Resumo:
Os cientistas estudam que a Terra é redonda há mais de 2.000 anos, mas os defensores da "teoria da Terra plana" ainda acreditam firmemente nela. Algumas pessoas estão até dispostas a “ir até o fim do mundo” para encontrar evidências, mas ainda não encontraram o chamado fim. Deixando de lado a forma da Terra, investigadores do Royal Institute of Technology, na Suécia, e da Universidade de Southampton, no Reino Unido, desenvolveram recentemente uma tecnologia que prova que, no campo da detecção por fibra óptica, as estruturas planas podem ser significativamente melhores do que as estruturas circulares.
A equipe de pesquisa desenvolveu uma fibra óptica de sílica plana em forma de fita. Este tipo de fibra óptica pode ser projetada estruturalmente para produzir uma resposta muito mais forte aos efeitos físicos do que as fibras ópticas cilíndricas tradicionais, podendo se tornar um sensor com melhor desempenho. Os pesquisadores a chamaram de “Fibra plana de alta proporção de aspecto” (HARFF). Num teste comparativo, a sensibilidade à pressão desta fibra óptica foi até 1.000 vezes maior que a das fibras ópticas tradicionais; outra versão preenchida com metal interno mostrou capacidades de detecção de temperatura mais fortes. A equipe de pesquisa utilizou uma única pré-forma experimental para desenhar essa fibra óptica especial com comprimento superior a 120 metros, comprovando sua viabilidade de fabricação.
O uso mais conhecido da fibra óptica é como um filamento de vidro que transmite dados, transportando informações ao redor do mundo através de pulsos de luz. No entanto, as fibras ópticas também são sensores muito capazes. Efeitos externos como estiramento, pressão ou temperatura podem alterar ligeiramente as propriedades físicas e ópticas do vidro. Esses efeitos externos podem ser medidos rastreando as mudanças na luz à medida que ela viaja através da fibra.
Uma analogia aproximada, mas intuitiva, é uma mangueira de irrigação. Quando as pessoas apertam uma determinada seção da mangueira, o fluxo de água muda. Ao medir a mudança no fluxo de água, os engenheiros podem calcular quanta pressão está sendo aplicada. A detecção por fibra óptica usa um princípio semelhante, mas é muito mais sensível. Os pesquisadores enviam luz para as fibras ópticas, medem como os sinais de luz mudam e usam essas mudanças para inferir o que a fibra óptica passou.
Uma abordagem comum é usar redes de Bragg de fibra. Essas grades são pequenas estruturas periódicas escritas dentro de fibras ópticas que refletem comprimentos de onda específicos de luz. Quando uma fibra óptica é esticada ou comprimida, o comprimento de onda da luz refletida muda, fornecendo aos engenheiros uma “régua óptica” para medir a tensão.
As fibras ópticas de sílica convencionais são tipicamente cilíndricas, uma geometria ideal para medir forças que atuam ao longo do eixo da fibra. No entanto, os cilindros de vidro sólido respondem fracamente às forças laterais e à pressão hidrostática de todas as direções ao seu redor, resultando em limitações significativas na sua sensibilidade, que é uma das propriedades mais desejáveis da tecnologia de detecção.
Para resolver esse problema, os pesquisadores mudaram o formato do vidro. Em vez de fazer primeiro uma fibra redonda e depois tentar achatá-la, eles projetaram o HARFF em uma estrutura plana no estágio de pré-forma, resultando em uma estrutura sólida com uma proporção próxima de 20:1. Esta geometria plana em forma de fita revoluciona a forma como as fibras ópticas respondem às forças externas. Simplificando, a força necessária para dobrar uma haste redonda não é a mesma que dobrar uma régua fina. A estrutura plana fará com que a fibra óptica responda mais facilmente às forças de flexão como uma régua.
Com o HARFF, os engenheiros podem ajustar individualmente a largura, a espessura, a espessura da parede e os canais internos da fibra para projetar especificamente onde o vidro dobra e onde a tensão se concentra.
No sensor de pressão, a equipe de pesquisa projetou dois canais de ar que se estendem longitudinalmente dentro da fibra óptica. Esta estrutura assimétrica projetada intencionalmente deforma-se quando é aplicada pressão externa, causando vários graus de tensão em diferentes direções ao redor do guia de ondas óptico. Como resultado, uma propriedade da fibra chamada “birrefringência” também muda. Birrefringência significa que a luz que viaja em duas direções de polarização perpendiculares entre si experimentará índices de refração ligeiramente diferentes no mesmo pedaço de vidro.
Os pesquisadores então escreveram duas redes de Bragg de fibra idênticas no guia de ondas óptico, formando uma pequena cavidade óptica entre elas. Quando a luz se propaga dentro desta cavidade óptica, produz um padrão de interferência característico. Quando a pressão deforma o vidro, sua birrefringência muda e o padrão de interferência muda de forma mensurável.
Em termos simples, a pressão deforma a fibra da fita, o que altera as propriedades ópticas do vidro, e a alteração do sinal de luz informa aos pesquisadores quanta pressão foi aplicada.
Os pesquisadores colocaram esse sensor de prova de conceito em um recipiente de pressão para teste, com a pressão de teste atingindo até 0,40 MPa. Os resultados da medição mostram que sua resposta pico a vale atinge 7,24 dB/MPa; quando calculada utilizando outro método de análise, a sensibilidade à pressão atinge um máximo de 31,6 rad/MPa. Ao mesmo tempo, a sensibilidade cruzada à temperatura é inferior a 1% da sensibilidade à pressão, o que ajuda os pesquisadores a distinguir as mudanças de pressão das mudanças de temperatura.
A equipe de pesquisa afirmou que, em comparação com fibras ópticas comparáveis que usam núcleos elípticos e seções transversais circulares, a sensibilidade do HARFF foi melhorada em até três ordens de magnitude, o que é cerca de 1.000 vezes. Eles também afirmam que o desempenho do HARFF melhora em até duas ordens de grandeza em comparação com outros designs de fibra de sílica otimizados para detecção de pressão hidrostática.
Além da detecção de pressão, os pesquisadores também demonstraram que a mesma plataforma básica de vidro também pode ser projetada como sensor de temperatura. No sensor de temperatura, preencheram um canal interno do HARFF com uma liga à base de estanho. O coeficiente de expansão térmica do dióxido de silício é de cerca de 0,5×10⁻⁶/K, enquanto o coeficiente de expansão térmica desta liga é de cerca de 23×10⁻⁶/K. Quando os dois são aquecidos, o metal tenta expandir-se muito além do que o vidro circundante permite. Esta diferença na expansão cria tensão na sílica, alterando sua birrefringência e formando novamente um sinal óptico que pode ser medido.
Os pesquisadores acreditam que não apenas criaram um sensor mais poderoso, mas também transformaram a geometria e a estrutura interna da fibra em novas variáveis de projeto de engenharia.
Pavel Maniewski, pesquisador do Royal Institute of Technology, disse que esta não é apenas uma fibra óptica com uma aparência diferente, mas abre um novo espaço de design para fibras ópticas. Ao alterar a geometria, o próprio vidro pode responder de forma mais significativa ao ambiente físico circundante.
Ao alterar a largura da fibra, a espessura, os canais de ar, a localização do guia de onda óptico ou os materiais que preenchem esses canais, espera-se que a mesma plataforma básica de fabricação seja otimizada para diferentes tipos de necessidades de detecção no futuro. Por exemplo, incorporar tal fibra óptica numa asa composta permitiria a monitorização de cargas e deformações sem ter de estabelecer uma rede de um grande número de sensores electrónicos tradicionais.
Fibras ópticas semelhantes também podem ser usadas em campos como drones, pontes, estruturas industriais e baterias. Nestes cenários, as alterações na temperatura ou pressão interna podem servir como sinais de alerta precoce de falha do equipamento. Além disso, a fibra óptica também tem as vantagens de ser leve, pequena e não afetada por interferência eletromagnética.
É claro que ainda há um longo caminho a percorrer desde uma impressionante fibra óptica de laboratório até uma aplicação prática que permitiria às aeronaves ter algo como um "sistema nervoso de vidro". O atual HARFF ainda está em fase de prova de conceito. Os pesquisadores mediram uma perda de propagação de luz de aproximadamente 0,16 dB/metro, que eles acreditam ser devida principalmente à geometria experimental do núcleo e ao material de sílica utilizado, e não às limitações inerentes da própria fibra plana.
Além disso, a perda gerada quando o HARFF é emendado com a fibra óptica tradicional é geralmente inferior a 3 decibéis, o que significa que ainda há muito espaço para otimização desta tecnologia.
O próximo passo da equipe de pesquisa planeja melhorar ainda mais as capacidades de controle do formato da fibra, reduzir a perda óptica e promover o HARFF de um sensor de prova de conceito para um sistema real. O Royal Institute of Technology apontou que drones inteligentes, materiais compósitos avançados e tecnologias energéticas mais seguras são possíveis direções de aplicação futura desta tecnologia.
Deve-se notar que esta pesquisa se concentra na detecção de fibra óptica e não na transmissão de dados de telecomunicações. No campo das telecomunicações, a fibra óptica circular tradicional ainda é o padrão dominante.
Esta pesquisa foi publicada na revista Nature Communications.
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