Viviane H. T. R. Hirdes” (LST) compete: prestar apoio técnico a projetos e atividades no desenvolvimento de ciclos térmicos, que possibilitem a transformação de calor em energia elétrica e/ou efeito propulsivo, no desenvolvimento de tubos de calor para transferência e rejeição passiva de calor e no desenvolvimento de turbinas passiva multi fluido para aplicações nucleares e aeroespaciais.
Laboratório de Radiação Ionizante (LRI)
Responsável: Eng. M.C. Antonio Cintra Pereira [email:
O Laboratório de Radiação Ionizante (LRI) é uma instalação de irradiação e ensaios, que conta com uma fonte de raios gama (Co-60) e uma fonte de nêutrons. As atividades do laboratório são voltadas para simulação acelerada de radiação cósmica para testes e estudos dos seus efeitos transientes (SEE) e permanentes (danos) em componentes semicondutores, componentes lógicos, processadores, memórias, circuitos analógicos/digitais, fibras ópticas, materiais, sensores e demais dispositivos eletro-ópticos, para a sua qualificação para uso em satélites, sondas, e aeronaves. A instalação tem estrutura para operação remota, de forma que experimentos longos podem ser conduzidos em regime 24/24h, sem interrupções.
O Laboratório conta com uma equipe especializada na área técnica para propor, preparar e executar ensaios de radiação em componentes e sistemas eletrônicos. Para a preparação dos experimentos, é usada a infraestrutura do Laboratório de Caracterização de Dispositivos Semicondutores, que conta com os equipamentos para medidas elétricas, e do Laboratório de Dosimetria Aeroespacial (LDA) para a caracterização e padronização dos campos de radiação.
Abaixo são apresentados alguns detalhes técnicos das fontes atualmente disponíveis para ensaio no LRI:
- Fonte gama: 60Co, energia média de 1,23 MeV, range de taxa de dose aproximado entre 0,1krad/h(ar) a 5 krad/h(ar) (1Gy/h a 50Gy/h). Uma planilha que permite o cálculo das doses para diferentes condições de ensaio no LRI pode ser solicitada junto aos responsáveis.
- Fonte de nêutrons de Deutério-Trítio (DT), energia média de 14 MeV, Fluência máxima de 4x104 n/(cm2.s) a 20cm da fonte.
A agenda de ensaios do LRI é dinâmica e a solicitação de ensaio segue uma metodologia descrita na aba "Solicitação de Apoio/Ensaio".
Laboratório de Dosimetria Aeroespacial (LDA)
O Laboratório de Dosimetria Aeroespacial (LDA) possui a finalidade de prover apoio técnico científico para pesquisa e desenvolvimento da radioproteção aeroespacial e na Defesa. Em especial foi concebido para apoiar pesquisas relacionadas a medições da dose de radiação ionizante em aplicações de interesse aeroespacial e de Defesa, incluindo seus efeitos em aviônicos, tripulações, materiais e demais sistemas aeroespaciais; desenvolver, implementar e qualificar sistemas detectores e dosimétricos de radiação ionizante para os ambientes aeroespacial e nuclear; realizar medições e análises de amostras radioativas e blindagens para fins de radioproteção, controle de rejeitos radioativos e monitoração ambiental e realizar simulações dos campos de radiações ionizantes e sistemas neles operantes, como também em outros ambientes de radiação em emergências e em acidentes radiológicos ou nucleares, e eventos de DQBRN (Defesa Química, Biológica, Radiológica e Nuclear).
Os seguintes equipamentos estão disponíveis no Laboratório de Dosimetria Aeroespacial (LDA), alguns dos quais já previamente aferidos para o campo de radiação cósmica, em laboratórios no exterior:
- Contador proporcional tecido equivalente - TEPC: trata-se de um equipamento que proporciona a medição do espectro de energia lineal das partículas no tecido humano. O resultado pode ser convertido para dose equivalente e consiste no equipamento padrão ouro para a determinação da dose equivalente no ambiente aeroespacial.
2.Espectrômetro de partículas que mede energia depositada no silício, com conversão para equivalente de dose ambiente.
- Fantoma Antropomórfico para Testes e Irradiação e Monitoramento Aeroespacial (FATIMA): trata-se de um simulador do organismo humano, modelo Alderson-Rando, que simula a constituição anatômica do organismo e permite analisar a distribuição de dose dentro dos órgãos específicos do corpo humano.
- Sistema de dosimetria termoluminescente contando com leitora e pastilhas termoluminescentes de diferentes tipos para fótons e nêutrons (LiF, CaSo4, ..).
{slider Projetos}
Projeto TERRA – Tecnologia de Reatores Rápidos Avançados
Gerente do projeto e Contato: Maj Av. Nicolas Eilers Smith Santana [e-mail] Tel.: (12) 3947-5500
Objetivo geral – propiciar o desenvolvimento de tecnologias que permitirão a aplicação da energia nuclear para a geração de energia elétrica e efeito propulsivo nos dispositivos espaciais brasileiros, tais como: satélites e naves espaciais.
Uma visão de futuro para o Comando da Aeronáutica é a necessidade do poder aeronáutico tornar-se, ainda neste século, poder espacial. A preocupação com a região do espaço na órbita da Terra ocorre devido a uma vasta gama de atividades, como aquelas relacionadas a telecomunicações, controle da ocupação humana, acompanhamento do desmatamento e das fronteiras da Amazônia azul, previsão climática. Além disso, há possibilidades de exploração do espaço profundo, com vistas a pesquisas e exploração de recursos. Sabe-se que existem praticamente todos os elementos químicos no cinturão de Asteróides, localizados um pouco além da órbita de Marte, sem contar a existência de água na Lua, em asteroides e outros corpos celestes.
A exploração econômica do espaço profundo requer a presença Humana de forma mais perene, o que irá necessitar, obrigatoriamente, de grande quantidade de energia, seja para gerar eletricidade, seja para propulsão. Com base nas tecnologias disponíveis e viáveis até o momento, esse objetivo não pode ser alcançado sem o uso da energia nuclear. Assim, evidencia-se um momento forte para a utilização de reatores nucleares no espaço, sem contar na atual existência de condições e interesses políticos e econômicos, que antes não eram tão presentes.
Neste contexto, o projeto TERRA é bastante oportuno e, com o seu desenvolvimento, o Brasil pode tornar-se membro do seleto grupo de países que possuem e utilizam a tecnologia nuclear no espaço, promovendo desenvolvimento tecnológico e acesso a riquezas que, de outra forma, não podem ser obtidas. Assim, o projeto TERRA pode dar ao Brasil a oportunidade de desenvolver tecnologias nucleares para aplicação espacial dentro de uma janela de oportunidade favorável, a partir de nossas capacitações, com soluções próprias que busquem a autonomia nacional.
Entre as tecnologias consideradas estratégicas para serem investigadas estão os elementos combustíveis e seus materiais, núcleos e seus arranjos geométricos, ciclos térmicos conversores de energia térmica em elétrica (Brayton e Stirling), tubos de calor e seus sistemas eliminadores passivos de calor residual, conceitos alternativos de turbinas (como a turbina de Tesla), dentre outras.
Projeto CITAR – Circuitos Integrados Tolerantes à Radiação
Gerente local e Contato: Dr. Odair Lelis Gonçalez [email]
Tel.: (12) 3947-5501
Este projeto visa à consolidação de competência para a realização do ciclo completo de desenvolvimento (especificação, projeto, simulação, layout, envio para fabricação, encapsulamento, teste e qualificação) de Circuitos Integrados tolerantes a radiações, para aplicações aeroespaciais e afins. O uso de componentes eletrônicos com tais características é de extrema importância para sistemas aeroespaciais, visto que estão constantemente submetidos a radiações ionizantes (no espaço e na atmosfera).
Devido ao caráter estratégico do setor aeroespacial, existe um histórico de embargos, atrasos e limitações nos processos de importação de componentes específicos de forma que vários projetos do setor foram prejudicados e até mesmo encerrados. Portanto, apesar de haver uma grande disseminação de conhecimento teórico dos efeitos da radiação em eletrônicos, o conhecimento de aplicação e desenvolvimento é restrito de forma que é necessário que o Brasil desenvolva tal tecnologia de forma autóctone.
Neste projeto, o escopo concernente ao IEAv é:
1) Promoção de cursos de pós-graduação na área de circuitos tolerantes à radiação;
2) Projetos, simulações e ensaios de blocos básicos de circuitos eletrônicos (como amplificadores operacionais, comparadores e referências de tensão/corrente);
3) Estudo de técnicas de projeto e layout que melhorem o desempenho de circuitos em radiação;
4) Realização de ensaios de radiação em componentes eletrônicos produzidos no projeto;
5) Assessoramento na elaboração do planejamento de ensaios de radiação.
Projeto ERISA-D – Efeitos da Radiação Ionizante em Tripulações, Sistemas Aeroespaciais e Defesa
Gerente do projeto e Contato: Dr. Claudio Antônio Federico [email]
Tel.: (12) 3947-5504
O ERISA-D é um projeto que visa à consolidação de capacitação na área de Efeitos da Radiação Ionizante em três áreas: Sistemas Aeroespaciais, Tripulação e Defesa. A importância disso é devido ao fato de a radiação ionizante, seja de origem natural seja oriunda de sistemas humanos, afetar tanto sistemas eletrônicos quanto biológicos, modificando seu funcionamento. Dessa forma, missões envolvendo ambientes sujeitos à radiação podem ter seu desempenho modificado por causa disso, evidenciando, assim, a importância de medidas de proteção de sistemas e mitigação de efeitos.
Na área de Sistemas Aeroespaciais, o objetivo é fornecer à força aérea brasileira e ao programa espacial sistemas que sejam tolerantes à radiação ionizante, seja pela confecção desses circuitos no Brasil seja pela caracterização de circuitos adquiridos de terceiros ou circuitos comerciais (COTS). Dessa forma, a pesquisa consiste na criação de uma biblioteca de circuitos eletrônicos tolerantes à radiação de uso geral e específico (aeroespacial), bem como a consolidação do processo de qualificação desses sistemas, utilizando-se dos Laboratórios da ENU-A. Cabe ressaltar que o projeto também abrange simulações e medições dos ambientes radioativos de operação aeroespacial, as quais são fundamentais para uma correta estimativa dos riscos para os sistemas embarcados e a avaliação experimental de blindagens para radiação ionizante.
Na área de Tripulações, o objetivo é conhecer o campo de radiação no interior de veículos aeroespaciais de forma a se determinarem os riscos aos quais as tripulações estão sujeitas e as medidas de proteção aplicáveis. Para isso, é necessária, inicialmente, a caracterização do ambiente por meio de simulações computacionais e equipamentos de medição específicos, embarcados em voos. Com isso e com uma análise técnica especializada, baseada em normas internacionais de radioproteção, podem ser sugeridos limites e recomendações para garantir a saúde das tripulações que devam executar operações em tais ambientes.
Na área de Defesa, o objetivo é dominar tecnologias de apoio a missões em áreas afetadas por eventos DQBRN. Engloba o conhecimento da expansão de plumas radiativas e nucleares em um determinado ambiente visando à determinação das contramedidas necessárias à contenção de um evento radiológico ou das medidas de proteção necessárias à execução de missões nas áreas afetadas. Dessa forma, a pesquisa se inicia na criação do ambiente de simulação capaz de simular os eventos físicos baseando-se em dados geográficos e climatológicos e sua integração com o ambiente de simulação operacional de forma a se determinarem as contramedidas necessárias para a resolução dos problemas práticos, ou guiar a condução das missões de maneira a minimizar os riscos e doses de radiação a serem recebidas durante sua execução. Também fazem parte dessa área a determinação experimental e validação de ameaças por medição direta com diferentes tecnologias avançadas, tais como o uso de drones ou tecnologia TeraHertz.
Um Flyer com as informações básicas de divulgação do projeto ERISA-D pode ser baixado aqui.
{slider Solicitação de Apoio/Ensaio}
ORIENTAÇÃO PARA SOLICITAÇÃO DE ENSAIOS NO LRI OU LDA DO IEAv
Esta orientação tem por objetivo apenas oferecer um roteiro prático para organizações externas ao IEAv solicitarem ensaios junto ao Laboratório de Radiação Ionizante (LRI - https://pnipe.mctic.gov.br/laboratory/5751) ou ao Laboratório de Dosimetria Aeroespacial (LDA - https://pnipe.mctic.gov.br/laboratory/5777) do IEAv, e não substitui ou sobrepõe à outras normas ou instruções em vigor.
Passos para solicitar ensaio:
1 – Faça um contato informal prévio com a Subdivisão de Aplicações das Radiações Ionizantes (ENU-A) (e-mail:
2 - Envie um e-mail, de seu e-mail Institucional, para a Assessoria de Relações Institucionais do DCTA (
3 – Após receber um retorno positivo, preencha (no que souber) a ficha de solicitação de ensaio disponível "aqui".
4 – Envie a ficha para a ENU-A (
Se tiver dúvidas, contacte a ENU-A (
{slider Linhas de Pesquisa}
Transporte de radiação
É a base teórica da subdivisão. Utiliza Física e Engenharia Nuclear, Matemática e Computação, para determinar as características dos campos de radiação, tanto por métodos determinísticos quanto por métodos estatísticos.
Blindagem de radiação
São estudados os efeitos das radiações existentes no espaço, em componentes eletrônicos. A radiação cósmica influencia no funcionamento de satélites e nas doses de radiação a que são expostos pilotos de aeronaves e astronautas. A energia das partículas carregadas presentes no espaço podem ser depositadas em componentes eletrônicos levando a falhas no seu funcionamento ou em tecidos humano levando a danos na saúde.
A neutrônica de reatores realiza simulações computacionais de núcleo de reatores nucleares. Além dos reatores térmicos, são estudados os reatores rápidos que poderão se tornar a próxima geração de reatores nucleares terrestres e espaciais. Suas vantagens principais são: a economia de combustível, a pequena geração de lixo radioativo e seu tamanho reduzido.
Calcula as barreiras de proteção para evitar danos biológicos e materiais. Determina os materiais absorvedores apropriados, e sua espessura, visando à proteção adequada. A blindagem se faz necessária em situações onde a radiação esteja presente, por exemplo: aparelhos de raios-X; aceleradores de partículas; reatores nucleares etc.
Radiação Cósmica
São estudados os efeitos das radiações existentes no espaço, em componentes eletrônicos. A radiação cósmica influencia no funcionamento de satélites e nas doses de radiação a que são expostos pilotos de aeronaves e astronautas. A energia das partículas carregadas presentes no espaço podem ser depositadas em componentes eletrônicos levando a falhas no seu funcionamento ou em tecidos humano levando a danos na saúde.
Neutrônica de reatores nucleares
A neutrônica de reatores realiza simulações computacionais de núcleo de reatores nucleares. Além dos reatores térmicos, são estudados os reatores rápidos que poderão se tornar a próxima geração de reatores nucleares terrestres e espaciais. Suas vantagens principais são: a economia de combustível, a pequena geração de lixo radioativo e seu tamanho reduzido.
Política, gestão e informação em C&T nuclear
A ENU-B acompanha e participa do desenvolvimento da Ciência Nuclear no Brasil. As pesquisas nesta área contribuem para a formação de opinião sobre Energia Nuclear e demonstra a sua necessidade para o desenvolvimento econômico e tecnológico do Brasil.
Medidas de defesa nuclear
Nesta pesquisa são verificados os procedimentos e os conhecimentos necessários para que a população e as forças de defesa possam se abrigar dos efeitos de artefatos nucleares.
Teoria e Modelos Nucleares
São realizados estudos em Fís
Realiza simulações computacionais de transferência de calor e massa, com vistas à condução e rejeição passiva de calor.
São desenvolvidos métodos para processamento de dados nucleares avaliados e métodos para a solução de problemas de transporte no campo da energia nuclear e áreas correlatas. Nesta linha de pesquisa é prestada, ainda, consultoria na utilização de bibliotecas de dados nucleares avaliados e multigrupo e no uso dos códigos processadores existentes.
São realizados estudos em Física Nuclear Teórica na área de reações nucleares induzidas por nêutrons, radiação gama, partículas carregadas e outras reações importantes no campo da energia nuclear. Esta linha de pesquisa é responsável, também, pela avaliação de dados nucleares considerados necessários e que não estejam disponíveis nas bibliotecas de dados nucleares avaliados distribuídas pela Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA).
O GTR é um dispositivo para geração de energia elétrica, que funciona com o decaimento radioativo de actinídeos. Entre suas várias aplicações, destaca-se as missões espaciais de espaço profundo das naves Cassini e Galileo. Com a realização deste trabalho, espera-se conseguir uma contribuição importante em estudos neutrônicos, térmicos e elétricos de GTRs.
ica Nuclear Teórica na área de reações nucleares induzidas por nêutrons, radiação gama, partículas carregadas e outras reações importantes no campo da energia nuclear. Esta linha de pesquisa é responsável, também, pela avaliação de dados nucleares considerados necessários e que não estejam disponíveis nas bibliotecas de dados nucleares avaliados distribuídas pela Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA).
Métodos de Processamento e Transporte
São desenvolvidos métodos para processamento de dados nucleares avaliados e métodos para a solução de problemas de transporte no campo da energia nuclear e áreas correlatas. Nesta linha de pesquisa é prestada, ainda, consultoria na utilização de bibliotecas de dados nucleares avaliados e multigrupo e no uso dos códigos processadores existentes.
Avaliação de sistemas de transporte de calor
A ENU-T tem conhecimentos nas áreas nuclear e aeroespacial, desenvolve programas computacionais de análise, equipamentos e sistemas de transferência de calor e massa. Presta consultoria e assessoria a projetos do Ministério da Defesa.
Termohidráulica e análise de segurança de reatores nucleares
A ENU-T realiza análises de acidentes em reatores nucleares, simulando seus sistemas de segurança, ativos e passivos. Analisa e projeta componentes de reatores nucleares, tais como, núcleo, gerador de vapor, circuito primário e secundário, etc. O grupo tem grande experiência no desenvolvimento de programas computacionais para análise dos fenômenos envolvidos e utiliza os programas das famílias COBRA e RELAP na simulação de reatores do tipo PWR e LMFBR.
Controle térmico de satélites
ENU-T realiza análises de sistemas para controle térmico de satélites, durante os vôos orbitais e de reentrada, e atua em projetos de sistemas de transporte de calor para aplicação em baixa e micro gravidade, inclusive de reatores espaciais. O grupo tem experiência na análise e no desenvolvimento de componentes de controle térmico, tais como: bombas eletromagnéticas, isolamentos térmico tipo multifolha, radiadores, tubos de calor, etc.
Simulação computacional
Com a experiência da ENU-T na solução de equações diferenciais e simulação computacional, pode-se prestar consultoria e assessoria na aplicação e desenvolvimento de métodos numéricos, programação computacional e no desenvolvimento de interfaces gráficas em áreas de interesse aeroespacial e nuclear.
Geradores Termoelétricos a Radioisótopos (GTR)
O GTR é um dispositivo para geração de energia elétrica, que funciona com o decaimento radioativo de actinídeos. Entre suas várias aplicações, destaca-se as missões espaciais de espaço profundo das naves Cassini e Galileo. Com a realização deste trabalho, espera-se conseguir uma contribuição importante em estudos neutrônicos, térmicos e elétricos de GTRs.
Materiais estruturais empregados na indústria aeroespacial
Estes materiais requerem baixa densidade, ponto de fusão elevado, alta resistência mecânica e resistência à oxidação em altas temperaturas. São considerados de interesse em propulsão líquida: as superligas à base de níquel, os compósitos cerâmicos, as cerâmicas oxidas, as barreiras térmicas e os intermetálicos. Os últimos são promissores na fabricação de pás de turbinas de baixa pressão e de compressores de alta pressão. A ENU-T atua no estudo de oxidação em alta temperatura dos intermetálicos à base de nióbio (sistema ternário Nb-Si-B).
Processamento de sinais
São desenvolvidos métodos e procedimentos para a extração e análise de ruídos. Atualmente são estudados os filtros do tipo abg e os que utilizam o conceito de Kalman para a redução das incertezas no rastreamento de foguetes.
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A EFO-S tem por atribuição a pesquisa e o desenvolvimento de sensores a óptica guiada, com ênfase especial em:
- sensores inerciais
- pesquisas aplicadas a sensores a fibra óptica
Sensores Inerciais
A navegação de veículos aeroespaciais, terrestres e aquaviários é um aspecto fundamental do Poder Nacional, especialmente nas suas expressões econômica, técnico-científica e militar. Da navegação confiável e precisa dependem o transporte de bens e valores, o lançamento em órbita de satélites artificiais, um grande número de experimentos da ciência espacial e a capacidade militar de defesa e de ataque a alvos.
A implementação de sistemas de navegação depende de dois tipos de sensores inerciais: o acelerômetro e o giroscópio. Os acelerômetros são usados para determinar as acelerações do centro de massa do veículo, através das quais obtém-se as forças que agem sobre o mesmo; os giroscópios são empregados para determinar as rotações em torno deste centro de massa e, por conseguinte, a orientação do veículo em relação à sua trajetória. Com estes dados e as equações de movimento dadas pelas leis de Newton, é possível computar a trajetória do veículo em tempo real, saber sua posição e atitude, e efetuar as correções pertinentes. Neste processo, não é necessário nenhum auxílio externo, tais como sinais de radionavegação e de sistemas de posicionamento global.
Acelerômetros
Os acelerômetros são sensores inerciais utilizados em sistemas de navegação inercial para determinar as acelerações do veículo.
Os acelerômetros podem ser realizados com tecnologia totalmente eletromecânica, de estado sólido, ou opto-mecânica. Acelerômetros eletromecânicos de precisão dependem de uma tecnologia de mecânica fina quase artesanal, que leva muitas décadas para ser desenvolvida. A aquisição destes dispositivos é embargada comercialmente pelos Países que detêm a tecnologia.
Acelerômetros de estado sólido normalmente apresentam baixa precisão e não são, em geral, apropriados para aplicações de navegação de veículos aeroespaciais.
Por outro lado, a tecnologia opto-mecanica possibilita o desenvolvimento de acelerômetros de precisao em poucos anos. Para se chegar a estes dispositivos, deve-se investigar seu comportamento e suas potencialidades com o máximo de detalhe, de forma a se obter o conhecimento necessário para o desenvolvimento de acelerômetros para aplicações específicas. Obter este conhecimento e a competência para construir este tipo de dispositivo é um dos objetivos principais da linha de pesquisa em acelerômetros a fibra óptica. Total autonomia e domínio dos processos tecnológicos envolvidos no acelerômetro opto-mecânico estão sendo adquiridos.
A aplicação deste tipo de acelerômetro é fundamental para o setor de Defesa Aérea, pois ele pode equipar o sistema de navegação de um míssil anti-radiação e aumentar a sua letalidade. Assim, esta linha de pesquisa visa a implementar parte da estratégia de Defesa da Força Aérea Brasileira, qual seja a de alcançar o maior índice possível de nacionalização do equipamento de emprego militar. Outras aplicações possíveis são em aeronaves, navios, trens de alta velocidade, robótica e construção civil.
Os acelerômetros são sensores inerciais utilizados em sistemas de navegação inercial para determinar as acelerações de um veículo. Os acelerômetros podem ser realizados com tecnologia totalmente eletromecânica, de estado sólido, ou opto-mecânica. A aquisição destes dispositivos é embargada comercialmente pelos Países que detêm a tecnologia. Acelerômetros de estado sólido normalmente apresentam baixa precisão e não são, em geral, apropriados para aplicações de navegação de veículos aeroespaciais.
Por outro lado, a tecnologia opto-mecânica possibilita o desenvolvimento de acelerômetros de precisão. Para se chegar a estes dispositivos, torna-se necessário realizar pesquisa abrangente de forma a se obter o conhecimento necessário para o desenvolvimento de acelerômetros para aplicações específicas. Obter este conhecimento e a competência para construir este tipo de dispositivo é um dos objetivos principais da linha de pesquisa em acelerômetros a fibra óptica. A Subdivisão de Sensores a Fibra Óptica realiza pesquisa de modo a adquirir o domínio dos processos tecnológicos envolvidos no acelerômetro opto-mecânico.
Girômetros
O girômetro é um dos principais sensores inerciais em um sistema de navegação inercial, pois permite determinar a atitude do veículo em relação a sua trajetória. O girômetro é um dispositivo capaz de medir velocidades angulares. Dentre as principais tecnologias de girômetros, destaca-se a do girômetro a fibra óptica, em virtude de sua robustez a variáveis ambientais, faixa dinâmica, custo, além de não possuir partes móveis. O giroscópio é um subsistema inercial baseado em um dispositivo girômetro.
O giroscópio a fibra óptica (GFO) incorpora um girômetro que emprega circuitos ópticos e eletrônicos, o qual apresenta uma bobina de fibra óptica como elemento sensor da velocidade angular de rotação em relação a um referencial inercial.
Os giroscópios são os principais sensores inerciais em um sistema de navegação inercial, pois determinam a atitude do veículo em relação a sua trajetória.
O giroscópio é um instrumento capaz de medir velocidades angulares. O giroscópio a fibra óptica (GFO) é um giroscópio que emprega um circuito óptico (que inclui uma bobina de fibra óptica) como elemento sensor da velocidade de rotação em relação a um referencial inercial.
Medir a rotação de um corpo rígido ou de um veículo é uma arte que depende diretamente da incerteza máxima permitida (ou erro) no resultado da medida. Quanto menor for este erro, maior o grau de desempenho do giroscópio, e portanto, maior será o grau de sofisticação tecnológica do instrumento.
Assim, por exemplo, um giroscópio com resolução acima de 30 graus/hora envolve em geral tecnologia mecânica ou micromecância (dispositivos de silício, diapasões de quartzo, etc.), consistindo de sensores mecânicos e eletrônica de processamento de sinal de relativa simplicidade.
O GFO usa como elemento sensor um interferômetro de Sagnac, que funciona de acordo com o efeito Sagnac. Segundo o efeito Sagnac, feixes de luz que se propagam em direções opostas em relação a um sistema de referência em rotação experimentam uma diferença de caminho óptico proporcional à rotação absoluta em torno do eixo perpendicular ao plano dos caminhos. Assim, quando dois feixes de luz percorrem caminhos ópticos fechados idênticos, haverá entre eles uma diferença de fase proporcional à rotação.
Nesta subdivisão, as pesquisas em giroscópios a fibra óptica visam a obter dispositivos aplicáveis à navegação de foguetes e aeronaves (giroscópios de aplicação estratégica) e à navegação e controle de mísseis (aplicação tática). Estas duas aplicações requerem precisão e redução de peso e volume, mas a segunda requer uma miniaturização de peso e volume, embora requeira uma precisão menor.
Atento à necessidade do País em desenvolver sua tecnologia, o Centro Técnico Aeroespacial, através do seu Instituto de Estudos Avançados, desenvolveu, com sucesso, um protótipo de giroscópio baseado em fibra óptica, que recentemente foi testado em vôo de helicóptero. O resultado foi comparado à medida realizada por um giroscópio mecânico de aferição instalado na aeronave pela empresa Embraer. Os resultados medidos pelos dois sistemas apresentaram performance similar, sendo que o GFO se mostrou mais imune à vibração mecânica. Outro protótipo foi construído e, voou com êxito, em março de 1999, num foguete VS-30, precursor do veículo lançador de satélites desenvolvido pelo CTA. Este último protótipo de GFO foi recuperado no mar, e ainda encontra-se em perfeito funcionamento.
Pesquisas Aplicadas a Sensores a Fibra Óptica
Outras linhas de pesquisa abordam assuntos pertinentes a sensores a fibra óptica, visando ao desenvolvimento de materiais, componentes e sistemas que tenham emprego direto no projeto de novos sensores: Óptica Integrada, Óptica de Polarização, Fibras Ópticas Especiais, Grades de difração do tipo Bragg em Fibras Ópticas, Fontes Ópticas de Espectro Largo, Sensores Distribuídos, Sensores de Corrente e Tensão Elétrica, Giroscópios e Acelerômetros a Fibra Óptica em novas configurações, Modelagem Matemática e Simulação de Sensores e Processamento de Sinais de Sensores.
Grades de Difração do tipo Bragg em Fibras Ópticas
Uma das prioridades mais relevantes de um país é poder apresentar um sistema comunicação bem estruturado. Para isto, é necessário contar com tecnologias de ponta que ofereçam soluções eficientes às demandas de comunicação, cada vez mais avançadas e exigentes quanto à densidade de dados, velocidade de transmissão, segurança e, principalmente, baixo custo. Dentro deste contexto, as comunicações ópticas constituem um elemento essencial do conjunto de alternativas que atendem às telecomunicações. O paradoxo desta situação é que, na atualidade e a nível mundial, o potencial das comunicações ópticas ainda não está totalmente explorado. De fato, as fibras ópticas têm sido utilizadas primordialmente para interligar centrais telefônicas, alguns supercomputadores, ou são o canal físico por onde se transmitem dados dos sinais de pequenas redes locais de computadores. Entretanto, nos próximos dez anos, prevê-se que as fibras ópticas serão o canal de transmissão de macro-redes que ligarão fisicamente todas as casas e laboratórios do mundo; isto permitirá o acesso por uma só fibra óptica a serviços como: televisão de alta definição, vídeo para teleconferência, áudio digital, redes de telecomunicações, redes de computadores, etc. A tendência atual mais importante é a de se realizar macro-redes baseadas no principio de multicanalização por comprimento de onda. Sabe-se que, por uma única fibra óptica se introduzem inúmeros sinais ópticos, cada um de diferente comprimento de onda (cada qual representando um canal de transmissão específico), e modulados segundo algum formato digital. Evidentemente, dentro destes sistemas multicanais com inúmeros comprimentos de onda (DWDM, sigla em inglês), um dispositivo fundamental é o laser gerador de luz, o qual proporciona os diferentes comprimentos de onda que atendem a cada um destes canais de transmissão.
O IEAv possui um laboratório equipado para inscrição de grades de Bragg em fibras ópticas: fabricação, caracterização e aplicações em sensores à fibra óptica e telecomunicações (Fiber Bragg Grating). Este projeto de inscrição de redes de Bragg iniciou-se em 1999, com o apoio da FAPESP; adicionalmente, tem-se mantido contato com outras instituições, através do fornecimento destes dispositivos por esta Subdivisão, a fim de fomentar o desenvolvimento de outros trabalhos de pesquisa, ligados a trabalhos de graduação, teses de mestrado, doutorado, etc.
A pesquisa em grades de Bragg em fibras ópticas no IEAV, tem como objetivo desenvolver a tecnologia de fabricação, caracterização e aplicações de grades de Bragg em fibras ópticas tanto em sensores quanto em dispositivos aplicáveis à área de telecomunicações.
Fabricação da Grade de Bragg
O processo de inscrição de grades de Bragg em fibras ópticas é baseado na exposição de uma fibra óptica, previamente preparada por processo de hidrogenação, em um padrão de modulação de intensidade formado pela superposição de dois feixes laser em ultravioleta (UV).
Obtemos os feixes de laser em UV a partir de um laser de Argônio (comprimentos de onda discretos entre 457 nm e 528 nm) com um cristal intra-cavidade de ß-BaB2O4, beta-borato de bário (BBO), como dobrador de freqüência. Este sistema é equipado com este cristal óptico não-linear para produzir a geração de segunda harmônica óptica, gerando um feixe de saída na região da luz UV com potência óptica da ordem de 0.25 mW, em comprimentos de onda discretos entre 229 nm e 264 nm.
Uma máscara de fase com uma grade de difração por transmissão, com periodicidade espacial de 1,0526 mm, colocada na saída do feixe da radiação UV produz feixes difratados para um comprimento de onda de l=248 nm. Utilizam-se os feixes difratados de primeira ordem, que sofrem um desvio angular simétrico com relação ao feixe incidente e que possuem aproximadamente a mesma potência óptica. Com dois espelhos paralelos (R?100%), torna-se possível a recombinação destes dois feixes, que são difratados segundo um ângulo determinado pela máscara, conforme pode ser observado na Figura 1.
Estes dois feixes, após incidirem nos espelhos, voltam a se aproximar até se cruzar segundo um ângulo que passa a ser ajustável girando-se os espelhos. Estes espelhos são fixos em suportes móveis e os posicionadores micrométricos são controlados por um motor-de-passo que permite o ajuste angular dos mesmos. Uma das vantagens em utilizar estes dois espelhos é de se obter grades em comprimentos de onda variados na faixa de 1200 nm a 1650 nm.
Óptica Integrada
A linha de pesquisa em Óptica Integrada tem por objetivo desenvolver moduladores eletroópticos e circuitos ópticos multifuncionais, para aplicação em sensores inerciais a fibra óptica, utilizando materiais e processos no estado-da-arte. O laboratório de Óptica Integrada da Subdivisão compreende dois ambientes limpos (classes 100.000 e classe 10.000), bancadas de classe 100, equipamentos para processamento de materiais, litografia de contato e proximidade, e soldagem de micro-fios.
Fontes Ópticas de Espectro Largo
Os sucessos obtidos recentemente nos protótipos de GFOs desenvolvidos nesta Subdivisão, nos proporciona capacitação técnica suficiente para montar novos protótipos de altíssima precisão de modo a construir sistemas de estabilização e guiamento para aplicações aeroespaciais. Para esta classe de sensores, no entanto, uma estabilidade em temperatura do fator de escala (coeficiente da relação entre a taxa de rotação medida e a voltagem indicada pelo sensor) menor que 10 ppm/ºC torna-se de fundamental importância. Uma deriva de sinal da ordem de 0.1 grau/hora, ou menor, é também um requisito relevante. Ambas as especificações são atingidas em giroscópios que usem uma fonte de banda larga, com potência óptica alta e com alta estabilidade do comprimento de onda central do espectro. Estas características são encontradas em fontes de luz que utilizam uma cavidade composta de uma fibra óptica dopada com materiais de terras raras.
É bem conhecido o fato de que uma fonte de luz com banda de emissão larga (maior do que 10 nm) é o requisito básico no funcionamento de um GFO de precisão, o que permite reduzir ou eliminar os erros de coerência e ruídos devido ao retroespalhamento de Rayleigh, efeito Kerr (óptico), e acoplamentos cruzados de polarização. Os GFOs comerciais de média performance utilizam como fonte de banda larga dispositivos semicondutores de emissão de luz super-radiante (diodo superluminescente). Entretanto, fontes de semicondutores têm uma variação espectral com a temperatura maior do que 400 ppm/ºC, tornando-as inadequadas para aplicações em navegação inercial de alta precisão.
Como fonte de banda larga para um GFO, em sistemas de navegação, a superfluorescência obtida em fibra óptica dopadas com íons de terras raras (elemento químico érbio, por exemplo) constitui-se numa alternativa bastante vantajosa em relação ao diodo superluminescente. As fontes de superfluorescência em fibra óptica podem ter uma estabilidade, em temperatura, acima de duas ordens de magnitude àquela obtida com fontes de diodo superluminescente. Além disso, as fontes com fibra óptica dopadas com terras raras fornecem maior potência luminosa e apresentam tempo de vida útil muito superior, comparativamente a outras tecnologias.
O acoplador WDM é um multiplexador de divisão de comprimentos de onda. O isolador, insensível à polarização, impede a realimentação óptica da radiação em 1550 nm (o que alteraria o espectro da superfluorescência). Na extremidade da fibra com érbio é feito uma clivagem em ângulo para impedir a reflexão da fluorescência.
Óptica de Polarização
Nesta linha de pesquisa, exploram-se as propriedades de polarização da luz e suas aplicações a sensores. A interferometria polarimétrica no domínio de coerência é uma técnica utilizada para determinar as características de polarização de componentes ópticos guiados e de fontes laser multimodo.
Fibras Ópticas Especiais
Fibras ópticas de alta birrefringência, fibras polarizadoras, fibras dopadas com terras raras, fibras fotossensíveis, e fibras ópticas de materiais poliméricos, são alguns exemplos de objetos de estudo nesta linha de pesquisa.
Sensores Distribuídos
Nesta linha pesquisa, busca-se o desenvolvimento de sensores distribuídos ao longo de uma fibra óptica, que por sua vez é estendida ao longo de uma estrutura para monitoramento de deformação e temperatura. Os elementos sensores podem ser baseados em grades de difração do tipo Bragg ou em efeitos não lineares (espalhamento Brillouin e Raman).
Sensores de Corrente e Tensão Elétrica
Estes sensores, como o giroscópio a fibra óptica, são baseados no interferômetro de Sagnac. Portanto, utilizam a mesma tecnologia básica e constituem, assim, uma aplicação civil de grande perspectiva econômica para esta tecnologia. Esta linha de pesquisa busca o desenvolvimento das metodologias particulares de cada um destes sensores e a obtenção de seus modelos de engenharia.
Modelagem Matemática e Simulação de Sensores
Nesta linha de pesquisa desenvolvem-se formulações teóricas dos sensores e dispositivos ópticos e suas respectivas simulações numéricas, visando ao entendimento profundo de seu funcionamento, dos efeitos espúrios devidos a fatores diversos de não idealidade, bem como à obtenção de metodologias gerais para linhas de pesquisas futuras.
No subsistema óptico, emprega-se também o cálculo de Jones para determinação da intensidade luminosa que se propaga no sistema, considerando-se fontes ópticas parcialmente polarizadas e parcialmente coerentes.
Processamento de Sinais de Sensores
À medida que os moduladores eletroópticos evoluem em desempenho e integração, o problema da melhor técnica de modulação a empregar e o correspondente algoritmo de processamento de sinal do sensor se tornam mais abertos a inovações. Esta linha de pesquisa tem por objetivo o estudo de técnicas de processamento de sinais de sensores, para obtenção das grandezas a serem medidas, de modo a satisfazer as limitações e especificações impostas pelo sistema ao qual o sensor se destina.
Originada como Grupo de Óptica Aplicada há mais de 20 anos, a Subdivisão de Óptica dedica-se ao estudo, projeto e desenvolvimento de componentes ópticos de precisão e de seus processos de fabricação e caracterização.
As principais áreas de atuação da EFO-O são:
- Projeto e desenvolvimento de componentes ópticos de precisão (lentes, filtros, espelhos, prismas, etc.);
Estudo de métodos de deposição de filmes finos; - Caracterização de filmes finos por Elipsometria, Modos Guiados e Espectro de Canal;
- Metrologia dimensional de superfícies. Parâmetros: planeza, paralelismo e rugosidade. Laboratório da rede RBC (Cal178), acreditado pela CGCRE (INMETRO).
- Propriedades eletrônicas de nanoestruturas semicondutoras (teoria); e
- Estudos de propriedades mecânicas de materiais metálicos.
Subdivisão de Lasers da Divisão de Fotônica possui três laboratórios:
Laboratório de Desenvolvimento de Aplicações de Lasers e Óptica (DedALO)
Laboratório de Separação Isotópica a Laser (LASIL)
Laboratório de Tecnologias de Superfícies (LATES)
O laboratório DedALO realiza pesquisa aplicada, desenvolvimento tecnológico e inovação em tratamentos de superfície com lasers, corte e soldagem a laser e manufatura aditiva (impressão 3D). O laboratório dedica suas atividades em prover tecnologias à FAB, com o mais moderno ferramental em manufatura avançada, bem como realiza a importante ponte com o setor industrial nacional.
O LASIL agrega instalações para separação isotópica a laser de terras-raras. Atua, portanto, na continuidade das atividades originais do Instituto, agregando valor aos isótopos de terras-raras, os quais são estratégicos em nível mundial.
O LATES congrega as pesquisas que não usam exclusivamente uma fonte laser como ferramenta. Neste laboratório, temas transversais como revestimentos a plasma, materiais carbonosos e corrosão por biofilmes são estudados por uma equipe multidisciplinar.
Linhas de Pesquisa
Desenvolvimento de Lasers;
Processamento de materiais com laser;
Separação isotópica com laser;
Tecnologia de Plasma.
O Instituto de Estudos Avançados é o pioneiro no uso do laser em aplicações de ciência e engenharia no país. Já em 1972, o Major-Aviador José Alberto Albano do Amarante, do então Centro Técnico Aeroespacial (CTA), e o Prof. Sérgio Pereira da Silva Porto, do Instituto de Física da UNICAMP, iniciam as conversas para criar um grupo de lasers no Brasil. Este grupo teria como objetivo a separação de isótopos de urânio como alternativa 100% nacional a tecnologia de ultracentrifugação sob a égide do acordo entre o Brasil e a Alemanha Ocidental. Os primeiros testes de separação isotópica ocorreram no Instituto de Física "Gleb Wataghin" da UNICAMP em 1974, sendo dois anos depois transferidos integralmente à Divisão de Estudos Avançados (EAV) do Instituto de Atividades Espaciais (IAE). Tendo como chefe o seu idealizador, TCel José Alberto Albano do Amarante, a EAV tinha como missão realizar pesquisas e desenvolvimentos de vanguarda da tecnologia laser. O TCel Amarante tinha claro o objetivo de nacionalizar toda a linha de montagem dos lasers para refino isotópico, desde as partes ópticas até a eletrônica de alta potência. Em 1978, sob a liderança do TCel.-Av. Reginaldo dos Santos, o EAV já tinha tecnologia autóctone para fabricar lasers da classe IV. O enorme volume de tecnologias desenvolvidas pelo EAV necessitou a criação de um instituto novo, o Instituto de Estudos Avançados (IEAv), criado em 2 de junho de 1982.
Com o fim do Programa Autônomo de Tecnologia Nuclear pelo Governo Brasileiro, a subdivisão de lasers do IEAv, dentro da divisão de Fotônica, se dedicou à pesquisa, desenvolvimento e inovação de excelência e de referência internacional em pesquisas de tecnologias fotônicas no campo aeroespacial.
A Divisão de Fotônica (EFO) tem a seguinte constituição:
Missão
Ampliar o conhecimento científico e o domínio de tecnologias estratégicas para fortalecer o Poder Aeroespacial Brasileiro.
Visão
Ser reconhecido como instituição de excelência e de referência internacional em pesquisas de tecnologias avançadas no campo aeroespacial.
Valores
Além daqueles definidos no Plano Setorial, entendem-se como essenciais para a área de Ciência, Tecnologia e Inovação e para este Instituto os seguintes valores:
a) VALORIZAÇÃO DO SER HUMANO: são as pessoas que fazem a organização e viabilizam o seu futuro;
b) EXCELÊNCIA GERENCIAL: incorporação e atualização das melhores práticas de gestão e otimização dos meios;
c) ÉTICA: conduta norteada por princípios de integridade moral e respeito aos valores históricos e culturais;
d) ESPÍRITO DE CORPO: prevalência do interesse coletivo em relação ao individual;
e) INICIATIVA E CRIATIVIDADE: ânimo para executar antes dos outros, com inventividade, visando à inovação em dimensão ampla;
f) BUSCA DO SABER: atração incessante pela conquista do conhecimento científico, que deve ser obtido com criatividade e esforço;
g) RIGOR CIENTÍFICO: exatidão e clareza na execução das atividades de pesquisa, decorrente da aplicação sistemática do Método Científico;
h) RESPONSABILIDADE SOCIOAMBIENTAL: a busca por resultados deve respeitar a necessidade de justiça social e a preservação do meio ambiente;
i) CLIENTE COMAER: todo esforço científico deve fortalecer o cumprimento da missão institucional do COMAER.