Estação espacial está prestes a cair na Terra, mas onde ela vai acertar?

O foguete Long March 2F levou Tiangong-1 à órbita em setembro de 2011. FOTO DE LINTAO ZHANG, GETTY

          Uma estação espacial chinesa está em rota de colisão com a Terra e as previsões mais recentes dizem que ela pode cair em qualquer lugar do planeta entre 30 de março e 2 de abril. Batizada de Tiangong-1, que quer dizer palácio celestial, a nave foi colocada em órbita em setembro de 2011. A estação foi desenvolvida para ser usada em testes de tecnologias robóticas e já viu vários encontros de veículos, acoplagens e visitas de astronautas durante sua vida operacional útil. Essa atividade estabelece as bases para uma estação espacial mais permanente que os chineses planejam lançar no futuro próximo. Em maio de 2017, autoridades chinesas divulgaram o primeiro relatório para a ONU (Organização das Nações Unidas) informando que a Tiangong-1 tinha parado de funcionar em 16 de março de 2016. Embora tenha mantido a integridade estrutural, a nave está sem combustível e não pode mais ser controlada por equipes no solo.  

          Agora, circundando a Terra a uma altitude média de 320 km, a estação sofre um arrasto significativo ao encostar na atmosfera externa mais densa do planeta e está perdendo, em média, 4 quilômetros de altitude por dia. Em algum momento, a Tiangong-1 alcançará uma altitude de 69 quilômetros e reentrará em chamas na Terra. Se pedaços da Tiangong resistirem à queda, é difícil saber onde eles poderão cair no planeta. A estação gira duas vezes em torno da Terra a cada três horas e sua órbita a leva entre 43º de latitude norte e 43º sul, o que significa que todos os continentes, exceto a Antártida, são potenciais alvos.  “Tudo que podemos dizer é que ela cairá em algum lugar desse limite de latitude, e nossa resposta não mudará até ela realmente cair”, disse Jonathan McDowell, astrônomo do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian.

          A data precisa da reentrada da Tiangong-1 é também desconhecida até hoje porque a densidade da atmosfera superior muda dependendo da atividade solar. “Quando faltar cerca de 24 horas nós talvez possamos prever a hora da reentrada para aproximadamente três horas”, disse  McDowell. 

Problema de rastreamento

          Nossa capacidade de prever como satélites em queda se comportam ainda é incipiente, em parte porque nos falta a habilidade de monitorar em tempo real a dinâmica atmosférica, diz Moriba Jah, astrodinamicista da Universidade do Texas, em Austin. “Nós não entendemos toda a dinâmica e a mecânica da atmosfera com precisão e antecedência suficientes para prever o futuro”, ele diz. “Isso se traduz em uma incerteza tão grande na trajetória orbital do objeto em queda que pode significar a diferença entre entrar no Oceano Pacífico ou no meio dos Estados Unidos.”

Uma cápsula tripulada se acopla à Estação Espacial Tiangong-1 em uma ilustração feita por uma estatal de comunicação da China em 2013. FOTO DE LI JUNFENG, IMAGINECHINA/AP

          Espera-se que a Tiangong-1 se despedace quando reentrar na atmosfera e há a possibilidade de que fragmentos pesando cerca de 100 quilos atinjam a Terra. Algo semelhante aconteceu em 1979, quando a estação Skylab da Nasa desorbitou e não se queimou tão rapidamente quanto esperado. (Partes da estação caíram na Austrália e, apesar de ninguém ter se ferido, um condado multou a Nasa por jogar lixo em seu território). Em seu relatório para a ONU, autoridades chinesas minimizaram o risco de fragmentos resistirem à queda e Jah e McDowell concordam que as chances estão em nosso favor.

          “A maior parte do planeta é coberto por oceanos então, com todas as chances, se houver alguma peça sobrevivente a maior probabilidade é que ela desça em algum lugar na água,” afirmou Jah. “Mesmo que algum fragmento caia num continente, a maioria da população mundial está centrada em áreas costeiras específicas, o que reduz ainda mais a probabilidade de alguma peça resistente atingir uma área densamente povoada.”

Espaço entulhado

          Ainda assim, a incerteza em torno da Tiangong-1 deveria servir de lição para as agências espaciais e fabricantes de satélites terem “planos B” se perderem controle de grandes recursos no espaço, afirmou Jah. A Estação Espacial Internacional, que tem o tamanho de um campo de futebol americano, está num caminho orbital similar ao da Tiangong-1, e Jah disse que a Nasa está extremamente preocupada em como desorbitá-la adequadamente no final de sua vida.

          “Talvez isso [a estação espacial chinesa desorbitando] seja a motivação para que agências governamentais do mundo todo forneçam financiamento para acadêmicos e pesquisadores realmente entenderem a ciência de reentradas, porque esse problema não desaparecerá, mas vai se repetir”, ele conta. “Os riscos também continuarão aumentando principalmente com o crescente número de objetos em órbita.” Hoje, com mais de 50 mil peças de lixo espacial sendo rastreadas na órbita ao redor da Terra, a verdadeira preocupação é com colisões em órbita, explica McDowell. “Se não começarmos a limpar o que fizemos, o espaço pode se tornar inutilizável por conta de todos os fragmentos voando lá em cima”, ele disse.

Olhos nos céus

          Por enquanto, telescópios ao redor do mundo estão observando atentamente a Tiangong-1 enquanto ela desce para seu mergulho mortal. Observadores do céu podem participar da vigília, inclusive por meio de um webcast ao vivo do Virtual Telescope Project, que será transmitido em 28 de março a partir das 12:00 UT (9:00, horário de Brasília). A estação também pode ser vista a olho nu e é fácil diferenciá-la de um avião: como muitos satélites e a EEI, a Tiagong-1 parece uma luz branca que não pisca deslizando graciosamente pelo céu.

          Quem vive em altitudes médias, tanto no hemisfério norte quanto no sul, tem boas chances de ver a reentrada da estação, dependendo da data que acontecer. Observadores norte-americanos, em particular, terão as visões mais claras da estação nas primeiras horas das manhãs desta semana, enquanto observadores que estiverem em latitudes maiores que 60o não vão ver a estação aparecer no horizonte. Você pode encontrar horários específicos para observar do seu ponto de vista colocando sua localização em vários sites que rastreiam satélites, como o Heavens Above. Céu claro a todos.

Memórias preparam-se para saltar para a faixa dos Terahertz

Este gráfico ilustra as interações dos pulsos de luz terahertz (rosa) com um nanocompósito alinhado verticalmente. "B" é o campo magnético e "ETHz" é o campo elétrico THz. O filme nanocompósito inclui pilares minúsculos de óxido de zinco (ZnO) (vermelho) incorporados em uma matriz de manganita de estrôncio e lantânio (amarelo).[Imagem: Chris Sheehan]

         Um material ferroelétrico na forma de uma película de espessura atômica mostrou-se capaz de gravar dados magnéticos em uma frequência na faixa dos terahertz, mais de 1.000 vezes a maior velocidade obtida nas memórias atuais. Isto se tornou possível quando um filme de óxidos de perovskita apresentou o fenômeno conhecido como magnetorresistência colossal a temperatura ambiente.

           Além disso, o fenômeno pode ser controlado por meio de alterações de temperatura, como nas memórias de mudança de fase, por magnetismo, como nos discos rígidos atuais, ou - ainda mais interessante quando o assunto é velocidade e baixo consumo de energia - por meio de pulsos de luz. Diferente da magnetorresistência colossal convencional, observada sob campos magnéticos muito fortes e temperaturas criogênicas, o fenômeno observado nas perovskitas opera a temperatura ambiente e sob campos magnéticos de intensidade intermediária.

      A demonstração é bastante inicial, mas os resultados indicam que esses materiais ferroelétricos emergentes são adequados para a construção de componentes ópticos e eletrônicos acima da atual faixa dos gigahertz. "Isso sugere que a magnetorresistência colossal nas frequências THz pode encontrar uso em nanoeletrônica e em componentes óticos THz controlados por campos magnéticos," escreveu James Lloyd-Hughes, da Universidade de Warwick, que trabalhou com uma equipe do Reino Unido e dos EUA.

Bibliografia:

Colossal Terahertz magnetoresistance at room temperature in epitaxial La0.7Sr0.3MnO3 nanocomposites and single-phase thin films

James Lloyd-Hughes, C. D. W. Mosley, S. P. P. Jones, M. R. Lees, A. P. Chen, Q. X. Jia, E. M. Choi, J. L. MacManus-Driscoll

Nano Letters

Vol.: 17, 2506

DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00231

Google apresenta Processador Quântico de 72 Qubits

À esquerda, o protótipo do Bristlecone. À direita, um esquema do processador onde cada X representa um qubit, com as conexões aos qubits mais próximos. [Imagem: Google Labs]

          O processador, batizado de Bristlecone, tem 72 qubits do tipo supercondutor. A empresa afirma que o objetivo deste protótipo é funcionar como plataforma de testes para melhorar as taxas de correção de erros, um dos grandes desafios da computação quântica, e a escalabilidade, ou seja, a engenharia necessária para ir acrescentando bits quânticos adicionais.

          Na verdade, o Bristlecone já é um escalonamento de uma versão anterior de 9 qubits. Essa versão anterior apresentou taxas de erro consideradas baixas: 1% na leitura dos valores gravados, 0,1% na confiabilidade das portas de um qubit e, mais importante em termos práticos, 0,6% nas portas de dois qubits. O consenso entre os pesquisadores da área é que a chamada "supremacia quântica", o ponto a partir do qual os processadores quânticos podem superar os processadores eletrônicos clássicos, será alcançada com um processador quântico de pelo menos 49 qubits que apresente uma taxa de erro máxima de 0,5%.

Supremacia quântica

          Como servirá como plataforma de testes, a empresa ainda não anunciou as taxas de erro do Bristlecone. De qualquer forma, a opção por aumentar largamente o número de qubits, sem se limitar aos 49 qubits que a teoria aponta como fronteira para a supremacia quântica, como fez a Intel recentemente, dá aos projetistas um campo mais amplo para experimentações e testes. "Nós escolhemos um dispositivo deste tamanho para podermos demonstrar a supremacia quântica no futuro, para investigar a correção de erros de primeira e segunda ordens usando código de superfície, e para facilitar o desenvolvimento de algoritmos quânticos em um hardware real," anunciou o Google.

          Código de superfície é uma técnica de programação de processadores quânticos que usa códigos estabilizadores compostos de qubits dispostos em duas dimensões, reduzindo significativamente as taxas de erro. Uma técnica alternativa, embora similar, é o chamado código de cores. "Pode-se pensar, por analogia, no código de superfície como um guardanapo com duas partes ásperas e duas lisas, e o código de cores como se dobrássemos esse guardanapo ao longo de sua diagonal. Como no guardanapo dobrado existem coisas novas que agora estão próximas, é possível fazer mais portas lógicas 'transversalmente'. Isso é bom porque evita a propagação de erros e é relativamente fácil. No entanto, o código de cor precisa de mais qubits para interagir em cada estabilizador, o que acaba levando a um limiar de ruído mais baixo. Assim, pode-se dizer que, embora muito similares, cada código tem suas vantagens e desvantagens," explicou o professor Fernando Pastawski, do Instituto de Tecnologia da Califórnia.

Relação teórica entre a taxa de correção de erros e o número de qubits. A área em vermelho destaca o objetivo da equipe do Google. [Imagem: Google Labs]

Cautelosamente otimistas

          "Queremos alcançar um desempenho semelhante às melhores taxas de erro do processador de 9 qubits, mas agora em todos os 72 qubits do Bristlecone. Acreditamos que o Bristlecone pode então se tornar uma prova de princípio convincente para a construção de computadores quânticos em grande escala. "Operar um dispositivo como o Bristlecone com baixas taxas de erro requer uma harmonia entre uma porção de tecnologias, do software e da eletrônica de controle ao próprio processador. Fazer isso direito requer uma engenharia de sistemas cuidadosa em várias iterações. Estamos cautelosamente otimistas de que a supremacia quântica pode ser alcançada com o Bristlecone," disse a equipe do Google em nota.

Rede Neural Vai Adivinhar Palavra, Antes de Ser Dita

As redes neurais com reservatório simplificam drasticamente o processo de treinamento, que pode levar meses nas redes convencionais. [Imagem: Chao Du et al. - 10.1038/s41467-017-02337-y]

          As redes neurais feita com memoristores - componentes eletrônicos que retêm uma memória do que lhes ocorreu anteriormente - prometem melhorar dramaticamente a eficiência do aprendizado de máquina, da inteligência artificial e dos computadores neuromórficos, que trabalham de forma mais parecida com o cérebro humano. Eles construíram uma rede neural em hardware, chamada "sistema de computação de reservatórios", que consegue prever palavras e números que virão a seguir em um texto escrito - e o próximo passo será prever palavras antes que elas sejam ditas durante a conversação normal entre duas pessoas.

              Sistemas de computação de reservatórios, que melhoram a capacidade de uma rede neural típica e reduzem o tempo de treinamento necessário, já foram criados no passado usando componentes ópticos grandes. Usar memoristores, componentes que podem ser fabricados em nanoescala, significa que o sistema pode ser facilmente integrado nos chips eletrônicos atuais com o mesmo nível de miniaturização.

Rede neural de reservatório

           Inspiradas no cérebro, as redes neurais são compostas por neurônios, ou nós, e sinapses, as conexões entre os nós. Para treinar uma rede neural para que ela execute uma tarefa, a rede é submetida a um grande número de questões e as respectivas respostas a essas questões. Uma vez treinada, uma rede neural pode então responder perguntas para as quais ela não sabe a resposta de antemão - por exemplo, identificar um rosto humano em uma imagem.

            Os sistemas de computação de reservatórios construídos com memoristores, no entanto, podem dispensar a maior parte do processo de treinamento porque o componente mais crítico do sistema - o reservatório - não requer treinamento. Quando um conjunto de dados é inserido no reservatório, o próprio reservatório identifica características relevantes nos dados e as entrega em um formato mais simples para uma segunda rede. Esta segunda rede só precisa de treinamento como as redes neuronais mais simples, alterando os pesos das características que a primeira rede lhe passou até atingir um nível aceitável de erro.

Protótipo do Chip contendo uma Rede Neural com
88 Sinap feitas com memoristores. [Imagem:
Chao Du et al. - 10.1038/s41467-017-02337-y]

Previsão de conversas

         As vantagens desse aprendizado simplificado são tão mais significativas quanto mais complicada é a tarefa a ser executada. Por exemplo, identificar um rosto em uma imagem é uma tarefa relativamente fácil, enquanto aprender como uma pessoa entabula uma conversa real é muito mais complexo porque as variações são radicais e imensamente mais variadas. Usando apenas 88 memoristores, a equipe conseguiu treinar a rede neural para que ela identificasse numerais escritos a mão com 91% de precisão.

             O próximo passo será prever não palavras escritas, mas faladas. "Nós podemos fazer predições em linguagem falada natural, de forma que você não precisa falar a palavra toda. Nós podemos na verdade predizer o que você planeja dizer a seguir," garante o professor Wei Lu. Enquanto construir um tradutor simultâneo é ainda um sonho para um futuro distante, os pesquisadores planejam usar sua rede neural para filtrar ruídos em sinais de telecomunicações, como a estática em transmissões de rádio, produzindo um fluxo mais limpo de dados. "Ela poderá também predizer e gerar um sinal de saída mesmo se o sinal de entrada for interrompido," prometeu Lu.

Bibliografia:

Reservoir computing using dynamic memristors for temporal information processing

Chao Du, Fuxi Cai, Mohammed A. Zidan, Wen Ma, Seung Hwan Lee, Wei D. Lu

Nature Communications

Vol.: 8, Article number: 2204

DOI: 10.1038/s41467-017-02337-y

Nvidia lança 'placa de vídeo mais potente da história' por quase R$ 10 mil

Nvidia Titan V

      A Nvidia revelou hoje a sua nova placa de vídeo top de linha, chamada de Titan V. De acordo com a empresa, trata-se da placa de vídeo (GPU) mais potente já feita. Ela é a primeira placa gráfica a vir com a nova arquitetura da empresa, chamada de Volta, que foca tanto no uso da GPU para jogos quanto para aplicações em pesquisas científicas e treinamento de inteligências artificiais. Como ela estreia uma nova arquitetura da empresa, ela deve representar um salto de performance maior que o de costume para novas linhas de placas da Nvidia. Ela tem um total de 21,1 bilhões de transistores, capazes de entregar até 110 teraflops de performance. Ela também tem 12 GB de memória HMB (um tipo de memória diferente da GDDR5 que normalmente é usada em placas de vídeo), 5120 núcleos CUDA e 640 núcleos "tensor", voltados especificamente para aplicações de inteligência artificial.

          Fora isso, a placa tem um clock base de 1200 MHz, que pode ser elevado até 1455 MHz por recursos de software (e talvez até mais com overclocking). No total, a Nvidia promete que ela oferecerá uma performance até cinco vezes melhor no em aplicações de aprendizagem de máquina profunda do que as placas da geração passada (como a GTX 1080 Ti), que ainda usavam a arquitetura Pascal da empresa. O vídeo abaixo mostra o novo lançamento:

      Como o The Verge sugere, a Titan V parece ser mais voltada para profissionais que trabalham com processos que exigem muita potência de placas gráficas. Exemplos desses processos são pesquisas científicas em diversas áreas, criação de experiências em realidade virtual com altas resoluções, e treinamento de algoritmos de aprendizagem de máquina profunda. Uma das indicações disso é o fato de a empresa ter destacado a presença dos núcleos "tensor" na placa. Essa palavra faz referência a uma arquitetura voltada especificamente para o treinamento de algoritmos, algo em que o Google já vem investindo ao menos desde maio de 2016."Os sonhos da humanidade como acabar com o câncer, criar experiências de consumo inteligentes e veículos autônomos estão ao alcance dessa nova era de inteligência artificial", diz a Nvidia.

        Outra indicação disso é o preço da nova placa. Ela já está disponível no site da Nvidia por US$ 3.000 (cerca de R$ 9,8 mil), o que faz dela uma das placas de vídeo mais caras já lançadas - ao menos para o público em geral. Por enquanto, a empresa está limitando a venda das placas a duas por cliente (ou seja, se você queria muito gastar mais de R$ 20 mil em placas de vídeo, vai precisar esperar um pouco). Também segundo o The Verge, a arquitetura Volta deve levar bastante tempo para chegar a uma linha mais acessível de placas. Isso porque placas com essa arquitetura seriam bem mais caras de se produzir do que as com arquitetura Pascal. É possível, portanto, que a nova linha de placas de vídeo da Nvidia voltadas para jogos ainda aproveitem a arquitetura anterior. 

Nanobalança

Nanobalança revela pulsação da vida ao pesar uma única célula viva.[Imagem: Martin Oeggerli/ETH Zurique/Universidade da Basileia]

       Como a boa definição de todo problema engendra sua própria solução, David Martínez-Martín, juntamente com uma equipe da Universidade da Basileia (Suíça) e College de Londres (Reino Unido), usou tudo o que já se sabia sobre medições ultraprecisas para criar uma balança adequada a medir coisas vivas. A balança consiste em um cristal finíssimo de silício transparente recoberto com um colágeno ou com a proteína fibronectina. O cristal é fixo por uma extremidade, enquanto a outra pode oscilar livremente. As células, que tipicamente pesam entre dois e três nanogramas - 10-9 grama - são pesadas em condições controladas no interior de uma câmara de cultura.

           Primeiro, um pulso de laser azul é dirigido para a porção fixa do braço, medindo-se então a oscilação que o laser gera na sua extremidade livre. A seguir, o braço é descido até o meio de cultura, onde ele captura uma célula individual. O processo de geração de oscilação é repetido, com o peso da célula sendo determinado pela diferença nas oscilações com o braço vazio e com ele sustentando a célula.

Esquema e microfotografia da balança de células. [Imagem: David Martínez-Martín et al. - 10.1038/nature24288]

         O dispositivo não apenas permite pesar células individuais, como também monitora em tempo real quaisquer mudanças na massa da célula, o que acabou por trazer surpresas inesperadas. A resolução da balança está na faixa dos trilionésimos de grama para a massa - 10-12 grama, ou picogramas - e dos milissegundos para as alterações dos valores lidos - 10-3 segundo. Como, com o laser ligado, o processo de pesagem prossegue continuamente, a tela do computador mostra em tempo real qualquer alteração no peso da célula, tornando possível medir a influência que várias substâncias têm sobre a massa celular, o que acontece quando ela é infectada por um vírus ou como sua massa se altera com a divisão celular, entre muitas outras possibilidades.

          E os testes iniciais da biobalança já apresentaram alguns desafios para os biólogos: "Nós estabelecemos que o peso das células vivas flutua continuamente em cerca de um a quatro por cento, pois elas regulam seu peso total," explicou Martínez-Martín. Para não pagar mico, a equipe trabalhou duro para descartar quaisquer possibilidades de erros de medição: eles conseguiram provar que as células apenas param essas flutuações segundo a segundo quando morrem. "Estamos vendo coisas que ninguém nunca observou," entusiasma-se Gotthold Flaschner, que ajudou a construir a balança.

         O problema agora passa para os biólogos, que poderão usar a balança para tentar explicar essa "pulsação da vida" - de onde vem e para onde vai a porção da massa da célula que se altera continuamente? E não serão apenas os biólogos que tirarão proveito da balança. A equipe afirma que já foi contatada por pesquisadores que trabalham com a funcionalização de nanopartículas, que querem usar a nanobalança para controlar a adição de moléculas específicas às nanopartículas para detectar doenças ou levar medicamentos para o interior do corpo humano.

Bibliografia:

Inertial picobalance reveals fast mass fluctuations in mammalian cells

David Martínez-Martín, Gotthold Fläschner, Benjamin Gaub, Sascha Martin, Richard Newton, Corina Beerli, Jason Mercer, Christoph Gerber, Daniel J. Müller

Nature

Vol.: 550, 500-505

DOI: 10.1038/nature24288

NASA testa usina nuclear para bases lunares e marcianas

Cada gerador tem capacidade de 10 quilowatts e pode funcionar por vários anos. [Imagem: NASA]

     Embora os engenheiros chamem o equipamento de "reator nuclear espacial", os geradores de energia alimentados por radioisótopos são diferente dos reatores nucleares convencionais, já que estes aceleram artificialmente as reações nucleares para produzir mais calor. Os geradores de radioisótopos são uma espécie de usina nuclear mais calma, que deixa as coisas acontecerem normalmente. Isso produz menos energia, mas requer um equipamento mais simples e mais confiável. "Esta é realmente a primeira vez [desde a década de 1960] que a NASA desenvolveu seriamente um reator para aplicações espaciais," disse Lee Mason, coordenador do projeto Kilopower, do Centro de Pesquisas Glenn."Esta é realmente a primeira vez [desde a década de 1960] que a NASA desenvolveu seriamente um reator para aplicações espaciais," disse Lee Mason, coordenador do projeto Kilopower, do Centro de Pesquisas Glenn.

Visualização artística de uma usina híbrida solar-nuclear. [Imagem: NASA]

        Se as miniusinas forem aprovadas nos testes de desempenho e durabilidade, a NASA afirma que pretende testá-las em Marte - mas provavelmente as testará na Lua primeiro. A exploração humana desses e de quaisquer outros mundos pressupõe a existência de energia para gerar combustível, ar e água para os exploradores espaciais, bem como recarregar as baterias dos veículos, robôs e outros equipamentos.
          Um relatório da agência estabelece que são necessários 40 quilowatts de eletricidade para uma expedição humana a Marte, onde a temperatura cai fácil a -125º C. Os reatores em desenvolvimento podem gerar 10 quilowatts, de modo que serão necessários quatro deles para uma vila espacial marciana - ou lunar.

Sendo compacto, o gerador também poderá ser usado em robôs, veículos de exploração e mesmo em naves. [Imagem: NASA]

     Lee Mason conta que as usinas nucleares espaciais seriam lançadas "frias", ou seja, desligadas. "Os reatores também têm um inventário radiológico muito baixo no lançamento - menos de 5 curies - de forma que são benignos. Não há produtos de fissão até o reator estar ligado, e é aí que haverá alguma radiação," explica ele. Isso é importante porque uma eventual falha no lançamento, com um foguete explodindo, poderia ser catastrófica se espalhasse elementos radioativos pela atmosfera.

        A energia solar é outra opção para as futuras vilas espaciais, mas isso restringiria a geração de energia a regiões expostas à luz solar. A Cratera Shackleton, da Lua, por exemplo, um dos principais candidatos para a instalação de uma base lunar devido aos potenciais recursos hídricos, é completamente escura. E os pontos mais ensolarados de Marte recebem apenas cerca de um terço da quantidade de luz solar que a Terra recebe.