Universidade Federal Do Rio De Janeiro 2017

Home , Inductrack, L0 Series, Magnetic bearing, ROMAG, SCMaglev, StarTram

Universidade Federal do Rio de Janeiro

RETROSPECTIVA DOS MÉTODOS DE LEVITAÇÃO E O ESTADO DA ARTE DA TECNOLOGIA DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA

Hugo Pelle Ferreira

2017

RETROSPECTIVA DOS MÉTODOS DE LEVITAÇÃO E O ESTADO DA ARTE DA TECNOLOGIA DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA

Hugo Pelle Ferreira

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.

Orientador: Richard Magdalena Stephan

Rio de Janeiro Abril de 2017

RETROSPECTIVA DOS MÉTODOS DE LEVITAÇÃO E O ESTADO DA ARTE DA TECNOLOGIA DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA

Hugo Pelle Ferreira

PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

Examinada por:

______Prof. Richard Magdalena Stephan, Dr.-Ing. (Orientador)

______Prof. Antonio Carlos Ferreira, Ph.D.

______Prof. Rubens de Andrade Jr., D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL ABRIL de 2017

RETROSPECTIVA DOS MÉTODOS DE LEVITAÇÃO E O ESTADO DA ARTE DA TECNOLOGIA DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA

Ferreira, Hugo Pelle

Retrospectiva dos Métodos de Levitação e o Estado da

Arte da Tecnologia de Levitação Magnética/ Hugo Pelle Ferreira. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2017.

XVIII, 165 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Richard Magdalena Stephan Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Elétrica, 2017. Referências Bibliográficas: p. 108 – 165. 1. Introdução. 2. Princípios de Levitação e Aplicações. 3. Levitação Magnética e Aplicações. 4. Conclusões. I. Stephan, Richard Magdalena. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica. III. Retrospectiva dos Métodos de Levitação e o Estado da Arte da Tecnologia de Levitação Magnética.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus, por sua infinita misericórdia e força que me ajudaram a chegar até aqui e enfrentar todos os desafios. Agradeço ao Professor Richard Magdalena Stephan por ter me selecionado como aluno de inciação científica do Laboratório de Aplicações de Supercondutores (LASUP) e do Laboratório de Máquinas (LabMaq), o que me permitiu ter a primeira oportunidade de colocar em prática os conhecimentos vistos ao longo do curso, ampliar os horizontes e ter acesso ao estado da arte da tecnologia de levitação magnética, com os mancais magnéticos e o projeto MagLev-Cobra, além de participar de duas conferências internacionais sobre o tema. Agradeço também por sua paciência, confiança e didática para a orientação deste trabalho e ao longo do curso, que contribuíram muito para minha formação como engeheiro. Agradeço ao Professor Antonio Carlos Ferreira e ao Professor Rubens de Andrade Jr. por aceitarem o convite para participar da banca de avaliação deste trabalho. Agradeço ao CNPq pelo apoio financeiro como aluno bolsista de iniciação científica. Agradeço à minha mãe, Lenita, pelo imenso apoio, amor, carinho e incentivo para alcançar meus objetivos e cumprir mais uma etapa de minha vida. Agradeço ao meu pai, José Manuel, por me ensinar a importância da matemática e estímulo para as ciências exatas. Agradeço à minha irmã, Carolina, por sua ajuda nesta caminhada. Agradeço aos demais familiares que sempre torceram por mim. Agradeço a todos os amigos que tive a oportunidade de encontrar ao longo dos anos e compartilhar vários momentos que tornaram esta caminhada mais leve, em especial Andrei, Bruno, Carlos Augusto, Carolina, Fábio, Leonardo, Marcello, Paola, Rafaela, Rodrigo, Samuel e Yuri. Agradeço também aos engenheiros Alan Endalécio, Marcelo Lopes e Vinícius Rodrigues, que além de serem grandes amigos, muito me auxiliaram nas atividades do laboratório. Agradeço à toda a equipe do LASUP e do LabMaq por me darem todas as condições e suporte para a realização deste trabalho em um excelente ambiente, em especial ao Professor Elkin Rodríguez, Sérgio Ferreira, Vina Guedes e aos engenheiros Felipe Costa, Felipe Sass e Marcos Dantas. Agradeço aos Professores que me motivaram e demonstraram a importância do conhecimento e do estudo, ao longo de toda minha vida, e cujos esforços se traduzem neste trabalho, em especial, Adriana Benazzi, Antonio Ribeiro, Almir Nogueira, Djalma Falcão, Glauco Taranto, Leila Schiesari, Miguel Bastos, Paulo Mendes, Rafael Pinheiro, Rosa Maria, Valmar Carneiro e Walter Suemitsu.

Agradeço ao pesquisador da USP, Marcos Andrade, e as empresas, por ordem alfabética, Bytronic Educational Technology, crazybaby, Inc., Crealev B. V., Elivatix, INTECO, IQDEMY, Levitronix, LG Electronics, Inc., LTI Motion, Mecos AG, Thoratec Corporation, e Waukesha Bearings, pela permissão para utilizar a imagem de suas pesquisas e seus produtos neste trabalho e, assim, enriquecer o seu conteúdo.

Resumo do Projeto de Graduação apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.

RETROSPECTIVA DOS MÉTODOS DE LEVITAÇÃO E O ESTADO DA ARTE DA TECNOLOGIA DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA

Hugo Pelle Ferreira

Abril/2017

Orientador: Richard Magdalena Stephan

Curso: Engenharia Elétrica

Ao longo da história, o fenômeno da suspensão ou da levitação de objetos sempre atraiu a atenção e o imáginário da humanidade para a possibilidade surpreendente de reproduzir o comportamento das aves e desafiar a ação gravitacional, que nos mantinham limitados ao solo. Dentre todos os métodos de levitação de objetos, a técnica de levitação magnética é a que atrai mais interesse atualmente e que possui maior capacidade de apresentar tecnologias promissoras ao mercado, sobretudo no setor de transporte de passageiros e na área industrial, e impactar de maneira positiva grande parte da sociedade, contribuindo para o seu bem-estar. Sob este cenário favorável para a levitação magnética, este trabalho se propõe a primeiramente analisar em detalhes todas as formas de suspensão de objetos anteriormente desenvolvidas, realizando uma retrospectiva sobre as técnicas acústica, óptica, aeroestática, aerodinâmica e eletrostática, descrevendo o princípio de funcionamento de cada uma delas, as suas vantagens e desvantagens e as aplicações em que são frequentemente encontradas. Em seguida, este trabalho apresenta todas as possíveis variações da levitação magnética, com as respectivas formulações matemáticas de seus sistemas de levitação, ressaltando o estado da arte das suas aplicações acadêmicas, industriais, de meios de transporte ou de bens de consumo, indicando os projetos de trens MagLev, e fabricantes de máquinas e equipamentos dotados desta tecnologia.

Palavras-chave: EDL, EML, Hovercraft, MagLev, Mancais Magnéticos, SML, TACV

vii

Abstract of Undergraduate Project presented to the Department of Electrical Engineering of POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.

LEVITATION METHODS RETROSPECTIVE AND MAGNETIC LEVITATION TECHNOLOGY STATE OF THE ART

Hugo Pelle Ferreira

April/2017

Advisor: Richard Magdalena Stephan

Course: Electrical Engineering

Througout history, the suspension or levitation phenomenon have always attracted the humanity’s imaginary to the astonishing possibility of reproduce the birds’ behavior and defy gravity, that had maintained us limited to the ground. In addition to all the levitation methods, the magnetic levitation technique is the one that has attracted more interest currently and has the most promising technologies to the market, mainly to the passengers’ transportation and at the industry level, to impact in a positive way the whole society, contributing to their wellbeing. Under this favorable scenarium to the magnetic levitation, this work will first analize in details all the suspension methods previously developed, doing a retrospective of the acoustic, optical, aerostatic, aerodynamic and electrostatic’s techniques, describing the each one’s operating principle, their advantages and disadvantages, and their main applications. After, this undergraduate project will present all the possible magnetic levitation schemes, with their respective mathematical analysis, highlighting the academic, industrial, transportation, and consumer goods state of the art, indicating the MagLev trains’ projects, and the machinery manufacturers with this technology.

Keywords: EDL, EML, Hovercraft, MagLev, Magnetic Bearings, SML, TACV

viii

Sumário Sumário ...... ix Lista de Símbolos ...... xi Listas de Abreviaturas e Siglas ...... xii Listas de Figuras ...... xvi Listas de Tabelas ...... xviii 1. Introdução ...... 1 1.1. Motivação e Tema ...... 1 1.2. Objetivos e Metodologia ...... 2 1.3. Descrição ...... 4 2. Princípios de Levitação e Aplicações ...... 5 2.1. Introdução ...... 5 2.2. Levitação Acústica ...... 5 2.3. Levitação Óptica ...... 6 2.4. Levitação Aerostática ...... 7 2.4.1. Balão e Dirigível ...... 7 2.4.2. Transporte Marítimo (Hovercraft) e Terrestre (Hovertrain) ...... 9 2.4.3. Aplicações Médicas e de Bens de Consumo ...... 20 2.4.4. Aplicações Industriais ...... 21 2.5. Levitação Aerodinâmica ...... 22 2.5.1. Aviação ...... 22 2.5.2. Forças fundamentais para o voo de uma aeronave ...... 25 2.5.3. Helicóptero ...... 26 2.5.4. Ground Effect Vehicle (GEV) ...... 27 2.5.5. Aplicações Comerciais, Industriais e Científicas ...... 28 2.6. Levitação Eletrostática (ESL) ...... 30 2.7. Conclusão ...... 32 3. Levitação Magnética e Aplicações ...... 35 3.1. Introdução ...... 35 3.2. Levitação de Ímãs Permanentes ...... 36 3.2.1. Modo Atrativo e Repulsivo de Levitação Magnética ...... 37 3.2.2. Materiais Magnéticos e o Arranjo de Halbach ...... 39 3.2.3. Aplicações nos Transportes ...... 41 3.2.4. Mancais Magnéticos Passivos (PMB) ...... 43 3.2.5. Levitação Estável por Rotação de Ímãs Permanentes...... 44

3.3. Levitação Diamagnética ...... 45 3.4. Levitação Eletromagnética (EML ou EMS) ...... 46 3.4.1. Princípio de Funcionamento da Levitação Eletromagnética Tradicional ...... 46 3.4.2. Primeiras Aplicações ...... 51 3.4.3. Mancais Magnéticos...... 52 3.4.4. Aplicações Educacionais ...... 57 3.4.5. Levitação Eletromagnética com Circuito Ressonante e em Corrente Alternada 65 3.4.6. Aplicações nos Transportes ...... 66 3.4.7. Aplicações Industriais Recentes ...... 71 3.4.8. Aplicações de Consumo e Entretenimento ...... 72 3.5. Levitação Supercondutora (SML ou SQL) ...... 76 3.5.1. Teoria da Supercondutividade ...... 76 3.5.2. Aplicações da Levitação Supercondutora ...... 78 3.5.3. Mancais Magnéticos...... 79 3.5.4. Trens de Levitação Magnética ...... 81 3.5.5. Entretenimento ...... 82 3.6. Levitação Eletrodinâmica (EDL ou EDS)...... 82 3.6.1. Princípio de Funcionamento da Levitação Eletrodinâmica Tradicional ...... 82 3.6.2. Levitação Eletrodinâmica por Corrente Alternada...... 85 3.6.3. Aplicações da Levitação Eletrodinâmica por Corrente Alternada ...... 87 3.6.4. Aplicações Educacionais ...... 89 3.6.5. Mancal Eletrodinâmico ...... 92 3.6.6. Aplicações nos Transportes ...... 94 3.7. Levitação Mixed-µ ...... 100 3.8. Conclusão ...... 101 4. Conclusões ...... 102 Referências Bibliográficas ...... 108

Lista de Símbolos

퐴 Área da seção transversal do circuito magnético (m²)

푎̂푥, 푎̂푦, 푎̂푧 Vetores unitários nas coordenadas cartesianas 푥, 푦, 푧 퐵⃗ Vetor densidade de fluxo magnético (T)

퐵⃗ 푔 Vetor densidade de fluxo magnético no entreferro (T)

퐵⃗ 푖푛푑 Vetor densidade de fluxo magnético induzida (T) 퐸⃗ Vetor campo elétrico (V/m) 푒 Tensão sobre o eletroímã (V)

퐹 푎푟푟 Vetor força de arraste (N)

퐹 푙푒푣 Vetor força de levitação (N)

퐹 푀 Vetor força de atração eletromagnética entre o eletroímã e o ímã (N) 푓 Vetor força eletromagnética (N) 푔 Vetor aceleração da gravidade (m/s²) 퐻⃗⃗ Vetor campo magnético (A.m)

퐻⃗⃗ 푐 Vetor campo magnético crítico (A.m)

퐻⃗⃗ 푔 Vetor campo magnético no entreferro (A.m) 푖 Corrente elétrica (A)

푖푖푛푑 Corrente elétrica induzida (A) 퐽 Vetor densidade de corrente elétrica (A/m²)

퐽⃗⃗푐 Vetor densidade de corrente elétrica crítica (A/m²) 푀⃗⃗ Vetor momento de dipolo magnético do ímã permanente (A.m²) 푚 Massa do objeto que levita (kg) 푁 Número de espiras

푃푒 Potência elétrica (W)

푃푚 Potência mecânica (W) 푇 Temperatura (K)

푇푐 Temperatura crítica (K) 푉 Volume (m³) 푣 Vetor velocidade de deslocamento (m/s)

푊푎푟푚 Energia magnética armazenada (J) 푧 Distância de entreferro (m) 휆 Fluxo magnético enlaçado (Wb.espira)

휇0 Permeabilidade magnética do vácuo (H/m) 휎 Condutividade elétrica (S)

Listas de Abreviaturas e Siglas

ACV – Air-Cushion Vehicle

Al-Ni-Co – Alumínio-Níquel-Cobalto (material magnético)

AMB – Active Magnetic Bearing

APM – Automated People Mover

AVE – Alta Velocidad Española

CES – Consumer Electronics Show

CI – Circuito Integrado

COPPE – Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia

CVD – Chemical-Vapor-Deposited

DEE – Departamento de Engenharia Elétrica

DEL – Departamento de Engenharia Eletrônica e de Computação

DoT – Department of Transportation

DSP – Digital Signal Processor d.C. – Depois de Cristo

EAU – Emirados Árabes Unidos

EDB – Electrodynamic Bearing

EDL – Electrodynamic Levitation

EDS – Electrodynamic Suspension

EESC – Escola de Engenharia de São Carlos

EML – Electromagnetic Levitation

EMS – Electromagnetic Suspension

EPUSP – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

ESIM – Electrostatically Suspended Induction Motor

ESL – Electrostatic Levitation

EUA – Estados Unidos da América

EUV – Extreme Ultraviolet

FAI – Fédération Aéronautique Internationale

FEI – Centro Universitário da Fundação Educacional Inaciana (Faculdade de Engenharia Industrial)

FEM – Finite Element Method

xii

Fem – Força Eletromotriz

FPGA – Field-Programmable Gate Array

Fultrace® – Fast Ultra-Light Tracked Air Cushion Equipment

GEV – Ground Effect Vehicles

HIL – Hardware-in-the-Loop

H-LSM – Homopolar Linear Synchronous Motor

HSST – High Speed Surface Transport

HTS – High Temperature Superconducting

HTT – Hyperloop Transportation Technologies

IAI – Israel Aerospace Industries

IAP – Istituto d’Aeronautica dell’Universitá di Palermo

ICE – Inter City Express

IDPC – Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia

IGBT – Insulated-Gate Bipolar Transistor

KIMM – Korea Institute of Machinery and Materials

LabMaq – Laboratório de Máquinas Elétricas

LADIF – Laboratório Didático do Instituto de Física da UFRJ

LASUP – Laboratório de Aplicações de Supercondutores

LCD – Liquid Crystal Display

LED – Light Emitting Diode

LIM – Linear Induction Motor

LIMRV – Linear Induction Motor Research Vehicle

LN2 – Nitrogênio Líquido

LQR – Linear Quadratic Regulator

LRC – Indutivo, Resistivo e Capacitivo

LSM – Linear Synchronous Motor

MagLev – Magnetic Levitation

MEMS – Micro-electro-mechanical Systems

MIT – Massachusetts Institute of Technology

MOSFET – Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor

NASA – National Aeronautics and Space Administration

xiii

Nd-Fe-B – Neodímio-Ferro-Boro (material magnético)

NEDO – New Energy and Industrial Technology Development Organization

PCI – Placa de Circuito Impresso

PID – Proporcional-Integral-Derivativo

PMB – Passive Magnetic Bearing

PRT – Personal Rapid Transit

PWM – Pulse-Width Modulation

RTRI – Railway Technical Research Institute

RTV – Research Test Vehicle

SMDTC – Shanghai Maglev Transportation Development Co., Ltd.

SMB – Superconducting Magnetic Bearing

SML – Superconducting Magnetic Levitation

Sm-Co – Samário-Cobalto (material magnético)

SQL – Superconducting Quantum Levitation

TACV – Tracked Air Cushion Vehicle

TACRV – Tracked Air Cushion Research Vehicle

TALAV – Trem Aerodinâmico Leve de Alta Velocidade

TAV – Trem de Alta Velocidade

TLRV – Tracked Levitated Research Vehicle

TE – Modo Transversal Elétrico

TEM – Modo Transversal Eletromagnético

TFM – Transverse Flux Machine

TM – Modo Transversal Magnético

TTC – Transportation Test Center

TTI – Transportation Technology Inc.

TGV – Train à Grande Vitesse

UAQ – Università degli Studi dell’Aquila

UEL – Universidade Estadual de Londrina

UFABC – Universidade Federal do ABC

UFRJ – Universidade Federal do Rio de Janeiro

UFRN – Universidade Federal do Rio Grande do Norte

xiv

UnB – Universidade de Brasília

UNICAMP – Universidade Estadual de Campinas

UNIJUÍ – Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul

URSS – União das Repúblicas Socialistas Soviéticas

USP – Universidade de São Paulo

UTACV – Urban Tracked Air Cushion Vehicle

U-Trace® – Urban Tracked Air Cushion Equipment

VAD – Ventricular Assist Device

VANT – Veículo Aéreo Não-Tripulado

VTOL – Vertical Take-off and Landing

WIG – Wing in Ground

Y-Ba-Cu-O – Ítrio-Bário-Cobre-Oxigênio (material supercondutor)

Listas de Figuras

Figura 2.1. Levitação acústica de esferas de isopor...... 6 Figura 2.2. Ilustração do primeiro balão tripulado (1783)...... 8 Figura 2.3. Dirigível nº 6 de Santos-Dumont (1901)...... 9 Figura 2.4. Hovercraft sobre o Canal da Mancha...... 10 Figura 2.5. Mock-up do Hovertrain RTV 31...... 11 Figura 2.6. Aérotrain I80-HV em operação...... 12 Figura 2.7. Mock-up do protótipo TACRV...... 14 Figura 2.8. Transporte Rápido de Passageiros na Universidade de Duke...... 17 Figura 2.9. Transporte Rápido de Passageiros no Aeroporto de Narita...... 17 Figura 2.10. ExpressTram no Aeroporto Metropolitano de Detroit...... 19 Figura 2.11. Sistema de Transporte Automático do Hospital de Huntsville...... 19 Figura 2.12. Cortador de grama Flymo...... 20 Figura 2.13. Mancal aerostático...... 21 Figura 2.14. 14-bis de Alberto Santos-Dumont...... 23 Figura 2.15. Perfil das forças que atuam em uma aeronave...... 26 Figura 2.16. Veículo por efeito de solo (GEV)...... 27 Figura 2.17. Malha de Controle da Levitação Eletrostática...... 31 Figura 2.18. Levitação Eletrostática (ESL) de uma liga metálica...... 33 Figura 3.1. Pseudo-levitação de Ímãs Permanentes...... 36 Figura 3.2. Vista Frontal do "Revolution"...... 37 Figura 3.3. Modo Atrativo de Suspensão de Ímãs Permanentes...... 38 Figura 3.4. Modo Repulsivo de Suspensão de Ímãs Permanentes...... 38 Figura 3.5. Arranjo de Halbach...... 40 Figura 3.6. Veículo M-Bahn...... 42 Figura 3.7. Levitação estável pela rotação de um ímã permanente...... 44 Figura 3.8. Levitação diamagnética do carbono pirolítico...... 45 Figura 3.9. Diagrama esquemático de um sistema de levitação eletromagnética...... 47 Figura 3.10. Malha de controle tradicional em um sistema de levitação EML...... 50 Figura 3.11. Mancal magnético ativo radial da Waukesha Bearings...... 53 Figura 3.12. Detalhe construtivo de um mancal magnético radial da Mecos...... 53 Figura 3.13. Componentes mecânicos e magnéticos de um mancal magnético...... 54 Figura 3.14. Sistema de um mancal magnético ativo completo da LTI Motion...... 55

xvi

Figura 3.15. Bomba com levitação magnética para o coração artificial...... 56 Figura 3.16. LVAD HeartMate 3™...... 56 Figura 3.17. Levitação eletromagnética de um ímã permanente...... 59 Figura 3.18. Levitação de uma esfera ferromagnética...... 62 Figura 3.19. Levitação de um disco ferromagnético...... 62 Figura 3.20. Levitação de um ímã permanente...... 63 Figura 3.21. Sistema de Levitação Magnética da Bytronic...... 64 Figura 3.22. Sistema de Levitação Magnética da INTECO...... 64 Figura 3.23. MagLev em Xangai (China)...... 69 Figura 3.24. HSST em Nagoia (Japão)...... 70 Figura 3.25. ECOBEE em Incheon (Coreia do Sul)...... 71 Figura 3.26. Impressora IQDEMY Maglev ...... 72 Figura 3.27. Luminária Lunaluxx...... 73 Figura 3.28. Luminária Eclipse...... 74 Figura 3.29. Caixa de som PJ9 da LG...... 75 Figura 3.30. Vista explodida da base (esq.) e do alto falante (dir.) do Mars (centro). ... 76 Figura 3.31. Efeito Meissner-Ochsenfeld...... 77 Figura 3.32. Estado misto em supercondutores do tipo II...... 78 Figura 3.33. Levitação de um ímã permanente sobre um bloco supercondutor...... 80 Figura 3.34. Linha de testes do MagLev-Cobra...... 82 Figura 3.35. Sistema de Levitação Eletrodinâmica Tradicional...... 84 Figura 3.36. Forças de Levitação e de Arrasto em um Sistema Eletrodinâmico...... 85 Figura 3.37. Levitação Eletrodinâmica por Corrente Alternada...... 86 Figura 3.38. Levitação Eletrodinâmica de um anel de alumínio...... 87 Figura 3.39. Modelo didático da levitação eletrodinâmica no espaço COPPE...... 91 Figura 3.40. Rotor e estator do mancal eletrodinâmico homopolar...... 93 Figura 3.41. Protótipo L0 na linha de testes em Yamanashi (Japão)...... 98 Figura 4.1. Curvas S de adoção de novas tecnologias exemplificando os TAV´s...... 107

xvii

Listas de Tabelas

Tabela 4.1. Comparação entre as técnicas de levitação...... 103 Tabela 4.2. Comparação entre as técnicas de levitação magnética...... 105 Tabela 4.3. Comparação entre o trem MagLev e o convencional Roda-Trilho...... 106

xviii

1. Introdução

1.1. Motivação e Tema

Ao longo da história, o fenômeno da suspensão ou da levitação de objetos sempre atraiu a atenção e o imaginário da humanidade para a possibilidade surpreendente de reproduzir o comportamento das aves e desafiar a ação gravitacional, que nos mantinham limitados ao solo. Dentre alguns exemplos emblemáticos deste desejo do ser humano, podem-se destacar o conto da mitologia grega do voo de Ícaro, os estudos incipientes de Leonardo da Vinci, as obras de ficção científica de Júlio Verne ou de Johnathan Swift, e os truques de ilusionismo de mágicos ao redor do mundo. Com a evolução do método científico e o estabelecimento dos fundamentos das ciências físicas da Mecânica e do Eletromagnetismo, foi possível compreender a natureza que nos cerca, as leis que a regem e construir aparatos e dispositivos que tornaram o antigo sonho de sair do solo possível, seguro e fácil de ser replicado para fins militares ou comerciais. Assim, surgiram os balões, dirigíveis e aeronaves, que em um curto espaço de tempo revolucionaram a história da humanidade, reduzindo tempos de deslocamento de pessoas, mercadorias e comunicações. Do ponto de vista industrial, após a consolidação do funcionamento de equipamentos e máquinas rotativas para os mais variados setores, o contato mecânico entre os elementos fixos e móveis de mancais mecânicos passou a restringir a sua operação à uma faixa de velocidades, acarretando em aumento das perdas mecânicas, reduzindo a sua eficiência e limitando a sua vida útil, por ação do desgaste. Além disso, a exigência de uma manutenção exaustiva e de lubrificação destes mancais inviabilizava a sua utilização em ambientes extremamente limpos, em operação remota, sem contaminação, ou com atmosfera explosiva, como as áreas de óleo e gás, de alimentos, de fármacos, de biomedicina, de nanotecnologia, de fabricação de semicondutores ou aeroespacial. Desta forma, despontaram os mancais sem atrito mecânico para eliminar este inconveniente, como os fluidoestáticos, os fluidodinâmicos e, mais recentemente, os mancais magnéticos que ampliaram a faixa de operação destes equipamentos, melhorando a sua precisão e aumentando a sua confiabilidade e a sua performance. Os mancais magnéticos já podem ser encontrados em equipamentos para o setor de alimentos e de óleo e gás onshore e offshore, centrífugas de enriquecimento de urânio, bombeamento de coração artificial [1] e turbo máquinas diversas [2, 3], contando com um nível de confiabilidade elevado.

Aliado ao conceito de aumento de eficiência e redução de ruído provocados pela ausência de contato, a busca por um menor impacto ambiental, evitando a dependência dos combustíveis fósseis e do modelo rodoviário, e de infraestrutura, com obras civis de menor custo, provocou, em meados do século XX, o surgimento de meios de transporte não convencionais para deslocamentos marítimos, com os hovercrafts, ou terrestres, com os hovertrains (ACV) e os trens de levitação magnética (MagLev) para trajetos urbanos ou em altas-velocidades. A evolução tecnológica dos materiais, dos motores elétricos lineares, da microeletrônica, da eletrônica de potência, da instrumentação e da capacidade de processamento de sinais permitiu que os trens de levitação magnética adquirissem um grau de amadurecimento e hoje possam competir satisfatoriamente com os modelos convencionais roda-trilho, contando com quatro trens em operação comercial e diversos em fase experimental, como o MagLev-Cobra [4], no mundo. Atualmente, além dos setores tradicionais em que a levitação magnética é empregada, como na indústria e nos transportes, esta técnica tem expandido sua esfera de atuação para áreas até então pouco exploradas, como a dos bens de consumo para sistemas educacionais [5], a decoração [6], a iluminação [7], e o entretenimento [8]. Em face deste cenário favorável, o Laboratório de Máquinas Elétricas (LabMaq) [9] do DEE/UFRJ e o Laboratório de Aplicações de Supercondutores (LASUP) [10] da COPPE/UFRJ desenvolvem importantes pesquisas nas áreas de levitação magnética e supercondutividade, sempre observando o grau de relevância de seus trabalhos, com perspectivas para futuras soluções inovadoras, entre outros, nos setores de transporte, industrial e de consumo.

1.2. Objetivos e Metodologia

Para o desenvolvimento de novas aplicações é importante e necessário primeiramente se conhecer o processo e o contexto histórico em que as técnicas de levitação surgiram, os seus principais projetos, a localização geográfica em que foram planejadas e implementadas, além do posicionamento estratégico delas em relação a área de concentração em que foram inseridas, observando as suas motivações e as razões pelas quais as suas soluções comerciais prosperaram ou não. O estado da arte da tecnologia da levitação magnética também apresenta detalhes relevantes para a identificação das perspectivas futuras em que esta possa ser encontrada, sobretudo no setor de bens de consumo, no qual ela se expande.

Este trabalho analisa em detalhes todas as formas de suspensão de objetos anteriormente desenvolvidas, como as técnicas acústica, óptica, aeroestática, aerodinâmica e eletrostática, descrevendo o princípio de funcionamento de cada uma delas, as suas vantagens e desvantagens e as aplicações em que são frequentemente encontradas. Em seguida, o trabalho apresenta todas as possíveis variações da levitação magnética, com as respectivas formulações matemáticas de seus sistemas de levitação, ressaltando as suas aplicações acadêmicas, industriais, de meios de transporte ou de bens de consumo, indicando os projetos de trens MagLev e fabricantes de máquinas e equipamentos dotados desta tecnologia. Para atingir estes objetivos, deve-se recorrer aos trabalhos históricos e originais realizados anteriormente e documentá-los. Dentre os trabalhos que se constituem como fontes fundamentais para este projeto de graduação, pode-se destacar o artigo de BRANDT [11], que reúne os estudos científicos e princípio de funcionamento dos principais métodos de levitação aqui apresentados, e indica as referências originais em que foram desenvolvidos. Deve-se ressaltar também, os livros de SCHWEITZER et al [12], CHIBA et al [13] e STEPHAN et al [14], que descrevem o processo histórico, as vantagens e desvantagens e a importância dos mancais magnéticos no setor industrial. Os trabalhos de JAYAWANT [15,16] e LAITHWAITE [17, 18] também apresentam um panorama completo das técnicas de levitação magnética e dos principais projetos e aplicações relacionados a este tema. Os livros de SINHA [19], MOON [20], e mais recentemente, de BOLDEA [21], HAN e KIM [22] e LIU et al [23] atualizam o cenário e as perspectivas para a adoção de trens de levitação magnética, descrevendo os projetos já desenvolvidos e os detalhes técnicos e construtivos destes sistemas, como os princípios de levitação, propulsão e guiamento, os motores elétricos lineares e estratégias de controle de posição e de vibrações. Além destes, foi feita uma grande revisão bibliográfica de outros artigos em conferências e periódicos, revistas técnicas, livros, enciclopédias, teses, monografias, relatórios técnicos, material jornalístico, legislações, patentes e fabricantes de equipamentos baseados nestes sistemas de levitação, de forma a obter uma perspectiva histórica das técnicas de levitação e reconhecer o estado da arte da levitação magnética. Assim, foi possível elaborar um trabalho pioneiro que apresenta de forma concisa em único texto todos os métodos de suspensão de objetos, suas aplicações históricas e atuais, o princípio de funcionamento de cada uma delas e os fabricantes de máquinas e equipamentos baseados nesta tecnologia e o setor em que elas se inserem.

1.3. Descrição

Este capítulo apresentou a motivação, o tema, os objetivos e a metodologia a ser adotada neste trabalho, com especial destaque para os trabalhos anteriores que constam como referências fundamentais para este projeto. Uma breve descrição dos próximos capítulos será apresentada a seguir. O capítulo 2 descreverá os princípios físicos de levitação de objetos, do tipo acústica, óptica, aerostática, aerodinâmica e eletrostática (ESL), incluindo as suas respectivas aplicações. O capítulo 3 apresentará a levitação magnética em todas as suas formas, com ímãs permanentes, diamagnética, eletromagnética (EML), supercondutora (SML), eletrodinâmica (EDL) e mixed-µ, introduzindo o seu princípio de funcionamento e o modelo matemático equivalente, todas as suas aplicações acadêmicas, educacionais, industriais, de transporte e ou de bens de consumo, ressaltando os projetos realizados e os fabricantes de produtos baseados nesta tecnologia. Concluindo, o capítulo 4 apresentará um panorama comparativo entre todos os métodos de levitação vistos ao longo do texto, indicando o estado atual da tecnologia da levitação magnética e as perspectivas futuras nas quais ela possa ser aproveitada.

2. Princípios de Levitação e Aplicações

2.1. Introdução

Há muito tempo, a levitação deixou de ser um mero desejo do ser humano ou um simples truque de ilusionismo, para se tornar um importante advento da humanidade, combinando o surpreendente fenômeno de “desafio” à ação gravitacional com importantes aplicações. Assim, foi possível desenvolver tecnologias em áreas tão diversas como, por exemplo, medicina, estudos de materiais, de micro gravidade ou de biologia, tecnologia industrial e transportes, aproveitando as suas vantagens de aumento de eficiência, altas velocidades de rotação, não necessidade de lubrificação, não contaminação com recipientes, entre outros. O dicionário da Língua Portuguesa Michaelis [24] define levitar como o ato de “erguer-se alguém ou alguma coisa no espaço sem apoio visível”. Esta definição, como se encontra, leva em consideração truques de mágica e de ilusão de óptica, pela ausência de elementos de apoio visíveis. Este capítulo é dedicado a descrever os métodos pelos quais é possível erguer objetos no espaço sem que haja necessidade de qualquer forma de apoio, acrescentando uma precisão científica para a definição acima e atendo-se apenas aos princípios físicos para contrabalançar a aceleração da gravidade [11]. Deste modo, são incluídos itens nem sempre considerados, como aeronaves e balões, em função de sua relevância histórica e aplicações comerciais que revolucionaram a humanidade. Assim, serão apresentadas as técnicas de levitação acústica, óptica, aerostática, aerodinâmica e eletrostática. A levitação magnética e as suas múltiplas variações merecem atenção especial e serão objeto de estudo do próximo capítulo.

2.2. Levitação Acústica

A suspensão de objetos por ação do som é possível devido a força de pressão acústica produzida por ondas acústicas estacionárias. Este padrão de onda estacionária pode ser obtido com um arranjo vertical básico, de eixo simples, formado por um transdutor, que gera os sinais acústicos, e um receptor que reflete estes sinais [25]. Com a emissão de sinais acústicos cria-se uma onda estacionária de alta intensidade, com frequência, em geral, na faixa do ultrassom. A força de ondas acústicas por ela criada é capaz de mover objetos para os nós de pressão da onda, ou a sua posição de mínima energia, mantendo-os flutuando no ar de forma estável [26].

A levitação acústica pode ser observada na Figura 2.1, em pesquisa realizada na USP por ANDRADE et al [27], na qual pequenas esferas de isopor flutuam em um levitador acústico de eixo simples.

Figura 2.1. Levitação acústica de esferas de isopor. (Fonte: ANDRADE et al [27], com permissão)

A suspensão de partículas pode ser obtida de forma tradicional através de sistemas que utilizam o princípio da ressonância, na qual a distância entre o emissor e refletor é fixa, proporcional a meio comprimento de onda [28], ou através de levitadores não ressonantes, em que a posição do refletor pode ser deslocada e inclinada [29]. Outras configurações possíveis, como os sistemas em mais dimensões [30, 31] e utilizadas em conjunto com a levitação magnética [32] também são objeto de estudo. As aplicações da levitação acústica compreendem a fabricação de novos medicamentos com rápida ativação [33], estudos biológicos, como a suspensão de insetos [34, 35], pesquisas de materiais em diferentes fases, de tensão superficial, de partículas líquidas ou gases e o processamento de materiais sem recipientes [36 – 38].

2.3. Levitação Óptica

A pressão de radiação exercida pela emissão de energia eletromagnética também é capaz de produzir forças suficientes para a suspensão de pequenos objetos e partículas.

Nesta técnica, a radiação emitida por fontes luminosas baseadas por feixes a laser de alta intensidade e focalizadas na direção do objeto é capaz de aprisionar partículas microscópicas em uma região estável, inclusive um arranjo de diversas partículas. A força produzida pela pressão de radiação sobre o objeto torna possível a sua levitação ao contrabalançar a ação gravitacional [25]. Deve-se ressaltar que, para que este efeito ocorra são levados em consideração inúmeros aspectos, como, o formato e as dimensões das partículas, o arranjo para focalizar os feixes, o modo de propagação de onda dos feixes de fótons (TE, TM ou TEM), o índice de refração, o tipo de material do objeto (transparente, opaco ou translúcido) e a temperatura de resfriamento para desaceleração dos átomos [39]. Dentre as aplicações da levitação óptica estão o estudo de átomos para espectroscopia [40, 41], manipulação de partículas a partir de pinças ópticas [42, 43], estudo de bactérias na Medicina [44] e de micropartículas na Química [45, 46].

2.4. Levitação Aerostática

Talvez a mais conhecida das técnicas de suspensão de objetos, a levitação aerostática foi a primeira a sugerir importantes aplicações e a conseguir flutuar grandes quantidades de massa, reduzindo tempos de deslocamento e revolucionando a forma como a humanidade interagia com o planeta, agora sem estar limitada ao solo.

2.4.1. Balão e Dirigível

2.4.1.1 Balão

Os primeiros registros da utilização com sucesso de balões de ar quente, remontam ao século III d.C., pelos chineses, para fins de sinalização e de inteligência militar, e posteriormente, em festividades. Apenas em 1709, o padre brasileiro Bartolomeu de Gusmão, realizou experiências com um aeróstato semelhante, apresentando a idealização do balão tripulado, porém em escala reduzida. Em 1783, em Paris, o aeróstato elaborado pelos irmãos Jacques-Étienne e Joseph-Michel Montgolfier elevou-se no ar proporcionando o primeiro voo tripulado em um balão de ar quente, ilustrado pela Figura 2.2. No mesmo ano, Jacques Charles e Nicolas-Louis Robert realizaram o primeiro voo tripulado em balão a gás [47]. A ascensão dos balões de ar quente baseia-se no princípio de Arquimedes, no qual o ar aquecido no interior do invólucro reduz sua densidade, tornando-se mais leve que o ar no exterior. O volume de ar aquecido deslocado no seu interior produz o empuxo aerostático necessário para elevar o balão. De forma análoga, o mesmo princípio se aplica aos balões a gás, porém neste caso, o gás utilizado, em geral, Hidrogênio ou Hélio, já possui densidade naturalmente menor que o ar [48, 49].

As aplicações dos balões se alteraram muito ao longo do tempo, sendo empregados inicialmente para o transporte de passageiros, comunicações entre localidades distantes e fins bélicos e, atualmente para festividades, o turismo, o balonismo, estudos meteorológicos e atmosféricos e atividades de vigilância e monitoramento aéreo [50].

Figura 2.2. Ilustração do primeiro balão tripulado (1783). (Fonte: Wikimedia, Claude-Louis Desrais, Domínio Público [51])

Após a consolidação do seu uso, a questão da navegação dos aeróstatos tornou- se vital para futuras aplicações sobre longas distâncias, de modo que a rota não ficasse subordinada à direção dos ventos. Assim, máquinas a vapor e motores movidos, por exemplo, a diesel, a gás, a gasolina e a eletricidade foram acoplados aos balões para conferir-lhe dirigibilidade.

2.4.1.2 Dirigível

O avanço das técnicas de ascensão e propulsão deu origem a novos modelos de aeróstatos a gás navegáveis, conhecidos como dirigíveis. Nesta situação, o dirigível assumiu um formato aerodinâmico mais alongado, semelhante a uma elipsoide, com o gás armazenado no interior de seu invólucro, com a propulsão de motores e dotados de lemes na popa [52].

Os dirigíveis foram classificados como flexíveis, semi-flexíveis e rígidos, de acordo com o formato ser influenciado ou não pela pressão interna do gás. No seu aperfeiçoamento, destacaram-se as personalidades do brasileiro Alberto Santos- Dumont [53], no estudo das melhores formas de dirigibilidade, e do alemão Ferdinand von Zeppelin [54], na consolidação dos dirigíveis rígidos, conhecidos como Zepelim [55], e na sua comercialização. A Figura 2.3 ilustra o premiado dirigível nº 6 de Santos- Dumont em 1901 [56, 57]. Logo em seguida, as aplicações dos dirigíveis se concentraram majoritariamente no setor de transporte transatlântico de passageiros, atingindo velocidades próximas a 130 km/h e com grande autonomia de voo, além da formação de uma força aérea militar. A utilização do Hidrogênio como gás armazenado para a flutuação da aeronave foi abandonada após o desastre com o zepelim Hindenburg, em 1937, sendo substituído pelo gás Hélio. Atualmente, os dirigíveis são empregados no turismo aéreo, na geração e transmissão de imagens aéreas para eventos esportivos e monitoramento de tráfego ou regiões afetadas por calamidades, ou na publicidade.

Figura 2.3. Dirigível nº 6 de Santos-Dumont (1901). (Fonte: Centro Contemporâneo de Tecnologia, Domínio Público [58])

2.4.2. Transporte Marítimo (Hovercraft) e Terrestre (Hovertrain)

2.4.2.1 Hovercraft

Um outro tipo de veículo aproveitando a suspensão aerostática idealizado no século XIX, e desenvolvido em meados do século XX, pelo britânico Christopher Cockerell [59], foi proposto para flutuar sobre diferentes tipos de superfícies, como a água e terra, em um comportamento semelhante ao dos anfíbios. Este veículo, conhecido como hovercraft, é capaz de deslizar sobre superfícies aquáticas e terrestres, atingindo velocidades superiores a 100 km/h [60].

Nos hovercrafts do tipo ACV (air-cushion vehicle), turbinas acopladas à embarcação direcionam o ar para uma cavidade flexível situada entre o seu casco e a parte deslizante, formando um colchão de ar. Uma saia de borracha envolvendo toda a lateral da embarcação mantém o ar retido em seu interior, produzindo forças pneumáticas capazes de sustentar todo o seu peso, eliminando o contato com a superfície. Motores posicionados na parte posterior são responsáveis pela sua propulsão e lemes auxiliam na sua direção [61, 62]. As aplicações dos hovercrafts, que foram adotados por vários países [63], compreendem a sua utilização como veículo militar e de salvamento versátil [64], no transporte de passageiros e carga, sobretudo no Canal da Mancha, como visto na Figura 2.4, e nas ilhas britânicas [65], além de atividades esportivas. Uma embarcação híbrida concebida nos anos 60, permitia a operação de navios como hovercrafts ou com cascos de catamarãs para redução do atrito e alcançar maiores velocidades. O desenvolvimento destes veículos foi conduzido com atenção pelos Estados Unidos, União Soviética, Reino Unido e Noruega, incialmente para fins militares, logo seguido por interesses comerciais [66].

Figura 2.4. Hovercraft sobre o Canal da Mancha. (Fonte: Wikimedia, Andrew Berridge, CC BY-SA 2.5 [67])

2.4.2.2 Hovertrain de Alta Velocidade

Outras propostas semelhantes desta técnica foram sugeridas para outros modais, como os hovercars, sugeridos pela Ford Motor Company (Glideair) [68, 69], ou o Curtis- Wright GEM 2500 Air Car [70], os hovertrucks para atividades agrícolas, propostos pela Land Rover [71], e os hovertrains, ou aerotrens [72], especialmente nos anos 60 e 70. Este último, foi incialmente idealizado para o transporte de passageiros em alta velocidade sem contato com o solo, flutuando sobre um colchão de ar, dotado de uma fina camada de alguns milímetros. Foram realizados estudos para a propulsão do trem utilizando turbinas convencionais e a jato, além do motor de indução linear (LIM), recém elaborado de forma operacional pelo engenheiro britânico Eric Laithwaite [73, 74].

2.4.2.2.1 Reino Unido

Os principais projetos dos hovertrains de alta-velocidade foram conduzidos na Europa e na América do Norte. O mesmo grupo de pesquisa dos hovercrafts no Reino Unido elaborou estudos, a partir de 1967, acerca de trens flutuando por colchão de ar (ACV) [75] ou a gás [76], chamados de Tracked Hovercraft. Uma linha de testes de 32 km foi construída, em 1971, em um formato de T invertido, com a propulsão por um motor de indução linear (LIM) [77] e suspensão por colchão de ar, com o trem RTV 31 atingindo velocidade máxima de 150 km/h. O projeto teve suas atividades encerradas, em 1973, por falta de financiamento [17, 78]. O mock-up do protótipo RTV 31 pode ser visto na Figura 2.5, onde está exposto em um museu ferroviário.

Figura 2.5. Mock-up do Hovertrain RTV 31. (Fonte: Wikimedia, Domínio Público [79])

2.4.2.2.2 França

De maneira paralela aos britânicos, a França desenvolveu trabalho semelhante, a partir de 1965, conhecido como Aérotrain, com suspensão ACV [80 – 82]. Os primeiros protótipos, Aérotrains 01 e 02, foram testados em uma linha em formato de T invertido de 6,7 km, com propulsão de turbo geradores, turbinas a jato ou foguetes, com o primeiro alcançando velocidades de 345 km/h. Em 1969, o protótipo em escala real para fins urbanos Aérotrain S44 passou a utilizar o motor de indução linear (LIM) como propulsão atingindo velocidade máxima de 200 km/h, em um trecho de 3 km. No mesmo ano, uma linha de 18 km foi construída para testes dos trens de alta velocidade Aérotrain I80 e I80-HV, ambos para 80 passageiros, dotados com motores Turbofan atingindo velocidades máximas próximas a 430 km/h. As pesquisas seguiram até 1977, quando cessaram por falta de incentivo [83, 84]. A Figura 2.6 ilustra o Aérotrain I80-HV em funcionamento.

Figura 2.6. Aérotrain I80-HV em operação. (Fonte: Wikimedia, CC BY-SA 3.0 [85])

2.4.2.2.3 Itália

Em 1967, o Instituto Aeronáutico de Engenharia da Universidade de Palermo, na Itália, iniciou pesquisas com o Aerotreno IAP-1, em escala reduzida. Em seguida, o IAP- 2, movido por turbinas a hélice, foi testado numa linha de 200 m, no campus da universidade [86]. Em 1972, o veículo IAP-3, com capacidade para 20 passageiros e propulsão por LIM, foi avaliado na pista de 600 m, com formato em U, no aeroporto de Trapani-Milo, com velocidade projetada de 250 km/h [87]. A partir de 1973, a instituição alterou o seu foco para trens de levitação magnética [88].

2.4.2.2.4 Alemanha Ocidental

Em 1972, a companhia Krauss-Maffei AG, da Alemanha, considerou a proposta de um trem suspenso por colchão de ar (ACV) para o protótipo Transrapid 03, de forma a comparar os seus resultados com o Transrapid 02, um protótipo com levitação magnética (MagLev) [88]. O Transrapid 03 alcançou velocidades de 140 km/h, com propulsão LIM em uma linha de 930 m permanecendo em estudo até 1974, quando foi preterido pelo MagLev [89].

2.4.2.2.5 Estados Unidos da América

Nos Estados Unidos da América (EUA), o desenvolvimento dos hovertrains se beneficiou dos altos incentivos do governo americano no estabelecimento de trens de alta velocidade, a partir de 1965 [90]. Em 1969, o departamento de transportes americano (DoT) iniciou a construção de um complexo para testes de trens urbanos e de alta velocidade (TTC) em Pueblo, no Colorado, e inaugurou o programa Tracked Air Cushion Vehicle (TACV) [91]. O primeiro veículo LIMRV, fabricado pela Garrett Corporation AiResearch Manufacturing Division, concentrava-se apenas no estudo da propulsão dos trens, com motor de indução LIM [92], ou a jato, permanecendo no convencional roda-trilho, em uma pista de 10 km com o formato de T invertido [93]. Em paralelo, na Califórnia, o veículo TLRV, com suspensão por colchão de ar (ACV), feito pela mesma companhia, planejava solucionar a alimentação do primário do LIM com coletores especiais para suportar velocidades de 480 km/h [17]. Em 1972, o protótipo TACRV, visto na Figura 2.7, construído pela Grumman Aerospace Corporation, apresentava a característica de trens de alta velocidade, suspensão (ACV) e contando com propulsão por turbinas a jato. Em uma linha de testes de 35 km, os resultados indicaram velocidades próximas a 150 km/h [94]. A partir de 1974, o hovertrain UTACV para 60 passageiros, com propulsão LIM e destinado para o transporte urbano foi fabricado pela Rohr Industries e testado em uma linha de 5 km, onde atingiu até 240 km/h. O programa foi finalizado em 1975 devido à falta de recursos financeiros, que passaram a ser destinados às pesquisas como o MagLev e o transporte automático de pessoas (APM) [95].

Figura 2.7. Mock-up do protótipo TACRV. (Fonte: Wikimedia, Bruce McAllister, Domínio Público [96])

2.4.2.2.6 Brasil

A Faculdade de Engenharia Industrial (FEI), em São Bernardo do Campo, desenvolveu o projeto de um trem de alta-velocidade suportado por colchão de ar (TALAV), a partir de 1970, adotando mão-de-obra, materiais e tecnologias totalmente nacionais, como resultado da longa experiência adquirida pela instituição em trabalhos no setor da indústria automobilística. A primeira etapa do programa envolveu o estudo de um protótipo funcional em escala reduzida para avaliação dos sistemas de suspensão ACV e propulsão a jato ou por turbo-hélice. Após a verificação da sua viabilidade técnica, o projeto avançou para a construção de um veículo em escala real, com capacidade para vinte passageiros, velocidade planejada de 200 km/h e propulsão por duas turbinas a jato, que foi demonstrado com sucesso na exposição Brazil Export, em 1972, na cidade de São Paulo, e no ano seguinte, em Bruxelas, na Bélgica. Os principais diferenciais deste modelo em relação aos demais concorrentes eram a possibilidade de o trem trafegar ao longo de uma canaleta, permitindo mudanças de via, a porta frontal do tipo telescópica para embarque e desembarque de pessoas, reduzindo o tamanho das estações, além do seu aspecto versátil e modular, que facilitava o engate de diversos vagões de acordo com a demanda e a retirada do habitáculo de passageiros para o transporte de carga em containers.

Apesar do êxito na apresentação do veículo e do interesse de algumas cidades brasileiras na sua adoção, a linha de testes necessária para a consolidação do projeto nunca foi construída, provocando o encerramento de suas atividades por falta de financiamento governamental [97].

2.4.2.2.7 Outros Projetos

Outras propostas levantadas para trens de alta velocidade utilizando o método ACV incluem [93] o Tracked Air Cushion Research Vehicle da General Electric Co. [98], com propulsão por LIM ou motor de aeronaves, além dos veículos envoltos por tubos a vácuo, como o Tubeflight, sugerido pela Rensselaer Polytechnic Institute [99]. Recentemente, em 2013, o interesse no desenvolvimento de trens de alta- velocidade dotados desta tecnologia foi renovado com o estabelecimento do projeto Fultrace® (TACV), fruto de uma parceria franco-brasileira, do TACV Engineering France com o Departamento de Engenharia Aeronáutica (EESC) da USP, que ressurge com a mesma concepção do Aérotrain, inicialmente idealizado pelo engenheiro francês Jean Bertin. Este projeto utiliza um arranjo híbrido em que a suspensão e o guiamento do veículo é realizada pelo conceito do colchão de ar (ACV) e um motor linear de indução (LIM) contribui para a propulsão e para parte do guiamento O motor apresenta um formato especial em U, o que aliado ao sistema de levitação permitiria a construção de uma via elevada, que possui o formato da pista em T invertido, em uma obra civil mais leve do que os trens de levitação magnética de alta velocidade existentes. O planejamento consiste em um veículo com operação nominal entre 250 e 400 km/h, flutuando a 10 mm do solo, além de contar com um sistema de microrredes para garantir a alimentação do trem, aumentando a distância entre subestações e contando com uma fonte de energia alternativa [100]. Além deste, o projeto U-Trace® apresenta tecnologia semelhante, sendo destinado ao transporte urbano com velocidades de operação entre 50 e 100 km/h [101].

2.4.2.2.8 Inviabilidade do Hovertrain de Alta Velocidade

Uma série de fatores inviabilizou a implantação desta tecnologia no transporte de alta-velocidade. Primeiramente, as modernas gerações de trens de alta-velocidade convencionais foram contemporâneas deste novo veículo, apresentando estágios mais avançados da técnica que o último. Desta forma, se consolidaram os trens de alta- velocidade sobre rodas no Japão (Tokaido Shinkansen), na França (TGV), na Alemanha (ICE), na Espanha (AVE) e na Itália (Pendolino) [102]. Além disso, os custos de modificação de infraestrutura ferroviária já existente contribuíram para o insucesso.

Nos aspectos técnicos, os altos níveis de ruído e de consumo de energia para a reposição das perdas de ar no veículo, também o tornaram desvantajoso. E por fim, os projetos dos trens de levitação magnética (MagLev) de alta velocidade na década de 70, que se tornaram viáveis pelo avanço da eletrônica, da criogenia e dos materiais magnéticos e supercondutores, apresentaram perspectivas futuras melhores, conforme indica a escolha do projeto Transrapid pelo MagLev [87].

2.4.2.3 Hovertrain Urbano

Na modalidade de hovertrains urbanos rápidos destacou-se o projeto URBA em Lyon, na França. Em 1968, se iniciou a construção de um monotrilho experimental, de forma suspensa em via elevada leve, com linha de 3 km de extensão, propulsão por LIM e velocidade prevista de 55 km/h. Pelo fato de ser suspenso, a levitação é alcançada por um processo de sucção do ar [103]. Ao todo utilizou-se dois veículos, URBA 4 e URBA 8, para 4 e 8 passageiros, respectivamente [104, 105]. Em seguida, o desenvolvimento dos hovertrains se direcionou para o transporte urbano automatizado, com especial interesse no transporte pessoal de passageiros (APM), em que pequenos veículos automatizados são utilizados para o transporte de poucos passageiros sobre uma trajetória definida. O seu surgimento tem origem nos incentivos do governo americano para novos modelos para o transporte urbano ferroviário, especialmente os não poluentes, a partir de 1964 [106]. Esta aplicação se concentra para situações com deslocamentos reduzidos, como o transporte entre terminais em aeroportos, campus de universidades ou atrações turísticas. Neste setor, destacaram-se duas propostas de ACV para o transporte pessoal rápido (PRT). O Uniflo [107, 108], de 1967, caracterizava-se por um sistema automatizado para 8 passageiros, percorrido em uma via fechada, com a levitação e a propulsão do veículo produzidas por jatos de ar oriundos de um duto na via [109]. O veículo “Otis Hovair®” [110, 111], desenvolvido inicialmente pela Transportation Technology Inc. (TTI) [112], foi incorporado em seguida pela Otis Elevator Company, na qual a movimentação dos veículos seria feita por motores lineares de indução (LIM). O sistema foi apresentado com sucesso na feira de transportes Transpo72, em Washington D.C., seguido por uma linha de testes, em Denver. Ao final, a maioria dos projetos utilizou propulsão por cabos, em um formato de um “elevador” horizontal [113]. O primeiro aerotrem de baixas velocidades para passageiros, ilustrado na Figura 2.8, entrou em operação em 1979, para o transporte de pacientes no centro médico da Universidade de Duke (EUA), em uma linha de 400 m, permanecendo em funcionamento até o fim de 2008, sendo o único com propulsão a motor linear LIM [114].

Figura 2.8. Transporte Rápido de Passageiros na Universidade de Duke. (Fonte: Wikimedia, Ildar Sagdejev, CC BY-SA 4.0 [115])

Entre 1985 e 1999, outro “Otis Hovair” transportou passageiros na Flórida (EUA), em uma via de 760 m [116]. No Japão, o trem flutuante sobre o colchão de ar operou, em um dos terminais do Aeroporto de Narita [117], em Tóquio, entre 1992 e 2013, em uma linha de 280 m de extensão, e que pode ser visto na Figura 2.9.

Figura 2.9. Transporte Rápido de Passageiros no Aeroporto de Narita. (Fonte: Wikimedia, CC BY-SA 3.0 [118])

2.4.2.3.1 Hovertrains em Operação

Atualmente, os seguintes projetos, todos movimentados por cabos e de transporte automático de pessoas (APM), construídos pela Otis e Poma, permanecem em funcionamento. Dentre as suas características principais, destacam-se o baixo custo e o tamanho reduzido da obra civil, além da sustentabilidade, por não serem poluentes [119 – 121]. i) Dorfbahn Serfaus [122]: Linha subterrânea com quatro estações e 1,3 km, inaugurada em 1985, na localidade de Serfaus, na Áustria. Possui capacidade para 135 passageiros, velocidade de 40 km/h, e flutua a 1 mm do solo conectando a cidade a uma estação de esqui. ii) Sun City Resort [120, 123]: Trecho de 1,7 km de extensão, inaugurado em 1986, na cidade de Sun City, na África do Sul, fazendo a conexão de um complexo turístico. iii) Cincinnati Airport People Mover [119, 123]: Linha de 472 m e três estações, inaugurada em 1994, em Cincinnati, nos Estados Unidos. Apresenta capacidade para 210 passageiros, conectando o terminal principal do aeroporto à dois portões. iv) Paul Getty Center [120, 124]: Linha de 1,2 km, inaugurada em 1998 localizada em um complexo de arte e arquitetura na cidade de Los Angeles, nos Estados Unidos, com capacidade para 100 passageiros e velocidade de 15 km/h. v) HubTram [125]: Linha com duas estações e 340 m, inaugurada em 2001, em Minneapolis, nos Estados Unidos, conectando o terminal do aeroporto ao transporte local. vi) ExpressTram [125, 126]: Linha com três estações e 1,1 km de extensão, inaugurada em 2002, em Detroit, nos Estados Unidos. Possui capacidade para 208 passageiros, operando seis metros acima do nível do saguão e conectando duas extremidades do terminal do aeroporto e está ilustrado na Figura 2.10. vii) Huntsville Hospital Tram System [126]: Linha com quatro estações e 580 m, aberta em 2002, em Huntsville, Alabama, nos Estados Unidos. Apresenta capacidade para quarenta passageiros, em uma via elevada, conectando médicos e pacientes entre duas alas do hospital. Este sistema de transporte rápido pode ser visto na Figura 2.11. viii) Skymetro [127, 128]: Linha subterrânea com 1,1 km de extensão e duas estações, inaugurada em 2003, em Zurique, na Suíça. É capaz de transportar 150 passageiros, flutuando a uma distância de 0,2 mm do solo e velocidade de 50 km/h, ligando duas partes do aeroporto internacional.

18 ix) Aeroporto Internacional do Cairo [129]: Linha com 1,8 km e quatro estações, no Egito, inaugurada em 2013. Transporta 340 pessoas por vez, com velocidade de 50 km/h, conectando os terminais do aeroporto a um centro comercial.

Figura 2.10. ExpressTram no Aeroporto Metropolitano de Detroit. (Fonte: Wikimedia, CC BY-SA 3.0 [130])

Figura 2.11. Sistema de Transporte Automático do Hospital de Huntsville. (Fonte: Wikimedia, Larry Wilbourn, CC BY-SA 3.0 [131])

2.4.3. Aplicações Médicas e de Bens de Consumo

No setor de bens de consumo, a flutuação de objetos por ação do ar foi explorada a partir de meados dos anos 50 para aplicação em aspiradores de pó [132]. O Hoover Constellation utilizava o princípio do hovercraft, flutuando sobre o próprio peso, com o ar extraído do aparelho direcionado para o piso, proporcionando uma limpeza mais fácil dos ambientes [133]. Nos últimos anos, novos modelos deste eletrodoméstico foram sugeridos [134]. Do mesmo modo, após o sucesso inicial do hovercraft, concebeu-se nos anos 60 um cortador de grama dotado desta tecnologia [135, 136], conhecido como Flymo [137], apresentando maior praticidade e agilidade como diferencial, permitindo movimentos em qualquer direção e um corte mais rente à grama. Este modelo permanece sendo comercializado até hoje, conforme ilustra a Figura 2.12.

Figura 2.12. Cortador de grama Flymo. (Fonte: Wikimedia, CC BY-SA 3.0 [138])

Durante a mesma década, no Reino Unido, a levitação por colchão de ar foi proposta para auxiliar o tratamento médico de pacientes que sofreram queimaduras graves. O hoverbed mantinha o tronco do paciente afastado da cama, através de saias flexíveis, evitando a formação de escaras, além de controlar a temperatura corporal através dos jatos de ar esterilizado, secando os ferimentos e reduzindo o risco de infecções bacterianas na pele [139 – 141].

No mercado de entretenimento, a levitação aerostática se destacou com a criação do jogo conhecido como Air Hockey, na década de 70. Nele, pequenos furos injetam ar pressurizado sob a mesa, mantendo um disco flutuando, que é disputado entre dois adversários, produzindo uma partida muito dinâmica [142]. Além dele, a flutuação de objetos, como bonecos de ação, foi explorada em novos brinquedos, dotados de um colchão de ar [143].

2.4.4. Aplicações Industriais

Na área industrial, mancais aerostáticos e hidrostáticos, baseados em filmes fluidos, são utilizados para suportar rotores de máquinas sem nenhum tipo de contato com a parte fixa, reduzindo o atrito mecânico [144]. Nos mancais aerostáticos de escora, um gás pressurizado é mantido entre as partes fixas e rotativas, produzindo uma força capaz de sustentar o peso do rotor. Nos mancais hidrostáticos, líquidos viscosos são bombeados de modo a manter uma fina camada, de ordem micrométrica, entre o rotor e a parte fixa, sendo utilizados em dispositivos com velocidades de rotação não muito elevadas [145]. Um mancal aerostático pode ser visto na Figura 2.13. Algumas de suas características são a ausência de lubrificação, atrito, baixa vibração, além de alta vida útil e são empregados em equipamentos que envolvem atividades de alta precisão ou em ambientes extremamente limpos, como na manufatura de semicondutores e fabricação de sistemas médicos, ópticos e aeroespaciais. Atualmente, vários fabricantes atuam apresentando soluções para estes mercados [146 – 149].

Figura 2.13. Mancal aerostático. (Fonte: Wikimedia, AeroLas GmbH, com permissão CC BY-SA 3.0 DE [150])

A técnica aerostática também é explorada na agricultura, com o desenvolvimento de colheitadeiras automáticas, com capacidade de operação, transporte e armazenamento para terrenos acidentados [151].

Ainda no setor industrial, um modelo de suspensão de objetos foi desenvolvido com o intuito de mover com facilidade, e em qualquer direção, cargas pesadas, acima de 100 toneladas, como máquinas e equipamentos [152]. Este conceito, conhecido como Air Caster, utiliza compartimentos, localizados abaixo de uma base, onde o ar pressurizado é inserido, produzindo forças pneumáticas suficientes para a flutuação de grandes massas, que podem deslizar sobre superfícies lisas [153, 154], reduzindo o atrito e custos de manutenção. Atualmente, diversas empresas fabricam estes módulos para o transporte de equipamentos variados, como transformadores, centrífugas e vagões de locomotivas [155 – 161].

2.5. Levitação Aerodinâmica

Sob o ponto de vista histórico, é importante notar que a levitação aerostática, com seus conceitos mais elementares, foi a precursora da levitação aerodinâmica, que se baseia sobre fundamentos técnicos mais complexos, como a dinâmica dos fluidos e seus fenômenos, como a turbulência e o efeito Magnus [162].

2.5.1. Aviação

Inicialmente, os primeiros protótipos que utilizavam os princípios da aerodinâmica para suspender objetos, como os de Leonardo da Vinci, se limitavam a tentar reproduzir o comportamento das aves ou de morcegos, mas falhavam ao simular o ato de abrir e fechar das asas. Os primeiros registros do emprego com sucesso desta técnica se originam dos trabalhos do inglês George Cayley, com planadores, e do alemão Otto Lilienthal, utilizando asas acopladas ao próprio corpo, ambos na segunda metade do século XIX. Estes experimentos pioneiros deram origem ao modelo de voos de asas-deltas. Paralelamente, estudos tratavam da utilização de mecanismos de propulsão de aeronaves mais pesadas que o ar, através de máquinas a vapor, com o francês Clément Ader e da controlabilidade do voo [163]. Nos Estados Unidos, os irmãos Wilbur e Orville Wright [164] iniciaram pesquisas acerca de diferentes configurações de asas, primeiro com planadores, e de sistemas de propulsão para aeronaves motorizadas. Baseados em estudos científicos que incluíram um túnel de vento em escala reduzida, construíram o biplano Flyer 1 [165], com um motor de 12 cv, proporcionando o primeiro voo sustentado e controlado de uma aeronave motorizada com um piloto a bordo, em 17 de dezembro de 1903, na Carolina do Norte, partindo do alto de uma colina em um voo descendente [166].

Após o sucesso com a suspensão de balões, o brasileiro Santos-Dumont, de forma simultânea aos irmãos Wright, conduziu experiências para a construção de uma aeronave capaz de sair do solo e se manter no ar de modo autônomo [167, 168]. Em 1905, concebeu a decolagem da aeronave, movida por motor a explosão e sustentada no ar por um balão. Em 23 de outubro de 1906, em Paris, realizou o primeiro voo de um avião capaz de decolar, pousar e se manter flutuando no ar por meios próprios, de forma controlada com um piloto, e testemunhado por um grande número de pessoas com o premiado 14-bis, ilustrado na Figura 2.14, dotado de um motor com potência de 50 hp, percorrendo uma distância de 60 metros no campo de Bagatelle e a 30 metros do solo [169, 170]. Este foi o primeiro voo da história a ser homologado e a preencher os cinco requisitos fundamentais estabelecidos pela Federação Aeronáutica Internacional (FAI) [171]. Santos-Dumont prosseguiu com o projeto de outras aeronaves para aprimorar o voo nos aspectos de navegabilidade, controlabilidade e redução do seu peso, tendo como sucesso o Demoiselle, trazendo como inovação o posicionamento da hélice à frente da aeronave e dos lemes em sua cauda, sendo capaz de atingir velocidades da ordem de 90 km/h. O aviador utilizou ainda deslizadores aquáticos, para os hidroaviões [172].

Figura 2.14. 14-bis de Alberto Santos-Dumont. (Fonte: Centro Contemporâneo de Tecnologia, Domínio Público [173])

Dentre outros avanços notáveis destacam-se os voos de Louis Blériot sobre o canal da mancha, em 1909, e do primeiro hidroavião, com Henri Fabre, no ano seguinte [174].

Com o rápido progresso tecnológico, as aeronaves logo encontraram aplicações nas comunicações, encurtando o tempo de mensagens, e na força bélica, incorporando armamentos. Assim, surgiram o serviço postal aéreo, em 1918, com a francesa Aéropostale e a formação da força aérea de diversos países com atuação relevante na Primeira Guerra Mundial, em combates aéreos e bombardeios. Após este período, grandes aprimoramentos surgiram tornando a aviação cada vez mais confiável e difundida em todo o mundo. A construção de aviões com o revestimento inteiramente metálico, o piloto automático, a comunicação via rádio, o aumento da capacidade de combustível e de passageiros, além da possibilidade de atingir maiores altitudes e velocidades com motores mais potentes revolucionaram o transporte aéreo, reduzindo cada vez mais o tempo de deslocamento de pessoas, comunicações e produtos. Sobressaem-se como símbolos desta evolução o primeiro voo transatlântico sem escalas, entre Nova York e Paris, realizado em 33 horas e meia por Charles Lindbergh a bordo do Spirit of Saint Louis, em 1927, e a primeira circunavegação aérea do planeta, em pouco mais de oito dias, por Harold Gatty e Wiley Post, em 1931 [174]. Durante a Segunda Guerra Mundial, a aviação experimentou enormes inovações, especialmente na aerodinâmica de aeronaves de combate, que se tornaram capazes de atingir velocidades superiores a 400 km/h e efetuar manobras táticas. O conflito também proporcionou a produção de aeronaves cada vez maiores e mais pesadas, aumentando a capacidade de transporte de pessoas, cargas e armamentos. Ao final da guerra, a propulsão a jato de aviões propiciou velocidades superiores a 900 km/h em caças [175]. Após a Segunda Guerra Mundial, o avanço na operação de aeronaves de grande porte proporcionou a formação de um mercado de companhias aéreas e fabricantes de aeronaves para a crescente aviação comercial, atingindo cada vez mais rotas comerciais ao redor do planeta e reduzindo substancialmente o tempo de deslocamentos, antes efetuados por navios. Os aviões eram capazes de transportar mais passageiros a cada ano, com velocidades superiores a 1000 km/h e altitude de 10000 m. Surgiram também preocupações com a segurança e estabilidade das aeronaves, a pressurização do seu interior, a utilização do radar e do controle de tráfego, além da infraestrutura aeronáutica. O Concorde representou uma novidade na aviação comercial, ao final da década de 60, ao introduzir a propulsão a jato para o transporte comercial de passageiros. Este avião era capaz de alcançar velocidades supersônicas, próximas a 2300 km/h, reduzindo ainda mais o tempo de deslocamento transatlântico.

A consolidação do conhecimento técnico da aviação, dos mecanismos de propulsão e da estabilidade do voo auxiliou ainda no estudo do lançamento de foguetes com aplicações em mísseis balísticos e na exploração espacial, no envio de sondas, satélites e tripulações ao espaço [176]. Atualmente, o mercado da fabricação de aeronaves comerciais se divide, majoritariamente, entre a francesa Airbus, a americana Boeing, a brasileira Embraer, a canadense Bombardier, a russa Tupolev e a ucraniana Antonov. No setor da aviação militar, excetuando-se a Airbus, destacam-se, além dos citados acima, a francesa Dassault e a sueca SAAB.

2.5.2. Forças fundamentais para o voo de uma aeronave

Para o funcionamento de aviões, quatro forças estão presentes: tração, arrasto, sustentação e gravidade. A resultante entre estas forças é capaz de produzir a decolagem, a aterrisagem, o voo estabilizado e a mudança de direção da aeronave. A força de tração é produzida pelos motores, de modo a imprimir velocidade à aeronave e superar a força de arrasto, que se opõe ao movimento. Para superar o arrasto são geralmente empregados hélices ou turbinas a jato. As turbinas aspiram o ar e o expelem comprimido e acelerado, após os diversos estágios em seu interior, gerando a propulsão necessária para mover o avião. A força de arrasto aerodinâmica é a componente horizontal, devido ao deslocamento de ar, que se opõe ao movimento da aeronave. A força de sustentação do avião deve ser suficientemente superior que a da gravidade no momento de decolagem e igual a força da gravidade durante um voo horizontal. A diferença de pressão do ar ao passar pelas asas é responsável por gerar esta força. Este diferencial de pressão pode ser entendido pelo princípio de Bernoulli. As asas possuem um perfil aerodinâmico distinto para as faces superior e inferior. A face superior apresenta um aspecto curvo, de modo que o ar faça um percurso mais longo, com maior velocidade e menor pressão. A face inferior, no entanto, possui um perfil reto, permitindo que o ar se desloque com um percurso mais curto, com menor velocidade e maior pressão. Este padrão médio de pressão na face superior frente a pressão na face inferior produz uma força aerodinâmica no sentindo oposto à da gravidade, capaz de levantar a aeronave do chão e manter levitando no ar em pleno voo [177]. A Figura 2.15 ilustra as quatro forças fundamentais em ação em uma aeronave.

Figura 2.15. Perfil das forças que atuam em uma aeronave.

2.5.3. Helicóptero

Um outro tipo de aeronave estudada e desenvolvida no início do século XX foi a que possuía a capacidade de decolagem e aterrisagem vertical (VTOL), da qual se destacou o helicóptero. Nas pesquisas e experimentos que levaram à consolidação da navegabilidade e estabilidade desta aeronave, destacaram-se os trabalhos dos franceses Paul Cornu e Louis-Charles Bréguet, do espanhol Juan de la Cierva, do italiano Corradino d’Ascanio e do russo Igor Sikorski, alcançando a maturidade tecnológica após a Segunda Guerra Mundial [178]. Além da possibilidade de decolagem e aterrisagem verticais, os helicópteros são capazes de se manter imóveis no ar e realizar manobras laterais com extrema flexibilidade, em comparação com os aviões. O movimento de rotação produzido pelas pás, acionadas por um motor, geram um empuxo suficiente para manter o helicóptero flutuando no ar da maneira desejada. Os controles do passo e do ângulo de inclinação das pás são responsáveis, respectivamente, pelo movimento vertical e horizontal da aeronave [179]. As aplicações dos helicópteros se concentram principalmente em operações militares, como inteligência, vigilância e deslocamento tático, atividades de salvamento e combate à incêndios, transporte de pessoas, cargas e equipamentos em localidades remotas, como instalações de linhas de transmissão ou plataformas de petróleo offshore, além do transporte de passageiros em curta distância, conhecido como táxi aéreo.

2.5.4. Ground Effect Vehicle (GEV)

Além do transporte aéreo, a técnica aerodinâmica também foi explorada no transporte marítimo e terrestre, com os chamados Ground effect vehicles (GEV), ou veículos de efeito de solo, que são veículos semelhantes aos hovercrafts e hovertrains aerostáticos vistos na seção anterior, porém utilizando o princípio aerodinâmico do deslocamento de ar sobre as asas do veículo em movimento próximo à superfície para produzir o empuxo necessário para uma flutuação com uma camada de ar sobre a água, para os GEV, ou sobre o solo, no caso dos Ground effect trains, reduzindo o atrito aerodinâmico [180]. O desenvolvimento de veículos utilizando este conceito, também conhecido como Wing in Ground (WIG), atingiu o seu ápice nos anos 60, especialmente com pesquisas militares conduzidas por EUA e URSS, no âmbito da Guerra Fria. Nesta esfera, ganhou destaque os estudos conduzidos pelo russo Rostislav Alexeyev, que conduziram a produção dos veículos anfíbios chamados ecranoplanos, que contam com um perfil aerodinâmico semelhante ao dos aviões, capazes de flutuar a uma altitude de cinco a dez metros do solo e atingir velocidades superiores a 400 km/h [181]. A Figura 2.16 ilustra um veículo por efeito de solo com asas de envergadura reduzida, porém com um aerofólio traseiro, contribuindo para a produção da sustentação. Atualmente, o estudo desta técnica se concentra na fabricação de veículos particulares para fins de turismo e entretenimento, como os hoverwings [182], ou de transporte marítimo de passageiros na Coreia do Sul [183] e em Cingapura [184], além de novos projetos que despontam na China, no Irã e na Rússia [185, 186].

Figura 2.16. Veículo por efeito de solo (GEV). (Fonte: Wikimedia, Stefan Richter, CC BY 2.0 DE [187])

No transporte terrestre, os projetos que exploram o efeito de solo para flutuar sobre uma camada de ar não encontraram o mesmo cenário favorável para sua adoção que o apresentado aos hovertrains e aos MagLevs. O fato de ser necessário atingir uma determinada velocidade para suspender o veículo, e a inerente complexidade aerodinâmica, além da influência climática no seu desempenho justificam esta resistência. Dentre os raros projetos previstos para trens utilizando este princípio, encontram- se o trabalho do mesmo grupo responsável pelo Aérotrain [188 – 191], na França, e mais recentemente, o estudo para um trem bala utilizando o efeito WIG, conduzido pela Universidade de Tohuku, no Japão. As estimativas iniciais previam a construção de um veículo com capacidade para 335 passageiros e velocidade de 500 km/h em 2020 [192]. A partir de 2003, o protótipo japonês ART002 com dimensões de 8,5 m de comprimento e 3,4 m de envergadura, com asas em L, contando com propulsão por motores elétricos foi testado em uma linha de testes de 2 km com formato em U, atingindo 100 km/h, flutuando a uma altura de 5 a 10 cm do solo [193, 194]. Em 2011, o protótipo ART003R com capacidade para dois passageiros iniciou seus testes sobre o mesmo trecho, utilizando uma malha com realimentação controlando o ângulo dos aerofólios conforme o aumento de velocidade do veículo e o acionamento dos motores, alcançando a levitação a partir de 160 km/h [195, 196]. Atualmente, os testes seguem em andamento.

2.5.5. Aplicações Comerciais, Industriais e Científicas

As aplicações comerciais da levitação utilizando técnicas aerodinâmicas, se concentram na área de entretenimento, com o aproveitamento de jatos de ar ou de água em direção ao solo para flutuar um objeto, como nos flyboards ou hoverboards [197]. O lazer também é explorado com as atividades de aeromodelismo e aerodesign, que envolvem modelos em escala reduzida de aeronaves, acionadas por motores elétricos ou a combustão e controladas à distância por sinais de radiofrequência, e que se popularizaram no final do século XX [198]. Após a sua larga adoção em ações militares diversas, os drones ou veículos aéreos não tripulados (VANT) ampliaram o horizonte de possibilidades neste mesmo setor, com a sua utilização e construção como um hobby, assim como os quadricópteros. A incorporação de câmeras de alta resolução integradas ao voo e controle via smartphones popularizou estes modelos, levantando questões sobre a sua regulamentação [199, 200].

Além destas aplicações relacionadas ao divertimento, os drones encontram oportunidades nas áreas de resgate ou inspeção de locais remotos ou de difícil acesso, segurança e vigilância, no controle de pragas na agricultura, no transporte automatizado de entregas [201] e, inclusive, de passageiros [202]. Um outro veículo, atualmente em desenvolvimento, utiliza o princípio de decolagem e aterrisagem vertical, destinado para o transporte individual e com aplicações agrícolas, de inspeção de dutos ou pontes e até entretenimento [203]. A suspensão e flutuação de objetos por ação aerodinâmica também foi explorada utilizando o chamado efeito Coandă, que estabelece a tendência de um fluido, ao sair de um orifício, de seguir o contorno de uma superfície curva ao qual foi direcionado, em função de sua viscosidade. Estudos militares sugeriam a sua aplicação em aeronaves como discos voadores, capazes de decolar e aterrissar verticalmente, no qual a suspensão e propulsão do veículo seriam proporcionadas apenas por este fenômeno [204]. Atualmente, seu interesse se encontra reduzido a pesquisas acadêmicas [205, 206]. Na área industrial, a levitação aerodinâmica é encontrada nos mancais fluidodinâmicos, que são mancais de escorregamento sem contato, no qual o fluido, líquido ou gás, como, respectivamente, um óleo ou o ar, impede o contato entre a parte móvel e fixa do equipamento, devido à rotação entre estas partes, que produz uma diferença de pressão no fluido responsável por sustentar e posicionar o rotor da máquina, chamado de efeito cunha. Desta forma, a sustentação não depende da alimentação externa de fluido, como nos mancais aerostáticos, necessitando, porém de uma operação em regime permanente para um funcionamento satisfatório. Estes mancais de filme-fluido também podem envolver a combinação de mancais fluidostáticos e fluidodinâmicos, dando origem aos mancais híbridos, capazes de suportar maiores cargas [145, 207]. A levitação aerodinâmica também é aplicada no estudo de materiais, que são suportados sem contato no ar pela ação de jatos de um fluido pressurizado. Ao atingir o objeto fora de seu centro de gravidade, o jato é responsável por produzir uma força de sustentação e de arrasto capaz mantê-lo flutuando de modo estável e girando ao redor de seu eixo, de acordo com o efeito Magnus [11]. A utilização desta técnica é empregada em pesquisas envolvendo o aquecimento de materiais sem a presença de recipientes, evitando a contaminação e possíveis impurezas, com a aplicação de jatos subsônicos ou supersônicos.

Experimentos envolvendo o comportamento de amostras em condições de micro gravidade também são investigados com o auxílio desta técnica. Nela, objetos esféricos são inseridos no interior de um tubo estrangulado, de diâmetro um pouco maior, percorrido por ar a uma certa vazão, de modo que o objeto flutua em equilíbrio estável próximo ao ponto de estrangulamento [208, 209]. As demais aplicações envolvem o resfriamento de partículas, novos processos de fabricação de materiais vítreos [210], auxílio nos processos de medida de parâmetros físicos e experimentos envolvendo fusão a laser [211, 212].

2.6. Levitação Eletrostática (ESL)

Em seu artigo no ano de 1842 [213], o matemático inglês Samuel Earnshaw demonstrou a impossibilidade de ocorrer equilíbrio estável em um sistema estático descrito por interações de forças baseadas pela lei do inverso do quadrado da distância. Assim, a princípio, sistemas envolvendo interações eletrostáticas, como grupos de cargas elétricas, arranjos estáticos de ímãs permanentes ou ainda a combinação de materiais ferromagnéticos e ímãs permanentes são naturalmente instáveis e quaisquer técnicas de levitação empregadas nestes casos deve modificar a dinâmica original para estabilizá-los. A levitação eletrostática se baseia nos processos de indução eletrostática, no qual as cargas elétricas de um objeto se polarizam por ação à distância de um campo elétrico externo. No caso de materiais condutores, esta polarização ocorre de forma intensa, devido à maior mobilidade dos elétrons, de forma que o objeto apresenta maior concentração de cargas de polaridade oposta ao campo elétrico externo nas regiões de fronteira. Nos materiais dielétricos, entretanto, esta polarização é mais lenta e ocorre apenas uma reorientação de dipolos elétricos, em todo o material, oposta ao campo elétrico externo [214]. Neste sistema de levitação, um conjunto de eletrodos induz no material a formação de polaridades opostas às dos respectivos eletrodos na região de fronteira próxima a eles. Esta indução de polaridades produz forças eletrostáticas no objeto, pela Lei de Coulomb, no sentido de atraí-lo em direção aos eletrodos e assim suspendendo-o. Como visto no teorema de Earnshaw, esta interação é naturalmente instável, sendo necessário um controle ativo com malha fechada para manter o objeto flutuando. Um sensor é responsável por medir a posição do objeto e compará-lo com um nível de referência, gerando um sinal de erro. O controlador produz um sinal de controle relacionado com erro, sendo em seguida amplificado para produzir a tensão em cada eletrodo que mantém o objeto suspenso. Este esquema de controle está ilustrado de forma simplificada na Figura 2.17.

Esta técnica de levitação é vantajosa em aplicações envolvendo o manuseio de objetos delicados, sem que haja contaminação ou contato com outros materiais, em ambientes extremamente limpos ou com operação no vácuo. Ela também é indicada em sistemas micro-eletro-mecânicos (MEMS), em dispositivos livres de lubrificação e contato, como micro mancais e micro bombas e é empregada em sistemas biológicos que utilizam a nanotecnologia [215]. Além disso é capaz de suspender qualquer tipo de material e, não apenas condutores ou materiais ferromagnéticos como na levitação magnética.

Figura 2.17. Malha de Controle da Levitação Eletrostática.

Dentre as aplicações principais da levitação eletrostática estão a operação de micro atuadores em sistemas MEMS [216, 217], no manuseio de materiais delicados como semicondutores [218], disco-rígidos [219] e telas de vidro de LCD [220], em micro mancais [221, 222], micromotores [223, 224] e giroscópios elétricos em alto-vácuo [225, 226]. O processo de fabricação das telas de LCD, por exemplo, pode ser realizado inteiramente sem contato, uma vez que além da suspensão do material ainda faz o seu transporte e deslocamento a partir de um motor de indução (ESIM) constituído pelas mesmas forças de natureza eletrostática [227, 228]. Para reduzir um dos inconvenientes deste método, que é a produção de altas tensões nos eletrodos utilizando amplificadores rápidos e de alta tensão, novas técnicas surgiram, substituindo os custosos amplificadores por capacitores variáveis, apresentando bons resultados [229 – 232].

As pesquisas envolvendo a ciência de materiais também utilizam a levitação eletrostática para se beneficiar da ausência de um reservatório e, assim realizar experiências com amostras envolvendo, por exemplo, super-resfriamento de líquidos, fases sólidas metaestáveis, nucleação e solidificação, a síntese de materiais, além de realizar medidas de propriedades térmicas e elétricas com maior precisão [233 – 236]. Além do interesse da ciência dos materiais, esta técnica é aplicada em estudos do comportamento dos materiais no espaço [237, 238] e na área da bionanotecnologia, em dieletroforese [239]. A Figura 2.18 ilustra a flutuação de uma amostra de uma liga de titânio-zircônio-níquel em um levitador eletrostático em uma câmara de vácuo para estudos sobre esta liga em um centro de pesquisas da NASA. Uma outra técnica de levitação eletrostática utiliza um arranjo de circuito LRC oscilador. Nela, o objeto suspenso e um eletrodo fixo formam a capacitância deste circuito, que encontra aplicações em giroscópios a vácuo [240] e dispositivos micro eletromecânicos [241, 242]. A utilização de campos elétricos quase estacionários em um arranjo de eletrodos com geometrias pré-definidas também proporciona uma levitação estável de cargas elétricas [11]. Esta técnica é empregada em estudos de materiais, como o aprisionamento de elétrons e íons [243], manipulação de átomos [244] e foto emissão de partículas [245 – 247]. A flutuação de objetos por este método é possível ainda, com o fenômeno de descargas elétricas produzidas por circuitos eletrônicos de alta tensão, como o efeito Corona [248]. Nesta proposta, o objeto (“lifter”) se comporta como um capacitor e é capaz de sustentar o próprio peso a partir da alta tensão imposta a ele, em função da assimetria entre os seus dois terminais [249]. Após investigações científicas com objetivos meramente acadêmicos [250], conforme a proposta apresentada pelo professor do DEL/UFRJ Antônio Carlos Moreirão [251], esta técnica passou a atrair a atenção como possível meio de propulsão de dispositivos e veículos [252, 253].

2.7. Conclusão

Este capítulo apresentou os aspectos históricos e tecnológicos do desenvolvimento da levitação de objetos através das técnicas acústica, óptica, aerostática, aerodinâmica e eletrostática e as suas mais importantes aplicações. Foi possível observar que as levitações do tipo acústica ou óptica apresentam uma capacidade de sustentação de força muito reduzidas, o que as inviabilizam para a flutuação de grandes objetos, e as mantêm restritas para aplicações científicas e biológicas de pequenas amostras, evitando a contaminação com recipientes.

Figura 2.18. Levitação Eletrostática (ESL) de uma liga metálica. (Fonte: NASA, Domínio Público [254]).

A levitação aerostática surgiu com a possibilidade de se flutuar objetos através do conceito da utilização de elementos mais leves que o ar. Assim, foram concebidos os balões de ar quente e a gás, que permitiram pela primeira vez alcançar um antigo desejo da humanidade, não permanecendo limitados ao solo. Em seguida, a necessidade de conferir maior controle sobre o voo introduziu o uso dos dirigíveis que, a partir do final do século XIX, revolucionaram o mundo moderno, com o seu uso adequado para fins militares e meio de transporte. De forma subsequente, a suspensão de objetos mais pesados que o ar iniciou a era da levitação aerodinâmica, com a introdução dos aviões que eram capazes de decolar por seus próprios meios e garantido extremo controle sobre a rota determinada pelo piloto. Em ambas as técnicas de suspensão, deve-se destacar a participação decisiva do brasileiro Santos-Dumont na consolidação da aviação, que se tornou um meio de transporte seguro e que encurtou significativamente o tempo de deslocamento de passageiros, mercadorias e comunicações. Em meados do século XX, estas duas técnicas foram aplicadas no ambiente industrial como forma de eliminar o contato mecânico entre a parte móvel e fixa de equipamentos, reduzindo suas perdas. Assim, surgiram os mancais de filmes fluidos, em que um fluido pressurizado mantém estes elementos afastados sob uma fina camada. Enquanto os mancais fluidostáticos necessitam de uma malha de pressurização constante externa, os mancais fluidodinâmicos utilizam o próprio movimento relativo do rotor para manter o funcionamento sem contato.

No mesmo período, necessidades semelhantes, como o aumento da eficiência, e o apelo pela sustentabilidade incentivaram o aparecimento de novos meios de transporte alternativos sem contato de forma aerostática (ACV) marítimos, com os hovercrafts, e terrestres, com os hovertrains para curtas ou longas distâncias, em trajetos urbanos ou entre cidades, respectivamente. O modelo de altas velocidades fracassou ao competir com os trens de levitação magnética, entretanto este tipo de transporte encontrou um nicho de mercado vantajoso nos veículos para rotas curtas nos sistemas conhecidos como Automated People Mover (APM). Por fim, a levitação eletrostática tradicional, conforme previsto pelo teorema de Earnshaw, é naturalmente instável e precisa de uma malha de controle fechada para o seu funcionamento. A sua principal vantagem é a possibilidade de efetuar a suspensão de qualquer material, e não apenas magnéticos ou condutores como na maioria das aplicações da levitação magnética. A baixa relação de capacidade de força por área, entretanto demonstra que ele é indicado para ser utilizado em situações específicas, como micromancais, microatuadores, ou a levitação de dispositivos semicondutores. Conforme será visto no próximo capítulo, a evolução tecnólogica dos materiais magnéticos, supercondutores e semicondutores, a partir da segunda metade do século XX, tornou a levitação magnética atrativa e viável no desenvolvimento de aplicações industriais, com os mancais magnéticos, que podem substituir os mancais convencionais, os aerostáticos e os aerodinâmicos, além de se inserir com sucesso no transporte de passageiros em altas velocidades e urbano, com os trens de levitação magnética.

3. Levitação Magnética e Aplicações

3.1. Introdução

Dentre todos os métodos de levitação de objetos, a técnica de levitação magnética é a que atrai mais interesse atualmente e que possui maior capacidade de apresentar tecnologias promissoras ao mercado, sobretudo no setor de transporte de passageiros e na área industrial, e impactar de maneira positiva grande parte da sociedade, contribuindo para o seu bem-estar. A levitação magnética, além de seu aspecto fascinante da suspensão de objetos, tem atraído grande interesse de pesquisadores da academia e da indústria devido às suas inúmeras vantagens, como a eliminação de atrito mecânico, contaminação e desgaste de elementos de contato e o consequente aumento da eficiência de equipamentos, aliada a capacidade de sustentar cargas elevadas, rotativas ou lineares. Estas características têm levado empresas a apresentar produtos para as mais variadas aplicações, como as indústrias de alimentos, de óleo e gás, centrífugas para enriquecimento de urânio, bombeamento para corações artificiais, turbo máquinas e muitas outras. Além destas, o desenvolvimento de trens de levitação magnética, como o MagLev- Cobra, apresenta tecnologia promissora para o transporte urbano ou de longas distâncias de passageiros, aliando o baixo consumo de energia e de produção de ruído ao custo reduzido de construção, além da possibilidade de atingir altas velocidades. Recentemente, a evolução dos materiais magnéticos, dos dispositivos semicondutores e dos sensores tornou viável e acessível a confecção de produtos destinados ao mercado de bens de consumo, notadamente para os setores de decoração, de iluminação, de entretenimento e educacionais, explorando o apelo estético da flutuação de objetos e o conhecimento tecnológico por trás do fenômeno. De modo geral, a levitação magnética se caracteriza pela suspensão de objetos por ação de campos magnéticos, pela interação entre correntes elétricas em condutores e campos magnéticos em materiais ferromagnéticos ou diamagnéticos. A seguir, as diferentes formas de levitação magnética, do tipo ímãs permanentes, eletromagnética (EML), supercondutora (SML), eletrodinâmica (EDL) e mixed-µ, em conjunto com as suas respectivas aplicações serão apresentadas em detalhes [15, 255].

3.2. Levitação de Ímãs Permanentes

Conforme verificado no teorema de Earnshaw, não é possível uma levitação em equilíbrio estável utilizando apenas um arranjo estático de ímãs permanentes. Desta forma, uma combinação estática de ímãs permanentes dá origem ao que é chamado pseudo-levitação, onde não é possível atingir um equilíbrio estável do sistema em todos os seis graus de liberdade simultaneamente. Este mecanismo é bem conhecido pela experiência de aproximação de ímãs com faces de mesma polaridade, que só se equilibram com alguma restrição de movimento em uma direção, como ilustrado na Figura 3.1.

Figura 3.1. Pseudo-levitação de Ímãs Permanentes.

Apesar do inerente contato imposto por esse arranjo estático de ímãs, esta técnica encontra aplicações em diversas áreas, como brinquedos científicos e transportes. O brinquedo conhecido como “Revolution” baseia-se na força de repulsão entre grupos de ímãs permanentes posicionados na base e no objeto. Esta força de repulsão é capaz de suspender o objeto equilibrando o seu próprio peso, porém de maneira instável. Uma película de vidro colocada na lateral da base restringe o movimento horizontal do objeto em uma direção paralela à base, permitindo a estabilidade nos demais cinco graus de liberdade. O contato entre a película e o objeto é feito por uma fina ponta metálica, reduzindo o atrito e mantendo-o girando por um longo tempo [256].

A Figura 3.2 apresenta a vista frontal deste dispositivo com destaque para a polaridade dos ímãs. Os ímãs da base e do objeto possuem, respectivamente, um formato de tetraedro e de um cilindro, e magnetização com orientação axial. Ao todo, o sistema utiliza quatro ímãs em sua base e dois no objeto. O arranjo estático de ímãs permanentes também foi aplicado em projetos envolvendo trens de levitação magnética (MagLev). Estes projetos se dividiram em duas vertentes: os modos atrativos ou os repulsivos [22], conforme será visto a seguir.

Figura 3.2. Vista Frontal do "Revolution".

3.2.1. Modo Atrativo e Repulsivo de Levitação Magnética

No modo atrativo, ímãs permanentes localizados no veículo são atraídos por uma guia de aço situada na via, ilustrada na Figura 3.3. Nesta situação, rolamentos de nylon, em amarelo, são necessários entre o aço e os ímãs para conferir estabilidade ao sistema. O exemplo de transporte mais destacado utilizando este modo foi o trem urbano M-Bahn, implementado em Berlim, nos anos 80 [257]. Da mesma forma, um grupo de pesquisas do Japão propôs um modo atrativo semelhante ao M-Bahn, que contava com o controle mecânico da distância de levitação [258, 259]. Apesar de ser considerado um trem de levitação, o protótipo alemão operava sobre rodas e se beneficiava do arranjo magnético apenas para redução do peso suportado e do atrito, enquanto o japonês necessitava apenas de rolamentos para separar o ímã permanente no veículo do trilho ferromagnético na via.

Figura 3.3. Modo Atrativo de Suspensão de Ímãs Permanentes.

No modo repulsivo, ímãs permanentes na via e no veículo são posicionados com as faces de mesma polaridade frente a frente, acarretando em uma força de repulsão capaz de suspender o veículo, conforme apresenta a Figura 3.4. Para evitar os inevitáveis deslocamentos laterais, os rolamentos de nylon também são necessários. Entre os exemplos da adoção deste sistema pode-se citar a proposta do engenheiro britânico Geoffrey Polgreen [260] e do projeto americano MagTube [261].

Figura 3.4. Modo Repulsivo de Suspensão de Ímãs Permanentes. 38

A principal vantagem desta técnica sobre as demais que utilizam a levitação magnética é o fato dela não requerer consumo de energia para proporcionar a suspensão do veículo, além de utilizar o campo magnético para produção de fluxo magnético no motor linear síncrono ou de corrente contínua que traciona o trem. Os seus inconvenientes são o atrito produzido pelos rolamentos existentes, a ausência de algum tipo de amortecimento natural para sistemas de transporte e o alto custo destes ímãs.

3.2.2. Materiais Magnéticos e o Arranjo de Halbach

É importante ressaltar que, ao longo do século XX, novos materiais magnéticos foram desenvolvidos, aumentando o interesse da indústria na comercialização de componentes e produtos utilizando ímãs permanentes. Assim, a produção das ligas metálicas de materiais ferromagnéticos conhecidas por Al-Ni-Co, a partir de 1931, dos ímãs de cerâmica, ou de ferrite, nos anos 50, e dos ímãs de terras-raras, a partir da década seguinte com o samário-cobalto (Sm-Co) e na década de 80 com o neodímio- ferro-boro (Nd-Fe-B), apresentaram novas possibilidades para diversas áreas do conhecimento, como motores elétricos, atuadores, dispositivos móveis e também em sistemas de levitação magnética [262 – 264]. Cada um destes materiais possui propriedades distintas como, a curva de magnetização, a saturação, a densidade de fluxo magnético remanente, o campo magnético coercitivo e a máxima densidade de energia magnética, que os caracterizam para determinada aplicação [265]. No tocante à densidade máxima de energia magnética, sabe-se que quanto maior é o seu valor para um dado material magnético, menor é o volume do ímã permanente, reduzindo substancialmente o volume de máquinas e equipamentos em que estes são utilizados [266]. Os ímãs cerâmicos de ferrite foram os primeiros a serem indicados para projetos envolvendo levitação magnética no modo repulsivo, nos anos 60, em função de um valor mais alto de força coercitiva em comparação ao Al-Ni-Co. Exemplos desta aplicação, foram as propostas de trens de levitação da Westinghouse Electric Company [267] e do britânico Magnarail [268, 269], que se baseavam na repulsão entre blocos de ferrite, contando com apoio nas laterais para o guiamento. Ambos construíram apenas modelos em escala reduzida para demonstração do funcionamento. O mais famoso deles foi o último, idealizado pelo engenheiro Geoffrey Polgreen, que construiu um trilho de 3,5 metros e uma plataforma para a flutuação de uma pessoa deitada. A forma de propulsão planejada considerava o uso de um motor linear, no qual os ímãs do veículo atuariam como o campo. Apesar de estudos para a sua aplicação em trens de alta velocidade, as suas pesquisas não avançaram.

Após a sua fabricação, em 1982, os ímãs de terras-raras de neodímio-ferro-boro (Nd-Fe-B) ganharam destaque para diversas aplicações com ímãs permanentes, devido à suas características superiores aos demais, como densidade de energia magnética e força coercitiva [270]. Assim, a sua introdução em sistemas de levitação magnética em trens e equipamentos percorreu o mesmo caminho, destacando-se principalmente na levitação eletrodinâmica (EDL) e supercondutora (SML), conforme será visto adiante. Em muitas situações, os ímãs permanentes são utilizados em conjunto para produzir um aumento no campo magnético de um determinado sistema e em uma determinada região preferencial. Para contornar eventuais problemas de combinação de ímãs permanentes e reforçar a densidade de fluxo magnético em uma região, concebeu-se em 1973 o arranjo de Halbach [271, 272]. Com este arranjo, uma combinação de ímãs permanentes é capaz de reforçar substancialmente o campo magnético de um lado, anulando-o de outro lado. A Figura 3.5 ilustra o princípio do arranjo de Halbach, destacando a orientação magnética de cada bloco de ímãs que reforçam as linhas de campo na parte superior e anulam na parte inferior do arranjo. Além das várias aplicações, como em ímãs de geladeira, e de diferentes geometrias possíveis [273], o arranjo de Halbach encontrou um forte campo de atuação nos trens de levitação magnética, na combinação dos ímãs de neodímio-ferro-boro. A levitação supercondutora e a eletrodinâmica também se beneficiaram deste arranjo na concepção de trens de levitação magnética, conforme será visto adiante.

Figura 3.5. Arranjo de Halbach.

3.2.3. Aplicações nos Transportes

3.2.3.1 M-Bahn

Após a construção do Muro de Berlim, as malhas ferroviárias que antes atravessavam os limites entre o lado ocidental e oriental da cidade tiveram seus serviços descontinuados, deixando estações construídas abandonadas e não atendendo a demanda nestas regiões. Para corrigir este problema, nos anos 70, a Alemanha Ocidental apoiou a construção de uma linha alternativa de transportes para Berlim Ocidental. O M-Bahn se caracteriza por ser um sistema atrativo entre ímãs permanentes no veículo e um material ferromagnético na via. Apesar de ser considerado um trem de levitação magnética, este tipo de atração era capaz de suportar até 85% do seu peso, com o restante sendo equilibrado sobre rodas mecânicas, e contando com rolamentos laterais para o guiamento. A sua propulsão era devida a um motor síncrono linear (LSM) de estator longo, que utilizava o campo magnético dos ímãs permanentes para o campo e enrolamentos trifásicos na via como armadura. O veículo, visto na Figura 3.6, possuía capacidade de até 130 passageiros e pesava 9 toneladas, produzindo um baixo nível de ruído, pouco consumo de energia e com uma estrutura leve. O projeto do M-Bahn (Magnetbahn) foi desenvolvido pela companhia AEG, que iniciou a construção de uma linha de testes em 1976, em Braunschweig. Em 1983, um trecho experimental de 600 metros foi iniciado em Berlim, com uma expansão para uma linha dupla de 1,6 km de extensão em via elevada e contendo três estações, a partir de 1986, com velocidade planejada entre 40 e 80 km/h. O M-Bahn entrou em operação em 1988, com quatro veículos, permanecendo em serviço comercial até 1991 quando, após a reunificação de Berlim, o sistema metroviário voltou a ser integrado na cidade e o trem de superfície se tornou redundante [257, 274]. Após a sua demonstração com sucesso em Berlim, novos projetos indicaram o interesse em adotar este sistema no aeroporto de Frankfurt, na Alemanha, e na cidade de Las Vegas, nos EUA, porém não se concretizaram [20, 275].

3.2.3.2 Transporte de Carga

O projeto americano Magtube, em desenvolvimento pela empresa LaunchPoint Technologies em conjunto com Magnovate e Applied Levitation [277 – 279], utiliza arranjos Halbach de ímãs permanentes de Nd-Fe-B ao longo da via e no veículo, operando em um modo repulsivo de suspensão de ímãs permanentes, semelhante à Figura 3.4.

A inerente instabilidade lateral, no entanto, é corrigida utilizando uma malha de controle realimentada com eletroímãs, permitindo uma levitação totalmente sem contato, com um entreferro de três a oito centímetros. A sua propulsão seria produzida por um motor síncrono linear (LSM) [22, 261].

Figura 3.6. Veículo M-Bahn. (Fonte: Wikimedia, CC BY-SA 3.0 [276])

Em 2006, um veículo em escala real foi construído para demonstrar o funcionamento do sistema de levitação, sem o controle lateral, que foi efetuado de forma mecânica, em um pequeno trecho experimental. Um protótipo e um trilho em escala reduzida foram elaborados, em 2008, para testes com o sistema de propulsão, guiamento lateral com os eletroímãs, o amortecimento e a tecnologia de mudança de via [280]. Os estudos iniciais sugeriam a sua aplicação principalmente no setor de transporte de cargas, com corredores específicos para a movimentação de contêineres de navios ou tanques de materiais líquidos em tubos fechados sob vácuo, capazes de atingir velocidades de 800 km/h. Um modelo equivalente para o transporte pessoal de passageiros (PRT), o Magway, também foi apresentado para trajetos urbanos, mas ambos, até o momento não prosperaram [281].

Um sistema semelhante utilizando esta tecnologia também surgiu recentemente nos EUA, sendo indicado principalmente para o transporte de cargas. O Levx® se baseia no mesmo princípio de levitação por repulsão de ímãs permanentes posicionados na via e no veículo. Diferentemente do Magtube, a sua estabilidade lateral é garantida por rolamentos mecânicos nas laterais do veículo. O seu sistema de propulsão é formado por uma roda magnética na extremidade do trem que ao girar induz correntes parasitas em lâminas condutoras na via, produzindo uma força de tração capaz de mover o veículo e controlar o seu movimento de acordo com a intensidade e o sentido da velocidade angular da roda. Além do transporte de cargas em portos e atividades de mineração, ele também é sugerido como alternativa para o transporte de passageiros [282].

3.2.4. Mancais Magnéticos Passivos (PMB)

Além de sua utilização como brinquedos didáticos ou nos transportes, este mesmo princípio está presente na concepção de mancais para máquinas e ferramentas com atrito reduzido [283, 284]. As suas primeiras aplicações se concentraram em discos de medidores de energia elétrica eletrodinâmicos das fabricantes Philips [285, 286] e General Electric [287 – 289] e circuladores de refrigeradores [290], reduzindo a necessidade de lubrificação e auxiliando no posicionamento de rotores. Com a evolução dos materiais magnéticos e o surgimento dos ímãs de terras- raras, este tipo de levitação encontrou espaço para aplicações industriais, através dos mancais magnéticos passivos (PMB), que ao utilizarem ímãs permanentes, não necessitam de um consumo de energia para o seu funcionamento. Assim, diversos tipos de configurações de mancais magnéticos passivos foram concebidos para atender necessidades específicas, como o tipo radial ou axial, com o modo atrativo ou repulsivo entre os ímãs do rotor e do estator, com diferentes geometrias possíveis para os ímãs, como o anel ou disco, ou ainda, a sua orientação de magnetização [291 – 295]. A simplicidade construtiva, sem os complexos sistemas de controle também tem atraído aplicações que exigem confiabilidade. Deve-se ressaltar, entretanto, que a impossibilidade de garantir estabilidade simultânea em todos os graus de liberdade exige a presença de outros tipos de mancais para a sua operação completa. Deste modo, vários projetos têm empregado mancais hidrodinâmicos, mancais magnéticos ativos (AMB), ou passivos supercondutores (SMB) ou eletrodinâmicos (EDB) para corrigir este inconveniente, evitando qualquer tipo de contato mecânico.

Os mancais magnéticos passivos com ímãs permanentes têm sido estudados para aplicações envolvendo giroscópios para sistemas espaciais [296], turbinas eólicas [297, 298], armazenadores cinéticos de energia [299 – 303], compressores, bombas turbo moleculares e turbinas [304, 305], atuadores lineares [306], motor mancal magnético [307], além de dispositivos de auxílio ventricular (VAD) para o coração artificial, que será visto em conjunto com os mancais magnéticos ativos.

3.2.5. Levitação Estável por Rotação de Ímãs Permanentes

Uma outra técnica de levitação envolvendo apenas ímãs permanentes, se baseia no seu próprio movimento de rotação, de modo a obter uma flutuação estável e sem nenhum tipo de restrição. O seu mais famoso exemplo é o brinquedo conhecido como Levitron® [308, 309], que consiste em uma base com ímãs permanentes com orientação vertical, e com geometria retangular ou cilíndrica, além de um pequeno ímã, de orientação magnética oposta à base, que é posicionado e rotacionado a uma certa altura, conforme ilustrado na Figura 3.7.

Figura 3.7. Levitação estável pela rotação de um ímã permanente.

Para permanecer levitando, este ímã utiliza o efeito giroscópico, no sentido de se manter inclinado em uma direção paralela às linhas de campo magnético produzidas pelos ímãs na base, em um movimento de precessão. Fatores externos como a resistência do ar e a temperatura afetam o seu desempenho, reduzindo a velocidade angular e o tornando instável, acabando com a flutuação em alguns minutos [310 – 314].

3.3. Levitação Diamagnética

Em 1939, o físico alemão Werner Braunbeck demonstrou que o teorema de Earnshaw não se aplicava aos materiais diamagnéticos [315], sendo assim possível obter uma levitação com equilíbrio estável em sistemas envolvendo estes materiais. Os materiais diamagnéticos são caracterizados por se opor ao campo magnético externo, no sentido de evitar a penetração de fluxo magnético no seu interior, com permeabilidade magnética relativa inferior a um. Dentre os materiais que apresentam esta característica estão a água, o bismuto, o grafite, o diamante, além de moléculas presentes na composição de seres vivos [316]. A levitação diamagnética pode ser obtida utilizando um arranjo de ímãs permanentes, conforme ilustrado na Figura 3.8. Nela, o carbono pirolítico CVD, o material diamagnético sólido de menor permeabilidade magnética em temperatura ambiente, flutua alguns milímetros sobre um arranjo de ímãs de Nd-Fe-B com orientação magnética vertical e polaridades idênticas nas diagonais. O carbono repele o campo magnético produzido pelos ímãs proporcionando uma força de repulsão capaz de sustentar o seu próprio peso. Além disto, por possuir características anisotrópicas, este material é capaz de flutuar de forma estável apenas na configuração apresentada [317].

Figura 3.8. Levitação diamagnética do carbono pirolítico. (Fonte: Wikimedia, Domínio Público [318])

Conforme visto acima, mesmo para materiais diamagnéticos fortes, as forças de repulsão presenciadas são muito pequenas, capazes de levitar apenas pequenos objetos. Para obter a suspensão de objetos mais pesados, torna-se necessário a aplicação de campos magnéticos intensos, produzidos por eletroímãs, com densidades de fluxo magnético da ordem de 10 T. Nestas situações, é possível flutuar objetos maiores, como seres vivos, incluindo plantas e um sapo [319, 320]. A sua principal vantagem, assim como em arranjos de ímãs permanentes, é a possibilidade de atingir a levitação sem a necessidade de consumo de energia.

Os materiais diamagnéticos podem ser utilizados ainda, para estabilizar sistemas de levitação envolvendo ímãs permanentes. Nestes arranjos, eletroímãs ou ímãs permanentes produzem campos magnéticos intensos de modo a atrair um outro ímã permanente, com pelo menos um grau de liberdade instável. A presença de um material diamagnético é capaz de auxiliar a estabilizar o sistema em todas as direções [321]. Esta proposta encontra espaço em aplicações comerciais envolvendo instrumentos de medição, em pequenos mancais [322], ou em kits educacionais [323, 324], permanecendo atualmente como mero interesse acadêmico. Novas perspectivas para esta técnica surgem com a produção de ímãs monolíticos com perfis magnéticos sob medida para aplicações envolvendo mancais magnéticos [325, 326], em armazenadores cinéticos de energia, dispositivos ópticos e lineares, além de equipamentos aeroespaciais [327 – 333].

3.4. Levitação Eletromagnética (EML ou EMS)

A levitação eletromagnética é, dentre os métodos de levitação magnética, aquela que apresenta um elevado grau de maturidade tecnológica, com o maior número de aplicações industriais e comerciais em atividade.

3.4.1. Princípio de Funcionamento da Levitação Eletromagnética Tradicional

Do ponto de vista técnico, esta levitação consiste na força de atração exercida por um eletroímã sobre um material ferromagnético, que possui a tendência de se magnetizar facilmente. Esta interação entre objetos magnetizados, de maneira estática, é naturalmente instável, pois a tendência é que eles se atraiam, tal qual ímãs com faces de diferentes polaridades posicionados um frente ao outro. Para contornar este efeito, emprega-se um sistema de controle em malha fechada, utilizando circuitos eletrônicos e sensores, que mantêm o objeto ferromagnético afastado do eletroímã e suspenso no ar, sob uma altura de referência desejada. Uma representação simplificada de um circuito esquemático tradicional desta técnica pode ser vista na Figura 3.9. Ela apresenta os elementos básicos que constituem a levitação eletromagnética: um atuador, representado pelo eletroímã e seu circuito magnético, um objeto ferromagnético atraído por ele, um sensor para medir a posição deste objeto, um controlador e um amplificador de potência, responsável por transmitir os sinais de controle em um nível adequado para a atuação do eletroímã [12 – 14].

Figura 3.9. Diagrama esquemático de um sistema de levitação eletromagnética.

O eletroímã consiste em um fio enrolado, no qual circula uma corrente elétrica 푖(푡), em volta de um núcleo ferromagnético. Esta, por sua vez, produz um campo magnético, cujas linhas de campo e seu fluxo magnético 휑(푡) se concentram e circulam pelo material magnético, em um caminho de menor relutância, representado pela linha amarela tracejada na Figura 3.9, que desconsidera efeitos de saturação, dispersão e espraiamento. A corrente elétrica exerce uma força de atração no material ferromagnético ilustrado em azul, no sentido de eliminar o entreferro 푧(푡) e reduzir a relutância total do circuito magnético. Para manter o objeto flutuando sob um entreferro desejado, no entanto, é necessário controlar a corrente elétrica que circula na bobina, de modo a reduzir ou aumentar sua magnitude quando necessário. Na Figura 3.9 isto é feito empregando uma malha de controle fechada simplificada, dotada de um sensor que registra e envia para o controlador a posição do objeto flutuante. Esta informação é processada e implementada em um método de controle com realimentação negativa, de modo a corrigir o valor da corrente elétrica necessária para a levitação desejada, sob a forma de sinais de controle, que são amplificados em um circuito de potência, produzindo a corrente elétrica no nível desejado.

A análise matemática do sistema de levitação da Figura 3.9 pode ser considerada a partir do princípio de conversão eletromecânica de energia, em que a energia elétrica produzida pelo eletroímã é convertida em energia mecânica, energia armazenada no campo magnético e em perdas por aquecimento. Desprezando este último componente, esta relação pode ser expressa por [334]:

푑푊 (3.1) 푃 = 푎푟푚 + 푃 푒 푑푡 푚

A potência elétrica, desconsiderando as perdas na resistência, é equivalente a:

푑휆 (3.2) 푃 = 푒푖 = 푖 푒 푑푡

E a potência mecânica é equivalente a:

푑푧 (3.3) 푃 = 푓푣 = 푓 푚 푑푡

Combinando as equações (3.2) e (3.3) em (3.1), tem-se:

푑푊푎푟푚 = 푖푑휆 − 푓푑푧 (3.4)

Considerando que a energia armazenada pode ser considerada como uma função de duas variáveis, o fluxo enlaçado e o entreferro, pode-se estabelecer que:

휕푊 휕푊 (3.5) 푑푊 (휆, 푧) = 푎푟푚 푑휆 + 푎푟푚 푑푧 푎푟푚 휕휆 휕푧

Comparando-se as equações (3.4) e (3.5) pode-se determinar que:

휕푊 (3.6a) 푖 = 푎푟푚 휕휆

휕푊 (3.6b) 푓 = − 푎푟푚 휕푧

Assim, a força de levitação exercida pelo eletroímã sobre o objeto ferromagnético pode ser determinada a partir da equação (3.6b). Sabe-se que a energia magnética é expressa por:

1 (3.7) 푊 = ∫ 퐵⃗ . 퐻⃗⃗ 푑푉 푎푟푚 2

Considerando o material magnético do núcleo com permeabilidade magnética muito alta, e desprezando efeitos de espraiamento das linhas de fluxo magnético no entreferro, ou seja, operando com um entreferro pequeno, a energia magnética armazenada no circuito magnético da Figura 3.9 é:

1 1 (3.8) 푊 = 퐵 퐻 푉 = 퐵 퐻 퐴(2푧) 푎푟푚 2 푔 푔 2 푔 푔

Sabendo-se que a relação entre o campo magnético e a densidade de fluxo magnético no entreferro é 퐵⃗ 푔 = 휇0퐻⃗⃗ 푔, tem-se que:

2 퐵푔 퐴푧 푊푎푟푚 = (3.9) 휇0

Substituindo-se (3.9) em (3.6b), tem-se:

퐵2퐴 (3.10) 푓 = − 푔 휇0

A análise do circuito magnético da Figura 3.9 permite obter a seguinte relação pela Lei de Ampère:

퐻푔(2푧) = 푁푖 (3.11)

A expressão (3.11) pode ser reescrita da seguinte maneira

휇 푁푖 (3.12) 퐵 = 0 푔 2푧

Substituindo (3.12) em (3.10), obtém-se a expressão da força de levitação em um sistema eletromagnético

휇 푁2퐴 푖 2 푖 2 (3.13) 푓 = − 0 ( ) = 푘 ( ) 4 푧 푧

Assim, observa-se que a força de levitação em um sistema eletromagnético é proporcional ao quadrado da corrente elétrica que circula na bobina e inversamente proporcional ao quadrado da distância de entreferro. Desta forma, este é um sistema não-linear e, de acordo com o teorema de Earnshaw, é naturalmente instável. A Figura 3.10, apresenta um diagrama de blocos de uma malha de controle tradicional para sistemas de levitação eletromagnética, que emprega uma malha interna de controle da corrente elétrica na bobina e uma malha externa de controle da posição do objeto ferromagnético, de forma a manter o mesmo em uma posição de referência

푧푟푒푓, sob uma corrente de referência 푖푟푒푓.

Figura 3.10. Malha de controle tradicional em um sistema de levitação EML.

O controle destes sistemas é executado em controladores implementados de maneira analógica ou digital, considerando o custo, a complexidade e os requisitos do projeto. A utilização de dois ou mais tipos de sensoriamento, como de velocidade, quando necessária, também implica em aumento de custos e da sua robustez. O acionamento do eletroímã é geralmente realizado por circuitos de eletrônica de potência, que demandam uma fonte de energia externa, no qual dispositivos semicondutores operam no sentido de alterar a magnitude da corrente elétrica na bobina, sendo possível sua realização em operação linear ou em modo chaveado. Além disto, em geral, sistemas deste tipo apresentam entreferros da ordem de alguns milímetros.

3.4.2. Primeiras Aplicações

Sob a ótica histórica, os primeiros experimentos envolvendo esta técnica, datam do início do século XX. Em 1937, o grupo de pesquisa da Universidade da Virgínia (EUA) realizou a construção de elementos rotativos suportados sem contato com atuação de eletroímãs, com os sinais de controle amplificados por válvulas, alcançando altas velocidades em uma câmara de vácuo [335 – 338]. Estes trabalhos culminaram, posteriormente, no desenvolvimento de ultra centrífugas para enriquecimento de urânio no âmbito da corrida nuclear, durante a Guerra Fria [339 – 342]. Anteriormente, em 1912, o suíço Benjamin Graemiger idealizou o primeiro modelo de trem de levitação magnética por esta técnica [343, 344], seguido, em 1937, pelo engenheiro alemão Hermann Kemper, que obteve a concessão de duas patentes [345, 346], que tratavam de outra proposta relativa ao transporte de passageiros por ação eletromagnética, tornando-se referência nos projetos de trens MagLevs EML subsequentes, como o Transrapid [347]. Estes dois exemplos, envolvendo máquinas rotativas e meios de transporte constituem os dois pilares no qual estão baseadas as aplicações de sucesso desta técnica: os mancais magnéticos ativos (AMB) e os trens de levitação magnética (MagLev), baseados, respectivamente, no movimento rotativo e linear sem contato mecânico. Os avanços da microeletrônica e da eletrônica de potência, a partir dos anos 60 e 70, com a introdução de dispositivos semicondutores com maior capacidade de chaveamento e de potência, e microprocessadores de maior confiabilidade e qualidade de processamento, além de aprimoramentos em sistemas de sensoriamento, tornaram a levitação eletromagnética viável e adequada para uma vasta gama de aplicações, onde o alto rendimento, a ausência de contato ou de lubrificação são imprescindíveis, aumentando a confiabilidade e robustez destes sistemas em situações críticas, como altas velocidades de rotação e no transporte de passageiros. Assim, inicialmente, surgiram as primeiras aplicações envolvendo estudos aerodinâmicos em túneis de vento, onde a força de levitação exercia o papel da força de suspensão de aeronaves em escala reduzida [348 – 351], e novos instrumentos de medição e giroscópios também foram sugeridos como alternativas às tecnologias convencionais de contato mecânico [352, 353].

3.4.3. Mancais Magnéticos

Em seguida, os mancais magnéticos ativos foram aprimorados para atender a soluções industriais, inicialmente, envolvendo bombas de turbo máquinas operando em alto vácuo, e com o progresso tecnológico, abarcaram um número cada vez maior de áreas de atuação, desfrutando das suas vantagens como ausência de contato e lubrificação, manutenção reduzida, aumento da vida útil e da confiabilidade, redução de perdas, alta precisão, capacidade de controle da dinâmica de operação em tempo real e atingir altas velocidades [12 – 14, 20, 354 – 357]. Dentre alguns exemplos, estão os equipamentos para a indústria petroquímica, na exploração de campos de petróleo ou gás, que constituem ambientes perigosos, onde a ausência de lubrificação ou contato dos rotores pode reduzir a possibilidade de falhas e de explosões [358 – 363]. Estes mancais magnéticos também encontram destaque em outros setores, como o de alimentos, medicamentos e têxtil, onde a ausência de contaminação é vital e prolonga a vida útil de seus componentes [364, 365]. Com a adoção de mancais magnéticos, máquinas operando com maior eficiência e alcançando altas velocidades de rotação passaram a ser utilizadas em outros setores, como em turbinas a gás e refrigeração, desempenhando a função de compressores, bombas turbo moleculares, centrífugas e armazenadores cinéticos de energia (flywheel), reduzindo custos com manutenção [366 – 375]. Estes mancais também auxiliaram servomecanismos e dispositivos inteligentes, como máquinas de corte e fabricação de semicondutores, com o aumento da precisão e do desempenho em suas funções [2, 3, 376, 377]. A operação conjunta com mancais tradicionais, como os hidrodinâmicos, permite aliar, ainda, as vantagens dos dois sistemas apresentando perspectivas de funcionamento, por exemplo, em discos rígidos [378, 379]. Assim, com o estado da arte da tecnologia dos mancais magnéticos ativos em alto nível, dezenas de fabricantes produzem e distribuem seus produtos para os segmentos de mercado descritos acima, atuando em máquinas e equipamentos diversos, agregando valor com soluções mecatrônicas e atendendo as necessidades de seus clientes. Atualmente, os maiores fabricantes destes mancais ativos dos tipos axiais ou radiais são a americana Waukesha Bearings Corporation [380], ilustrada na Figura 3.11, as suíças Mecos [381], apresentada na Figura 3.12, e Levitronix [382], vista na Figura 3.13., e a alemã LTI Motion [383], encontrada na Figura 3.14.

Além destas, se destacam neste mercado a sueco-francesa SKF/S2M [384], as americanas Calnetix [385] e Synchrony [386], as alemãs Schaeffler [387] e Siemens [388], a chinesa Emaging [389] e a sul-coreana Foshan Genesis AMB [390].

Figura 3.11. Mancal magnético ativo radial da Waukesha Bearings. (Imagem cedida por cortesia pela Waukesha Bearings [380])

Figura 3.12. Detalhe construtivo de um mancal magnético radial da Mecos. (Imagem cedida por cortesia pela Mecos AG [381])

Figura 3.13. Componentes mecânicos e magnéticos de um mancal magnético. (Imagem cedida por cortesia pela Levitronix [382])

Nos sistemas biomédicos, os mancais magnéticos ativos auxiliam o funcionamento correto do bombeamento de sangue, em dispositivos de auxílio ventricular (VAD) de 3ª geração, conhecidos popularmente como coração artificial. A ausência de lubrificação, contaminação e de contato permite a produção de VADs implantados de forma intracorpórea em pacientes, que aguardam um transplante ou podem permanecer com sua utilização por longo tempo nas situações em que a cirurgia não é recomendada, e evita a hemólise prematura das hemácias [391 – 400]. A maioria destes dispositivos utilizam um arranjo híbrido entre eletroímãs e ímãs permanentes, com o primeiro e o último desempenhando, respectivamente, o posicionamento axial e radial do rotor. Esta configuração é a mais investigada nesta área ao redor do mundo, incluindo um grupo de trabalho conjunto no Brasil, entre a Escola Politécnica da USP (EPUSP) e o Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia (IDPC), além das Universidades Federais do Rio Grande do Norte (UFRN) e do ABC (UFABC) [401 – 406]. Atualmente, já existem alguns destes dispositivos de auxílio disponíveis no mercado, melhorando a qualidade de vida de pacientes [407 – 422]. A americana Thoratec Corporation [423 – 425] fornece soluções para assistentes dos ventrículos direito e esquerdo, com implantes intracorpóreos e paracorpóreos se baseando no princípio da levitação magnética.

Para o último, o dispositivo de bombeamento de sangue é externo, e é posicionado acima do motor que aciona a bomba, conforme visto na Figura 3.15, e pode ser facilmente limpa e transportada. Para o primeiro caso, o implante é interno e destinado para o funcionamento por longos períodos de tempo. O VAD HeartMate 3™ pertence a essa categoria, permitindo a operação em uma longa faixa de fluxo sanguíneo, e com aspecto compacto, como ilustrado na Figura 3.16. Além desta, a alemã Berlin Heart [426], com o INCOR®, e as americanas Terumo Heart [1], com o Dura Heart LVAS, e LaunchPoint Tecnologies [427], com o Streamliner VAD, desenvolvem produtos semelhantes com mancais magnéticos.

Figura 3.14. Sistema de um mancal magnético ativo completo da LTI Motion. (Imagem cedida por cortesia pela LTI Motion [383])

Figura 3.15. Bomba com levitação magnética para o coração artificial. (Imagem cedida por cortesia pela Thoratec Corporation)

Figura 3.16. LVAD HeartMate 3™. (Imagem cedida por cortesia pela Thoratec Corporation)

3.4.4. Aplicações Educacionais

Experimentos acadêmicos, que demonstram de maneira didática esta técnica de levitação, têm sido desenvolvidos com sucesso em várias universidades e centros de pesquisa, em diferentes configurações e particularidades.

3.4.4.1 Aplicações no Mundo

As primeiras grandes contribuições nesta área foram propostas por ROBERGE [428] e WONG [429], em disciplinas de Teoria de Controle, com a suspensão de um pequeno globo ferromagnético, em um sistema de controle linearizado, implementado de forma analógica, com regulador PD e um fotoresitor dedicado ao sensoriamento da posição. Os resultados apontaram uma preferência majoritária dos estudantes de graduação por esta disciplina ao longo do currículo profissional por conta desta aplicação. Na mesma década de 80, surgiram os primeiros trabalhos para a levitação de esferas ferromagnéticas utilizando o controle digital, com sensoriamento óptico [430 – 432]. O artigo de HURLEY e WÖLFLE [433] apresenta em detalhes o projeto de um eletroímã para a levitação de uma esfera ferromagnética, admitindo um modelo exponencial para a expressão de sua indutância que tem o intuito de otimizar as dimensões da bobina. Este projeto leva em consideração ainda, a dissipação de calor da bobina por convecção. Ao final, é concebida uma malha de controle linearizada com compensador em avanço, um amplificador de potência com MOSFETs em operação linear e sensoriamento óptico. De forma complementar ao trabalho anterior, o artigo destes autores e HYNES [434] introduz, além da malha de controle de posição, uma malha de controle de corrente, de maneira analógica, e um circuito de potência em operação chaveada, com controle do tipo modulação por largura de pulso (PWM), elaborando uma série de experiências práticas aos alunos. De modo semelhante, diversos institutos de pesquisa e universidades construíram protótipos deste modelo tradicional, incluindo-os em disciplinas de sistemas de controle, explorando o seu caráter pedagógico e estimulante para estudantes de graduação [435 – 439]. Com eles, é possível compreender tópicos de diferentes disciplinas como, por exemplo, Eletromagnetismo, Circuitos Elétricos, Instrumentação, Programação de Microcontroladores e Projeto de Sistemas de Controle Analógicos e Digitais.

Além das técnicas de controle tradicionais, envolvendo sistemas lineares e projeto de controladores clássicos, estes experimentos trazem a possibilidade de explorar outras formas de controle [440]. Assim, foram elaborados sistemas analisados via espaço de estados, utilizando realimentação e observadores de estados [441 – 444], controle digital implementado em um DSP [445], controle de sistemas não-lineares [446 – 449], estratégia de controle em tempo real com Hardware-in-the-Loop (HIL) e redes neurais [450 – 452], controle por lógica Fuzzy [453, 454], controle por modo deslizante [455, 456], utilizando algoritmos genéticos [457], controle ótimo com regulador linear quadrático (LQR) [458] e robusto por controlador H∞ [459, 460] ou síntese µ [461, 462]. Dentre as propostas não convencionais ou alternativas de experimentos e protótipos relacionados à levitação eletromagnética, destacam-se os trabalhos realizados por PIŁAT [463 – 466], envolvendo a suspensão de um globo ferromagnético posicionado entre dois eletroímãs, e diversos projetos conduzidos por MIZUNO et al, que apresentaram inovações sobre este sistema. Entre as novas abordagens sugeridas encontram-se um arranjo de vários sistemas de levitação conectados em paralelo, com capacidade de medição de força [467, 468], um modelo de túnel de vento para análise de objetos em rotação, baseados em levitação EML [469], um método de controle através da concentração ou interrupção do fluxo magnético enlaçado pelo material ferromagnético [470], e a utilização de energia solar fotovoltaica como fonte de alimentação de seu sistema de levitação de um ímã [471]. Além destes, os trabalhos de LILIENKAMP, LUNDBERG et al [472, 473] apresentaram a construção de protótipos de baixo custo de um sistema de levitação magnética, em torno de vinte dólares, que consiste na atração de um eletroímã por um ímã atrelado à um material qualquer. Este sistema e seus componentes, como amplificadores e sensores, foram transformados em um kit disponibilizado à cada um dos alunos da disciplina de Sistemas de Controle, do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do Massachusetts Institute of Technology (MIT). Cabe aos estudantes, ao longo do curso, o aprimoramento do controle do sistema, melhorando sua estabilidade e rejeitando perturbações, além de reforçar aspectos práticos, como o aperfeiçoamento da instrumentação. O seu grande diferencial foi a introdução de um sensor por efeito Hall de baixo custo [474], responsável por medir o campo magnético do ímã e inferir a posição do objeto. A saída do sensor é enviada a um circuito integrado (CI), que produz um sinal de controle PWM, que aciona o CI de eletrônica de potência, alterando a corrente que circula na bobina.

Este mesmo espírito educacional e princípio de funcionamento também foi explorado por ARTIGAS et al [475], que concebeu um sistema de baixo custo semelhante, incluindo o sensoriamento por efeito Hall. Nele, é apresentada uma mesma metodologia de ensino, propondo uma redução ainda maior no custo total do sistema e delegando aos alunos todas as etapas de projeto e de execução, como simulações e estudos preliminares, desenho e fabricação da placa de circuito impresso (PCI), soldagem e montagem de componentes e a realização de testes, submetidas a atender especificações gerais, como o peso do objeto a ser suspenso e a capacidade de potência de alimentação do circuito. Ao todo, três formas de controle foram propostas: controle analógico para estudantes de Graduação, e controle digital com microcontroladores ou FPGAs para a Pós-Graduação, resultando em um maior engajamento e motivação dos alunos ao longo da disciplina. Conforme apresentado em [472 – 475], o sistema de levitação eletromagnética utilizado se baseia no processo de atração entre um eletroímã e um ímã permanente. Esta técnica pode ser ilustrada na Figura 3.17, em que o ímã em amarelo está atrelado ao objeto em azul, que não exerce qualquer influência por não ser ferromagnético. Da mesma forma que qualquer sistema eletromagnético, este é naturalmente instável e requer uma malha de controle realimentada para o seu funcionamento, de modo que a força de atração produzida pelo eletroímã sobre ele seja suficiente para equilibrar a ação gravitacional.

Figura 3.17. Levitação eletromagnética de um ímã permanente.

A força magnética entre um ímã permanente e uma fonte de campo magnético 퐵⃗ , como um eletroímã, é expressa de forma geral por [334]:

퐹 푀 = ∇⃗⃗ (푀⃗⃗ . 퐵⃗ ) (3.14)

Como o ímã permanente possui orientação magnética axial, na mesma direção do campo magnético do eletroímã, a expressão para o seu vetor momento de dipolo magnético é igual a 푀⃗⃗ = 푀푎̂푧. Assim, a força magnética deste sistema é dada por:

휕퐵 (3.15) 퐹 = 푀 푎̂ 푀 휕푧 푧

3.4.4.2 Aplicações no Brasil

No Brasil, a construção de protótipos destes sistemas tem sido objeto de estudo há algum tempo. Em 1999, OLIVEIRA, COSTA e VARGAS [476] propuseram um controle ótimo do tipo LQR, implementado em um DSP, para o controle de uma esfera ferromagnética. Em 2006, OLIVEIRA, TOGNETTI e SIQUEIRA [477] sugeriram técnicas de controle robusto para o mesmo sistema. Em 2000, ROSADO FILHO, MUNARO et al [478 – 480] elaboraram um controle não-linear baseado em espaço de estados para um protótipo semelhante. Em 2003, GALVÃO et al [481] desenvolveram técnicas simples de identificação dos parâmetros da função de transferência do sistema de levitação via a análise da resposta em frequência, ao invés da tradicional medida dos parâmetros físicos. Em todos estes trabalhos, o sistema de sensoriamento se baseava no arranjo entre um fotoemissor e um fotodetector. Outros trabalhos significativos na área empregam modelos de otimização de tempo de execução de controladores [482] e a construção de uma bancada didática demonstrando este fenômeno [483]. Conforme visto no capítulo 1, o Laboratório de Aplicações de Supercondutores (LASUP) se notabiliza pela concepção de diversos protótipos e projetos envolvendo os principais métodos de levitação magnética. Na área educacional, envolvendo um sistema de levitação eletromagnética, destacam-se os trabalhos abaixo, identificando seus pontos mais importantes. Em 2002, STEPHAN et al [484] elaboraram um sistema de levitação de uma esfera ferromagnética, de modo a produzir um campo magnético fixo na posição de equilíbrio promovida por um ímã permanente, e utilizando o eletroímã apenas para manter uma corrente de controle, reduzindo o consumo de energia.

O sistema de controle consistia em um compensador PD, implementado de forma digital em um microprocessador, com sensoriamento óptico e circuito de potência do eletroímã em meia-ponte com IGBTs operando em modo chaveado. Em 2003, GOMES et al [485] realizaram um projeto de controle da posição de uma esfera ferromagnética em um esquema semelhante ao anterior, mantendo o sensoriamento óptico, e utilizando apenas o eletroímã. Nele, realizou-se um sistema de controle em tempo real com o Real-Time Control Toolbox do MATLAB/SIMULINK para um controlador PD. Em 2004, GOMES e STEPHAN [486 – 489] desenvolveram experimento semelhante, mantendo a suspensão de uma esfera e o sensor de posição óptico. Neste protótipo, entretanto, utilizou-se apenas um eletroímã, com controle de posição PD e de corrente com banda de histerese, produzidos de maneira analógica, com amplificadores operacionais, temporizadores e flip-flops, e circuito de acionamento em meia-ponte com operação chaveada de MOSFETs. As forças eletromagnéticas neste sistema foram analisadas empregando uma análise por elementos finitos (FEM). Em 2008, MOTA [490] aprimorou os trabalhos anteriores, ao realizar o projeto de um sistema de levitação eletromagnética capaz de suspender uma esfera ferromagnética mais pesada, em torno de 350 gramas, seguindo um modelo linearizado em torno de um ponto de equilíbrio. Este sistema utiliza uma malha de controle de posição, com sensor ultrassônico, e uma de controle de corrente, implementadas de forma digital em tempo real pelo mesmo Toolbox do MATLAB. O circuito de acionamento também consiste de um arranjo em meia ponte com MOSFETs em chaveamento. A Figura 3.18 ilustra a levitação da esfera ferromagnética, com um entreferro de poucos milímetros. Em 2010, VALLE [491, 492] apresentou a proposta de levitação de um disco ferromagnético e uma haste metálica, de aproximadamente 1,5 kg, empregando um sistema de controle muito próximo do trabalho anterior, via MATLAB. Um aspecto diferencial desta abordagem está na colocação de uma haste de alumínio, de forma a manter o equilíbrio angular e se contrapor ao momento eletromagnético produzido pelo sistema. Este trabalho tem sido demonstrado na disciplina de Introdução à Engenharia Elétrica do DEE/UFRJ [493] como exemplo de projeto que aplica diversos conceitos vistos em outras disciplinas ao longo do curso de Engenharia Elétrica, como, por exemplo, Eletromagnetismo, Conversão Eletromecânica de Energia, Circuitos Elétricos, Eletrônica de Potência e Sistemas de Controle, afim de motivar os alunos e ilustrar a relevância destes conhecimentos. A Figura 3.19 demonstra a levitação deste sistema.

Figura 3.18. Levitação de uma esfera ferromagnética. (Fonte: MOTA [490], com permissão)

Em seguida, NEVES continuou estes trabalhos, e introduziu técnicas de controle adaptativo e rejeição de distúrbios constantes e senoidais para a levitação de uma esfera [494] e, posteriormente, o disco ferromagnético [495]. Os distúrbios constantes foram eliminados com o projeto de um regulador com parcela integral, enquanto que os distúrbios senoidais, presentes nos mancais magnéticos, foi atenuada com um controlador anti-distúrbio senoidal, em torno da frequência de oscilação da perturbação.

Figura 3.19. Levitação de um disco ferromagnético. (Fonte: VALLE [492], com permissão)

O projeto de graduação de ENDALÉCIO [496, 497], introduziu um sistema de levitação eletromagnética de baixo custo, visto na Figura 3.20 e inspirado em [472 – 475], baseado na suspensão de um objeto atrelado à um ímã permanente atraído por um eletroímã. Este sistema utiliza apenas um sensor de efeito Hall, de baixo custo, que mede o campo magnético produzido por um outro ímã, situado na parte inferior, e assim, estima a sua posição. O sistema de controle foi implementado utilizando a plataforma digital do Arduino, que possui uma fácil linguagem de programação e uma interface amigável, além de um custo reduzido, quando comparado aos anteriores. Assim, foi definido um regulador PD e um acionamento do eletroímã composto por um CI de potência formado por um arranjo em ponte completa de MOSFETs em operação chaveada.

Figura 3.20. Levitação de um ímã permanente.

3.4.4.3 Aplicações Comerciais

Atualmente, uma série de empresas apresenta em seu portfólio de equipamentos didáticos, sistemas de levitação de objetos ferromagnéticos disponibilizados para disciplinas de cursos de engenharia. Entre os seus diferenciais, se destacam a possibilidade de integração com softwares como MATLAB e LabView para aquisição de dados e realização do método de controle. Entre estes fabricantes, pode-se destacar as britânicas Feedback Instruments [5], Bytronic [498], ilustrada na Figura 3.21, e TecQuipment [499], a polonesa INTECO [500], apresentada na Figura 3.22, e a canadense Quanser [501].

Figura 3.21. Sistema de Levitação Magnética da Bytronic. (Imagem cedida por cortesia pela Bytronic Educational Technology [498])

Figura 3.22. Sistema de Levitação Magnética da INTECO. (Imagem cedida por cortesia pela INTECO [500])

3.4.5. Levitação Eletromagnética com Circuito Ressonante e em Corrente Alternada

Além do modelo clássico de sistemas de levitação eletromagnética, também são empregados circuitos LRC, com alimentação em corrente alternada, na suspensão de objetos ferromagnéticos. Neles, o circuito magnético formado pelo eletroímã e o objeto que se deseja levitar compõem a parte indutiva do circuito LRC ressonante, sintonizado em torno da posição de equilíbrio [502, 503]. Ao se afastar do eletroímã, o circuito diminui sua indutância, aumentando a frequência de ressonância e, respectivamente, a corrente na bobina e a força de atração sobre o objeto, atuando de modo inverso no caso de diminuição do entreferro. As altas constantes de tempo exigem uma malha de controle para reduzir oscilações provocadas por perturbações, uma vez que há pouco amortecimento [504 – 509]. Com a evolução tecnológica, a levitação eletromagnética por controle ativo superou esta técnica de circuito ressonante, ao possibilitar a sua operação de forma mais simples e a um custo baixo, além de não enfrentar problemas com o amortecimento [510, 511]. Dessa forma, a maioria dos estudos envolvendo este método de levitação estão restritos ao ambiente acadêmico, introduzindo várias propostas para o aumento do amortecimento, como o controle eletrônico, magnético, com correntes parasitas, ou mecânico, através de óleos viscosos [512 – 516]. Nos últimos anos, novas propostas para esta técnica têm sido alvo de investigação, incluindo estratégias de controle com ausência de sensores [517, 518], acoplamento ressonante entre dois conjuntos de eletroímãs em corrente alternada [519, 520], além de métodos caóticos para redução das oscilações [521 – 524]. As aplicações se concentram em poucas áreas, como na movimentação sem contato de superfícies, como tintas metálicas, e ambientes extremamente limpos, mancais para tecelagem e instrumentos de medição [525, 526], sistemas micro-eletro- mecânicos, como micro atuadores e motores [527], mancais híbridos, que combinam as vantagens dos mancais magnéticos e dos convencionais, reduzindo a complexidade de hardware presente nos mancais ativos (AMB), ou na presença de filmes fluidos em bombas [528, 529], no coração artificial [530] ou ainda em giroscópios para dispositivos aeroespaciais [531, 532].

3.4.6. Aplicações nos Transportes

3.4.6.1 Trens de Levitação Magnética

Conforme visto anteriormente, as primeiras propostas envolvendo transportes para este tipo de levitação magnética datam do início do século XX [345, 346, 533]. O avanço tecnológico da eletrônica, nos microprocessadores e dispositivos semicondutores, dos sensores, dos motores elétricos lineares e dos materiais, permitiu ao final da década de 60, o efetivo início de estudos de viabilidade em escala real de trens de levitação magnética (MagLev) por meio eletromagnético (EML), cujos aspectos teóricos já se encontravam em estado avançado em comparação aos demais. Não sem razão, os veículos de levitação EML foram os primeiros a apresentar uma prova de conceito e tecnologia consolidadas, tornando-se os primeiros a operar comercialmente com sucesso no mundo. Sob o ponto de vista dos transportes, os grupos de pesquisa foram divididos em análises relativas aos trens de altas velocidades, destinados para viagens de longas distâncias, e trens urbanos, para integrar a malha ferroviária ou metroviária de cidades em baixas velocidades. Assim, foram conduzidos estudos na América, Europa e Ásia, de forma paralela, para avaliar estas tecnologias inovadoras, que atendiam suas necessidades. A seguir são apresentados alguns destes projetos com base na levitação eletromagnética.

3.4.6.1.1 Magnibus

O Magnibus é um projeto conduzido pelo Instituto Politécnico de Timisoara, na Romênia, que utiliza o princípio de levitação eletromagnética para sustentar o veículo. O seu principal diferencial em relação aos demais é o fato de que a suspensão e propulsão do veículo estão integradas por meio de um motor síncrono linear homopolar (H-LSM) que desempenha as duas funções. Além disto, ele utiliza o conceito de via passiva, no qual os enrolamentos trifásicos e os de corrente contínua são posicionados no veículo atuando na tração e na levitação, respectivamente, e interagem com um trilho sólido de aço na via para a sua operação. Assim, são necessários quatro conjuntos deste motor, um para cada vértice do veículo. Eletroímãs adicionais atuam nas laterais para efetuar o guiamento de forma independente.

De acordo com BOLDEA et al [534], a construção deste tipo de motor, do tipo fluxo transversal, permite obter uma tração elevada para um motor leve, e com perdas elétricas reduzidas, alegando uma performance superior aos motores lineares de indução (LIM) encontrados em outros projetos de MagLevs urbanos, contando também com a menor complexidade tecnológica na estrutura da via. O seu principal inconveniente é a existência de contato para a alimentação dos enrolamentos no veículo, assim como a presença dos conversores de eletrônica de potência no seu interior. Ao final dos anos 80, o protótipo destinado para o transporte urbano Magnibus- 01, de quatro toneladas e quatro metros de comprimento, foi objeto de estudo em uma linha de testes de 150 metros de extensão, com velocidade de operação entre 15 a 20 m/s, e entreferro de 10 milímetros. Recentemente, BOLDEA [21] apresentou uma proposta de aprimoramento do sistema, o Magnibus 02, que inclui de forma integrada a propulsão, a levitação e o guiamento pela ação do motor síncrono linear homopolar, empregando ímãs permanentes para produzir a força de sustentação do veículo, com correntes de controle proporcionando estabilidade na flutuação do veículo, e aumentando a eficiência teórica do motor para 90%, permitindo o seu funcionamento tanto para o transporte urbano como em altas velocidades.

3.4.6.1.2 ROMAG®/Mag-Transit

Ao final da década de 60, a companhia americana Rohr Industries iniciou o projeto ROMAG®, que se tratava de um veículo de levitação magnética dedicado para o transporte pessoal rápido de passageiros (PRT), como parte do programa de incentivos do governo norte-americano para o estabelecimento de novos meios de transporte urbanos [105]. Dentre os modelos alternativos de transporte estudados nos EUA na época, este era um dos que apresentavam um baixo nível de ruído, alto conforto e menor interferência do clima em sua operação, além de ser não poluente. De forma semelhante ao Magnibus, este projeto também integrava a levitação, a propulsão e o guiamento do veículo pela ação de um motor, porém de indução linear (LIM), em que os enrolamentos trifásicos do primário eram posicionados no veículo e o secundário ficava em um trilho passivo de alumínio e material ferromagnético nas extremidades da via, sendo necessária a utilização de um motor para cada um dos dois trilhos. Uma malha de controle realimentado da posição do entreferro era responsável pela estabilização da levitação, produzindo uma força de suspensão constante para diferentes velocidades de operação [535 – 537].

No início da década de 70, duas linhas de testes foram construídas na cidade de Chula Vista, na Califórnia. Na primeira, com 360 metros de extensão, o veículo era suspenso sobre o trilho, enquanto na segunda, ele era suspenso abaixo do trilho, em uma via elevada, verificando o seu funcionamento com sucesso em 1971, o que significou no primeiro MagLev a operar nos EUA. No ano seguinte, a sua tecnologia foi apresentada na feira de transportes Transpo72, em Washington D.C. Este MagLev participou da licitação para o projeto de transporte de massa GO- Urban da cidade de Toronto, no Canadá, porém foi preterido em detrimento de um outro trem de levitação magnética alemão, o Transurban. Após dificuldades para obtenção de financiamento para o projeto, a tecnologia foi adquirida pela americana Boeing, em 1978, rebatizando-o de Mag-Transit, que alguns anos depois não deu prosseguimento às pesquisas, por falta de apoio financeiro governamental [538].

3.4.6.1.3 Transrapid

O primeiro projeto alemão, conhecido como Transrapid, teve início em 1969, na Alemanha Ocidental, com base no trabalho pioneiro do alemão Hermann Kemper, contando com o apoio governamental. Em 1977, após a construção de protótipos com diversas combinações de levitação e propulsão, avaliou-se favoravelmente na continuação de pesquisas de um trem de levitação eletromagnética de alta velocidade com propulsão por motor síncrono linear (LSM), no centro de testes em Emsland. Em 1979, em caráter experimental, o protótipo Transrapid 05 foi apresentado aos passageiros em uma feira internacional de transportes em Hamburgo. A linha de testes de 31,5 km foi concluída no ano de 1987 e quatro anos depois, o protótipo Transrapid 09 foi considerado tecnicamente apto para operar comercialmente [347]. Após algumas tentativas frustradas de estabelecer uma rota comercial na Alemanha, o projeto atraiu a atenção do governo Chinês, no final do século XX. Em 2001, foi firmado um contrato entre as partes, determinando a construção de uma linha MagLev de 30,5 km conectando o Aeroporto Internacional ao distrito financeiro de Pudong, na cidade de Xangai. Em 1º de janeiro de 2004, o Transrapid entrou em operação comercial, ilustrado na Figura 3.23, sob a responsabilidade da companhia Shanghai Maglev Transportation Development Corp. (SMDTC), atingindo uma velocidade de 430 km/h, permanecendo desde então como o único trem de levitação magnética em alta velocidade transportando passageiros no mundo [539].

3.4.6.1.4 MagLev Urbano

Apesar de sua história notável, o Transrapid, no entanto, não foi o primeiro trem MagLev a atingir o estágio de operação comercial no mundo. Entre 1984 e 1995, um MagLev de baixa velocidade entrou em operação na cidade de Birmingham, no Reino Unido, conectando o seu aeroporto internacional à estação ferroviária local, percorrendo um trajeto de 600 m de extensão, com levitação EML e propulsão por um motor linear de indução (LIM). Esta proposta consistia em veículos automatizados de passageiros (APM), com capacidade de até 12 pessoas, em um monotrilho em via elevada, flutuando em um entreferro de 15 mm [540]. Além destes exemplos, deve-se destacar, atualmente, a operação comercial de outros três veículos de levitação magnética urbanos, com levitação EML e propulsão LIM. Em 2005, o MagLev HSST Linimo passou a operar em uma linha de 8,9 km, apresentado na Figura 3.24, em Nagoia, no Japão, durante a celebração da feira mundial Expo 05, onde permanece atendendo mais de 17 mil passageiros por dia em nove estações [23, 541].

Figura 3.23. MagLev em Xangai (China). (Fonte: Wikimedia, CC BY 2.5 [542])

O ano de 2016 apresentou o início da operação de mais dois trens MagLev. Em fevereiro, o ECOBEE, ilustrado na Figura 3.25, entrou em funcionamento conectando o Aeroporto Internacional de Incheon ao sistema metroviário, em um trecho de 6,1 km, próximo a Seul, na Coreia do Sul, operando a uma velocidade de 110 km/h [22]. Em maio, o Changsha Maglev Express iniciou suas operações em uma linha de 18,55 km, contando com três estações e ligando o Aeroporto Internacional de Changsha à estação de trens de alta velocidade da cidade chinesa, onde atinge uma velocidade de 100 km/h [543].

Figura 3.24. HSST em Nagoia (Japão). (Fonte: Wikimedia, CC BY-SA 3.0 [544])

3.4.6.2 Elevadores

Além do transporte de passageiros sob trens, a levitação eletromagnética abriu a possibilidade para a sua aplicação no transporte vertical de pessoas em elevadores, particularmente vantajosos em edifícios do tipo arranha-céus, onde o tempo de espera se torna inviável, além da dificuldade técnica de utilização de cabos muito longos. Com o auxílio da levitação eletromagnética, os elevadores não permanecem confinados no movimento vertical, sendo capaz de percorrer trajetos horizontais ou em loop, além do funcionamento de múltiplas cabines ao mesmo tempo [545]. Atualmente, a companhia alemã ThyssenKrupp coordena o projeto MULTI com o intuito de desenvolver esta tecnologia. Para isto, está sendo construída uma torre de testes (Testturm) de 246 metros de altura, na cidade alemã de Rottweil para fins de pesquisa e desenvolvimento de soluções para elevadores [546].

Figura 3.25. ECOBEE em Incheon (Coreia do Sul). (Fonte: Wikimedia, CC BY-SA 4.0 [547])

3.4.7. Aplicações Industriais Recentes

A suspensão eletromagnética também tem sido aplicada no transporte sem contato de telas planas e displays de LCD, ainda em estado experimental, com o objetivo de reduzir a probabilidade de defeitos associados à contaminação de partículas e vibrações mecânicas excessivas durante o processo de fabricação. A movimentação destes painéis ao longo da linha de montagem é realizada com a propulsão de motores lineares de indução (LIM) [548, 549]. O mesmo procedimento tem sido adotado para displays OLED, porém com propulsão por motor síncrono linear (LSM) [550]. Da mesma forma, a companhia holandesa Philips tem estudado estes atuadores planares que combinam a levitação magnética e o movimento linear para aplicações industriais lineares de alta precisão, como por exemplo na tecnologia de litografia ultravioleta extrema (EUV) [551, 552]. A empresa suíça IQDEMY desenvolveu, em sua unidade de pesquisa e desenvolvimento russa, a impressora industrial Maglev, vista na Figura 3.26, baseada na tecnologia de levitação eletromagnética para a movimentação das cabeças de impressão por um motor linear.

A ausência de contato permite atingir uma velocidade de operação maior, reduzindo as vibrações, melhorando a qualidade de impressão e a durabilidade do equipamento em sua plena capacidade. Assim, o motor linear se movimenta em uma direção e consegue sustentar o conjunto formado por ele e as cabeças de impressão, que totalizam entre 60 e 80 kg, alcançando uma velocidade de 2,5 m/s em 0,3 segundos [553].

Figura 3.26. Impressora IQDEMY Maglev (Imagem cedida por cortesia pela IQDEMY [553])

3.4.8. Aplicações de Consumo e Entretenimento

Nos últimos anos, as aplicações comerciais da levitação magnética, de modo geral, não têm se concentrado de forma exclusiva nos tradicionais setores dos mancais magnéticos, produtos didáticos ou trens MagLev. O apelo estético e surpreendente da flutuação de objetos tem atraído cada vez mais interesse para novas áreas em que ela pode ser utilizada. Do ponto de vista econômico, o baixo custo dos componentes eletrônicos e dos materiais tornou esta alternativa viável. Assim, a levitação eletromagnética, de modo particular, pode ser encontrada em obras de arte, em produtos de design e publicidade, decoração e iluminação, brinquedos e dispositivos tecnológicos, como alto-falantes ou hoverboards.

3.4.8.1 Iluminação, Decoração e Design

A empresa holandesa Elivatix desenvolveu o produto Lunaluxx, apresentado na Figura 3.27, que se baseia no modelo tradicional de levitação eletromagnética para fins de iluminação. Nele, um eletroímã atrai um pequeno ímã permanente, ao qual está associado uma fina película refletora de fósforo. Esta por sua vez, absorve a luz azul emitida por um LED posicionado na base, e reemite a luz branca em todas as direções [7].

Figura 3.27. Luminária Lunaluxx. (Imagem cedida por cortesia pela Elivatix [7])

A levitação eletromagnética de um objeto associado a um ímã permanente é explorada ainda, na flutuação de globos terrestres de tipos variados, porta-retratos, diversas figuras decorativas, brinquedos e displays para divulgação de produtos em pontos de vendas, sendo fabricada em dezenas de indústrias, principalmente chinesas [554 – 557]. Este método de levitação eletromagnética tradicional, no entanto, apresenta alguns inconvenientes para as aplicações do setor de consumo e entretenimento. Ao ser necessária a utilização de um eletroímã na parte superior atraindo um objeto, estes produtos em muitas ocasiões restringem as suas dimensões, além de atrapalhar um efeito visual mais atrativo. Para contornar este problema, foi concebida uma nova configuração para este tipo de suspensão. Neste novo conceito, um objeto atrelado à um ímã permanente flutua sobre uma base na qual estão presentes um arranjo de ímãs e eletroímãs. A geometria e a polaridade dos ímãs apresentam uma interação repulsiva entre eles, de modo a mover lateralmente o objeto. Para mantê-lo posicionado sob a região central da base, quatro eletroímãs são utilizados, produzindo correntes de controle, com base nos valores registrados por sensores de posição [558, 559].

Apesar de apresentar uma modelagem mais complexa do que a tradicional, ela apresenta como característica marcante, um maior gap de levitação, da ordem de centímetros, o que permite ampliar a faixa de operação e obter um aspecto visual mais impactante. Além disso, ela possui uma estabilidade lateral maior, embora haja maior dificuldade de posicionamento. Desta forma, a maioria das aplicações que se seguiram nestes setores fazem uso desta configuração. A utilização deste novo conceito foi adotada na produção de obras de arte em um museu na Suécia, conforme relatado por LIVINGSTON [255], e tem sido divulgada com sucesso através da empresa holandesa Crealev, que emprega esta tecnologia em design de interiores com luminárias e abajures, como na Figura 3.28, no apelo visual e estético em ensaios fotográficos e outras obras artísticas, e na publicidade de produtos, como tênis e telefones celulares, em pontos de venda [6, 560, 561]. O estúdio de design tcheco Kibardindesign apresentou, em 2013, o modelo de um mouse sem fio flutuando sob este mesmo princípio, proporcionando um uso ergonômico, evitando danos musculares [562].

Figura 3.28. Luminária Eclipse. (Imagem cedida por cortesia pela Crealev B.V. [560])

A flutuação de objetos diversos, como globos terrestres, luminárias, brinquedos, brindes, elementos decorativos e plantas ornamentais, como o Air Bonsai, da japonesa Hoshinchu [563], também é encontrada em vários websites que comercializam seus produtos, sobretudo nos EUA [564 – 566] e na China [567 – 570].

3.4.8.2 Entretenimento

Nos últimos anos, esta levitação eletromagnética foi aplicada ainda, em bens de consumo eletrônicos, como em caixas de som que flutuam e emitem som em 360 graus, controlados via um smartphone [571]. O ímã permanente do objeto apresenta a dupla função de produzir a flutuação e servir como dispositivo de conversão eletromecânica de energia para gerar o som. Atualmente, uma dezena de projetos ao redor do mundo estão em desenvolvimento, apresentando designs e funcionalidades diferentes [572 – 575]. Nesta tecnologia se destacam os produtos de áudio PJ9 da sul-coreana LG [8], com autonomia de 10 horas de duração, ilustrado na Figura 3.29, e a caixa de som com design futurista Mars, da crazybaby [576], vista na Figura 3.30, tendo sido premiada como a melhor inovação tecnológica em áudio na feira tecnológica Consumer Electronics Show (CES) 2017, em Las Vegas (EUA) [577]. Além dela, outro alto falante flutuante, o Air², conquistou o mesmo prêmio em 2015 [578].

Figura 3.29. Caixa de som PJ9 da LG. (Imagem cedida por cortesia pela LG Electronics, Inc. [8])

Figura 3.30. Vista explodida da base (esq.) e do alto falante (dir.) do Mars (centro). (Imagens cedidas por cortesia pela crazybaby, Inc. [576])

3.5. Levitação Supercondutora (SML ou SQL)

3.5.1. Teoria da Supercondutividade

O fenômeno da supercondutividade foi descoberto em 1911, pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes, enquanto realizava experimentos em baixas temperaturas com mercúrio, ao observar que este material apresentava abruptamente uma resistência nula a partir de uma determinada temperatura crítica, em torno de 4,2 K [579]. A partir de então, uma série de novos materiais supercondutores foram descobertos e novas teorias foram desenvolvidas a fim de explicar o seu comportamento inesperado, no mesmo instante em que potenciais aplicações foram sendo sugeridas. Durante estas investigações, foi comprovado que três parâmetros físicos são fundamentais para se estabelecer uma definição entre o estado supercondutor e o estado normal dos materiais. Assim, para atingir o estado supercondutor são necessários que a temperatura 푇퐶, o campo magnético 퐻퐶 e a densidade de corrente 퐽퐶 no material estejam, simultaneamente, abaixo de um valor de transição, denominado como crítico [580]. Em 1933, os físicos alemães Walter Meissner e Robert Ochsenfeld observaram que durante o estado supercondutor, os materiais supercondutores do tipo I excluem de forma total o campo magnético do seu interior, apresentando um diamagnetismo perfeito. Este efeito Meissner-Ochsenfeld pode ser ilustrado pela Figura 3.31.

Enquanto o material permanece acima da temperatura crítica, um campo magnético externo penetra completamente o seu interior, porém quando este é resfriado abaixo da temperatura crítica, correntes de blindagem surgem em sua superfície externa, que atuam de modo a repelir o campo magnético externo aplicado, induzindo um campo em oposição e, assim evitar sua penetração [581].

Figura 3.31. Efeito Meissner-Ochsenfeld. Ao longo do tempo, diversos novos materiais supercondutores, como ligas metálicas e óxidos foram sendo descobertos ou sintetizados em laboratório, cada vez com temperaturas críticas mais elevadas, tornando-os viáveis para aplicações em cabos e bobinas supercondutoras. Os supercondutores do tipo II apresentam ainda uma faixa intermediária, entre o estado supercondutor puro e o estado normal, denominado como estado misto. Durante o estado misto, as duas fases coexistem, com uma concentração de elétrons normais e superelétrons. Assim, estes materiais, conhecidos como hard supercondutors, possuem dois campos magnéticos críticos 퐻퐶1 e 퐻퐶2. Para campos magnéticos inferiores a 퐻퐶1, o supercondutor se encontra sob diamagnetismo perfeito, semelhante aos supercondutores do tipo I. Entre 퐻퐶1 e 퐻퐶2, o diamagnetismo é parcial, existindo uma região do material que exclui o campo magnético e outra que admite a penetração de fluxo magnético no interior de regiões denominadas como fluxóides. No interior destes fluxóides, ocorre o efeito conhecido como aprisionamento de fluxo, ou efeito pinning, no qual a região normal existe no material supercondutor [582].

Quanto mais o campo magnético externo se aproxima do valor crítico 퐻퐶2, maior o número de fluxóides existentes, ou seja, maior o aumento de regiões normais até que o estado supercondutor seja destruído com um valor superior a 퐻퐶2. Da mesma maneira, conforme o campo magnético externo se aproxima do valor crítico 퐻퐶1, menor o número de fluxóides, e maior o número de superelétrons presentes, expulsando cada vez mais fluxo magnético, até atingir o diamagnetismo perfeito, ou o efeito Meissner, para um campo crítico inferior a 퐻퐶1. Esta situação pode ser representada na Figura 3.32, que ilustra o estado normal, misto e supercondutor, respectivamente, abaixo da temperatura crítica [583].

Figura 3.32. Estado misto em supercondutores do tipo II.

Inicialmente, os primeiros supercondutores apresentavam temperaturas críticas muito baixas, sob pressão atmosférica, o que tornava necessário o processo de resfriamento por hélio líquido. Para temperaturas críticas acima de 77 K, o nitrogênio líquido pode ser utilizado para refrigerar estes materiais supercondutores de alta temperatura crítica (HTS), reduzindo de maneira substancial os custos de obtenção e manutenção dos sistemas criogênicos, ampliando o número de aplicações viáveis. A descoberta da supercondutividade no óxido de Y-Ba-Cu-O em 1987, com temperatura crítica da ordem de 90 K é um exemplo da utilização da refrigeração por nitrogênio líquido (LN2).

3.5.2. Aplicações da Levitação Supercondutora

Os supercondutores são explorados na levitação magnética através de três efeitos relevantes que ocorrem nestes materiais: a resistência nula, o efeito Meissner e o efeito pinning. O primeiro fenômeno é encontrado com frequência na levitação eletrodinâmica (EDL), que será vista em detalhes na próxima seção, enquanto que os dois últimos são aplicados com sucesso na levitação supercondutora (SML).

Assim, as aplicações dos supercondutores se expandiram para diversos setores, como trens de levitação magnética, mancais magnéticos e armazenadores cinéticos de energia, devido às suas vantagens de redução de perdas, capacidade de transporte de altas correntes e produção de campos magnéticos intensos [584]. Os primeiros experimentos de levitação magnética envolvendo supercondutores na presença de campos magnéticos foram realizados por ARKADIEV [585] em 1947 e por SIMON [586], apenas como interesse científico. Em seguida, a maioria dos trabalhos direcionava a utilização dos supercondutores para pesquisas com mancais e trens MagLev envolvendo a levitação eletrodinâmica. A levitação magnética devido ao efeito Meissner somente, não produziu grandes resultados, além da pesquisa acadêmica ou aplicação em giro-rotores para sistemas de navegação aeroespacial [587, 588], em função das forças de repulsão presentes na interação entre ímãs permanentes e os supercondutores não serem suficientes para a sustentação de grandes objetos. Com a descoberta dos materiais supercondutores de alta temperatura crítica, a partir de 1986, principalmente o Y-Ba-Cu-O, as pesquisas envolvendo a levitação supercondutora apresentaram um ressurgimento de interesse, motivados pela sua refrigeração com nitrogênio líquido [589 – 591]. Com a evolução do seu processamento foi possível obter valores de força por unidade de área significativos e próximos aos principais métodos de levitação magnética. Além disso, a capacidade de aprisionamento de fluxo devido ao efeito pinning produz uma estabilidade lateral aos sistemas envolvendo supercondutores, essencial em equipamentos e trens de levitação magnética. A levitação neste caso ocorre devido a força de repulsão proporcionada entre um ímã permanente e correntes persistentes induzidas nos vórtices de fluxo magnético, de modo que esta força é maior, conforme a magnetização do material supercondutor [20]. Desta maneira, é possível que um ímã flutue sobre um supercondutor ou vice-versa [592 – 594], conforme ilustrado na Figura 3.33.

3.5.3. Mancais Magnéticos

Atualmente, a levitação supercondutora pode ser encontrada em projetos envolvendo mancais magnéticos passivos e trens de levitação magnética. Usualmente, eles envolvem um arranjo formado por ímãs permanentes de terras raras, como Nd-Fe- B, que produzem um campo magnético intenso, e um bloco maciço supercondutor de alta temperatura crítica (HTS), como o Y-Ba-Cu-O, que combina uma interação de repulsão e de atração com o ímã devido, respectivamente, aos efeitos Meissner e pinning.

Os supercondutores do tipo II são fabricados com um conjunto de imperfeições mecânicas em sua estrutura cristalina, de modo a aumentar o número de vórtices de aprisionamento de fluxo e proporcionar uma levitação naturalmente estável [595].

Figura 3.33. Levitação de um ímã permanente sobre um bloco supercondutor. (Fonte: Laboratório de Aplicações de Supercondutores [596])

Estes mancais passivos são utilizados ainda em conjunto com mancais magnéticos ativos em sistemas armazenadores cinéticos de energia (flywheels), operando em câmaras de vácuo, reduzindo o atrito e alcançando dezenas ou centenas de milhares de rotações por minuto. Estes dispositivos são objetos de estudo de vários centros de pesquisa no mundo, entre eles o projeto japonês patrocinado pela agência NEDO [597, 598] e o grupo de Eletrônica de Potência da UFRJ [599 – 607], em função de seu potencial em sistemas de potência, fontes alternativas de energia ou meios de transporte [608 – 611]. Os mancais passivos radiais ou axiais, rotativos ou lineares, podem ser explorados para aplicações em diversos setores [612, 613]. A primeira área a adotar esta tecnologia foi a indústria criogênica, onde naturalmente os seus equipamentos, como bombas, cryocoolers ou instrumentos de medição já operam sob resfriamento por hélio ou nitrogênio líquido, sendo utilizada, principalmente, em sistemas aeroespaciais [614 – 617].

Além destes, os mancais magnéticos supercondutores (SMB) podem ser aplicados em equipamentos industriais pesados, como bombas, compressores ou motores [618, 619], em micro atuadores [620], em experimentos científicos e estudos aerodinâmicos em túnel de vento [621, 622], em sistemas para controle de vibrações mecânicas [623], em máquinas de precisão na tecelagem [624], ou em ambientes extremamente limpos, em que todo tipo de contaminação deve ser evitado, como na indústria química e farmacêutica [625] ou no transporte sem contato de objetos delicados, como pastilhas ou componentes semicondutores [626, 627]. A utilização crescente de supercondutores em ambiente industrial para setores diversos, conforme visto acima, associada às grandes perspectivas de adoção destes materiais em projetos de trens MagLev pelo mundo propiciaram o surgimento de empresas especializadas na fabricação dos supercondutores em diferentes geometrias e configurações e sua aplicação em mancais magnéticos rotativos ou lineares, além de seus respectivos sistemas de refrigeração. As companhias alemãs Evico [625, 628] e ATZ [629 – 634] têm se destacado no fornecimento de soluções para a automação industrial, para operação à vácuo, com manipulação e transporte de materiais, mancais rotativos para flywheels e trabalhado em parceria com projetos de trens de levitação magnética que empregam supercondutores. A escolha dos mancais supercondutores passivos (SMB) apresenta como vantagens a ausência de uma malha de controle como a existente nos mancais magnéticos ativos (AMB) e o aumento de eficiência e redução de perdas mecânicas em comparação aos mancais tradicionais. As desvantagens consistem na necessidade de um sistema criogênico manter os supercondutores constantemente refrigerados, em criostatos ou cryocoolers, que consomem energia, além da ausência de controle ativo da posição de flutuação.

3.5.4. Trens de Levitação Magnética

Atualmente, quatro projetos de trens de levitação magnética supercondutores (SML) estão sendo alvo de estudo de institutos de pesquisa ao redor do Mundo. Os projetos, da Alemanha, com o SupraTrans II [635] comandado pelo instituto IFW, do Brasil, com o MagLev-Cobra [4, 636] conduzido pelo LASUP (COPPE/UFRJ), e da China, pela Southwest Jiaotong University [637] possuem uma estrutura muito semelhante, envolvendo a flutuação de supercondutores sobre um trilho de ímãs permanentes no arranjo de Halbach e propulsão por motor linear de indução (LIM).

O MagLev-Cobra, visto na Figura 3.34, é o que se encontra em estado mais avançado, permanecendo em operação experimental em uma linha de testes de 200 metros e transportando passageiros desde outubro de 2014. O programa italiano, UAQ4 [638], idealizado pela Universidade de L’Aquila, possui algumas diferenças no tipo de propulsão e no formato de distribuição dos blocos supercondutores e está em um estágio tecnológico abaixo dos demais, por não possuir ainda um protótipo em escala real.

3.5.5. Entretenimento

Além destes projetos relacionados ao transporte urbano de passageiros, uma peça publicitária sugerida pela companhia de automóveis Lexus divulgou uma versão de um hoverboard [639], utilizando supercondutores HTS, flutuando sobre uma pista de skate preenchida com ímãs permanentes de Nd-Fe-B, revelando um potencial comercial para esta técnica no setor de consumo e de entretenimento.

Figura 3.34. Linha de testes do MagLev-Cobra. 3.6. Levitação Eletrodinâmica (EDL ou EDS)

3.6.1. Princípio de Funcionamento da Levitação Eletrodinâmica Tradicional

A levitação eletrodinâmica tradicional se baseia nas forças de repulsão provocadas pelo movimento relativo entre um material condutor e campos magnéticos, produzidos por ímãs permanentes ou eletroímãs.

Esta técnica de levitação possui como fundamento a Lei de Faraday, que estabelece que uma variação do fluxo magnético no tempo, nas proximidades de um material condutor, produz neste o surgimento de uma força eletromotriz (Fem), e a consequente circulação de corrente elétrica induzida que atua, de acordo com a Lei de Lenz, no sentido de se opor ao campo magnético original, evitando a variação de fluxo magnético no seu interior [640]. Esta variação de fluxo magnético pode ocorrer devido à variação espacial de campo magnético, com o movimento relativo entre um condutor e um ímã permanente ou com a variação do campo magnético no tempo produzida por um eletroímã alimentado por corrente alternada. A Figura 3.35 ilustra de forma didática este fenômeno em um sistema de levitação eletrodinâmica tradicionalmente adotado. Ao se mover um ímã permanente de densidade de fluxo magnético 퐵⃗ , com linhas de campo magnético em vermelho, com velocidade 푣 nas proximidades de uma lâmina condutora, produz-se nesta uma variação de fluxo magnético, que dá origem a uma força eletromotriz e o surgimento de correntes induzidas, ou parasitas 푖푖푛푑, que circulam, pelo caminho fechado em preto, de tal modo a gerar uma densidade de fluxo magnético 퐵⃗ 푖푛푑, com linhas de campo magnético em roxo, responsável por evitar qualquer variação de fluxo magnético no condutor. Desta forma, o campo magnético induzido se opõe ao campo magnético externo conforme este se aproxima da lâmina. Esta interação entre os campos magnéticos dá origem à duas forças, que atuam em um sistema eletrodinâmico. A força de levitação 퐹 푙푒푣 e de arraste 퐹 푎푟푟 são proporcionadas pela força de repulsão entre os campos magnéticos, atuando, respectivamente, no sentido de afastar o ímã do condutor e se opor ao movimento do ímã permanente [19, 641]. É importante ressaltar o comportamento destas duas forças em função da velocidade de movimento relativo para este sistema. Como é necessário que haja uma indução de campo magnético, nenhuma força é produzida na situação de um sistema estático, diferentemente das técnicas de levitação magnéticas vistas anteriormente. Conforme o movimento relativo ocorre, a força de levitação aumenta até ser capaz de sustentar o objeto e iniciar a flutuação, atingindo um valor limite a partir de uma determinada velocidade. A força de arraste por sua vez, aumenta no início do movimento, alcançando um valor máximo para em seguida reduzir sua intensidade de forma inversamente proporcional à velocidade, na situação de lâminas condutoras de pequena espessura [642 – 644].

Figura 3.35. Sistema de Levitação Eletrodinâmica Tradicional.

Assumindo a simetria deste sistema e desprezando efeitos de borda próximos as extremidades da lâmina, o campo magnético produzido pelo ímã permanente pode ser analisado ao longo do plano 푥 − 푦. Assim, este campo magnético pode ser expresso como [334]:

퐵⃗ = 퐵푥(푥, 푦)푎̂푥 + 퐵푦(푥, 푦)푎̂푦 (3.16)

Considerando que o ímã permanente se move em relação à lâmina condutora com velocidade relativa 푣 = 푣푥푎̂푥, pode-se determinar o campo elétrico induzido nesta a partir da equação: 퐸⃗ = 푣 x 퐵⃗ (3.17)

Aplicando a lei de Ohm 퐽 = 휎퐸⃗ , obtém-se o vetor de densidade de corrente induzida na lâmina: 퐽 = 휎(푣 x 퐵⃗ ) (3.18)

A interação entre o campo magnético e a lâmina condutora pode ser obtida através da força de Lorentz: (3.19) 퐹 = ∫ 퐽 x 퐵⃗ 푑푉

Estas características da força de levitação e de arraste, revela um melhor aproveitamento do sistema em altas velocidades, de modo que ele opere com o máximo da sua força de levitação e com força de arraste reduzida.

Este perfil das forças envolvidas em um sistema de levitação eletrodinâmica pode ser observado na Figura 3.36, para um exemplo numérico, com escala de força por unidade.

Figura 3.36. Forças de Levitação e de Arrasto em um Sistema Eletrodinâmico.

Os materiais supercondutores também são fortemente empregados em sistemas de levitação eletrodinâmica (EDL), porém, diferentemente da levitação supercondutora (SML) que se apoia nos efeitos Meissner e pinning, esta escolha é feita em função da resistência nula que estes apresentam, quando resfriados abaixo de sua temperatura crítica, e da capacidade de alguns deles de transportar correntes persistentes muito elevadas e produzir campos magnéticos muito intensos, permitindo a sua atuação em entreferros da ordem de dezenas de centímetros e proporcionando forças de levitação com intensidades apreciáveis para aplicações industriais e de transporte [16].

3.6.2. Levitação Eletrodinâmica por Corrente Alternada

Conforme ressaltado anteriormente, a levitação eletrodinâmica também pode ser obtida a partir da variação no tempo de campos magnéticos nas proximidades de um material condutor, sem a necessidade de ocorrência de um movimento relativo entre eles.

A Figura 3.37 ilustra também de maneira didática este sistema de levitação, considerando um eletroímã e um anel condutor envolvendo o mesmo núcleo ferromagnético. Nele, o eletroímã alimentado por uma corrente alternada 푖(푡) produz uma densidade de fluxo magnético variante no tempo 퐵⃗ (푡), com linhas de campo magnético em vermelho, que induz no condutor, uma força eletromotriz e a sua consequente corrente induzida 푖푖푛푑(푡), que circula no material, pelo caminho em amarelo, de modo a produzir uma densidade de fluxo magnético induzida 퐵⃗ 푖푛푑(푡), que apresenta linhas de fluxo em verde, que se opõe a esta variação de fluxo magnético imposta [18, 645].

Figura 3.37. Levitação Eletrodinâmica por Corrente Alternada.

Da mesma forma que o sistema eletrodinâmico tradicional, esta interação entre estes campos magnéticos dá origem ao surgimento de forças de levitação e de arraste, que atuam no sentido de afastar o eletroímã do condutor e que apresentam perfil idêntico ao apresentado na Figura 3.36. A Figura 3.38 demonstra a flutuação de um anel de alumínio sobre uma bobina alimentada por corrente alternada, com frequência da rede elétrica, separados por uma distância de 10 cm [646]. Deve-se destacar que a haste central de aço possui duas funções principais: primeiramente, ela funciona como um prolongamento do núcleo ferromagnético ao concentrar as linhas de campo magnético e reduzir a relutância do circuito magnético que se prolonga até o anel condutor, o que torna a operação com grandes entreferros possível para baixas frequências.

Além disto, a haste restringe o movimento horizontal do condutor, ao evitar que a força de arraste presente no sistema eletrodinâmico afaste o anel da área de ação do eletroímã, indicando neste caso uma pseudo-levitação, uma vez que o condutor não pode se movimentar no plano horizontal. Este fato revela que os sistemas eletrodinâmicos, em geral, possuem estabilidade vertical de repulsão, no qual a força de levitação está em equilíbrio com a força peso, e instabilidade lateral devido a presença da força de arraste. Para anular o efeito da força de arraste e estabilizar lateralmente este sistema, é necessário a utilização de uma bobina concêntrica adicional, que apresente uma defasagem de 180º da sua corrente em relação a outra [647, 648].

Figura 3.38. Levitação Eletrodinâmica de um anel de alumínio.

3.6.3. Aplicações da Levitação Eletrodinâmica por Corrente Alternada

3.6.3.1 Aquecimento Indutivo

Historicamente, as primeiras aplicações envolvendo a levitação eletrodinâmica se originaram na técnica de alimentação por corrente alternada. Entre as décadas de 20 e de 50 do século XX, surgiram inúmeras propostas da utilização deste método como, por exemplo, no uso em centrífugas, ou displays de publicidade, devido a sua capacidade de rotacionar em torno de seu eixo [17], em giroscópios [649], ou no aquecimento indutivo e fusão de vários tipos de metais, no qual os condutores permaneciam suspensos sem nenhuma forma de contato com um recipiente, evitando qualquer forma de contaminação e mantendo o seu grau de pureza [650, 651].

No aquecimento indutivo, o condutor permanece suspenso, envolvido pelo eletroímã alimentado por corrente alternada, que opera em alta-frequência e apresenta uma geometria não convencional, de modo a produzir um campo magnético não uniforme e induzir corrente elétrica suficiente no metal, de tal forma que o aquecimento causado pelo efeito Joule seja capaz de atingir o seu ponto de fusão. Assim, foi possível o derretimento de diversos tipos de metais e ligas metálicas, como o alumínio, o ouro, o gálio, o estanho, o titânio e o bronze, possuindo formatos distintos, como o esférico ou o cilíndrico [652 – 659]. Desde então, esta técnica de aquecimento indutivo tem sido empregada no estudo de propriedades físicas e experimentos em materiais de interesse na área de Metalurgia [660], se beneficiando do alto grau de pureza obtido, e em pesquisas aeroespaciais envolvendo ambientes de micro gravidade [661]. Além destes, soluções comerciais também foram apresentadas para diversos setores, como a odontologia, a joalheria, e de componentes eletrônicos, em função da ausência de contaminação e da possibilidade do metal fundido ser moldado em qualquer formato com alta precisão [662 – 664].

3.6.3.2 Anel de Thomson

A levitação eletrodinâmica por corrente alternada proporcionou também pesquisas de interesse acadêmico ou comercial através da força de repulsão entre um condutor e um eletroímã alimentado por corrente alternada, de forma semelhante à ilustrada na Figura 3.38, que é conhecido na literatura como “Thomson jumping ring”, ou “anel de Thomson”, em homenagem ao engenheiro britânico Elihu Thomson, que foi o primeiro a demonstrar a interação entre dois condutores de corrente alternada e que construiu este aparato em 1887, e que foi seguido dois anos mais tarde pelo compatriota John Ambrose Fleming, que o popularizou. De modo geral, este experimento pode ser explorado de duas maneiras: através de seu efeito transitório ou em regime permanente. No primeiro caso, a alimentação do eletroímã é iniciada, a partir de uma chave que energiza o circuito. Nesta situação, o campo magnético produzido pela bobina aumenta em um curto espaço de tempo, o que induz um pulso de corrente de alta intensidade sobre o anel condutor posicionado logo acima do eletroímã. A força de repulsão entre eles é suficiente para fazer o anel saltar do dispositivo em alta velocidade para uma altura além do núcleo central [665 – 673].

3.6.3.3 Aplicações Militares

Esta técnica tem sido estudada para aplicações que envolvem o lançamento de projéteis, conhecidos como “induction coilgun”, onde a parte móvel é ejetada sem nenhum tipo de contato elétrico com o circuito acionador de disparo. Dentre as aplicações, destacam-se o seu emprego em equipamentos militares e no setor aeroespacial, com o lançamento de mísseis e foguetes [674 – 682].

3.6.4. Aplicações Educacionais

As operações em regime permanente ou a transitória deste experimento têm sido amplamente utilizadas no meio acadêmico como uma demonstração da levitação eletrodinâmica e do aprendizado de conceitos como a Lei de Faraday-Lenz em disciplinas de cursos de Engenharia e Física [683, 684]. Várias universidades e institutos de pesquisa construíram seus próprios protótipos, cada um contando com suas particularidades, conforme será apresentado a seguir, destacando os trabalhos mais relevantes. Em 1968, o professor britânico Eric Laithwaite demonstrou em sua palestra denominada “The Circle of Magnetism”, no Imperial College London, a flutuação de uma grande esfera de alumínio sobre um eletroímã alimentado por corrente alternada e ressaltou a importância de uma bobina secundária com a corrente elétrica defasada de 180º em relação a primeira para obter a estabilidade lateral do sistema [685, 686]. THOMPSON [687] desenvolveu uma proposta didática simples, no qual um eletroímã flutua sobre uma placa de alumínio, considerando um modelo térmico para estimar o aumento de temperatura na bobina e um modelo elétrico para calcular a indutância da bobina, devido à influência do efeito pelicular. GIERAS [688] introduziu uma série de experimentos envolvendo os principais tipos de levitação magnética para uma disciplina de pós-graduação, de forma a ilustrar como estes conceitos são aplicados em trens de levitação magnética. Para o caso da levitação eletrodinâmica, foi construído um protótipo de escala reduzida de um veículo composto de alumínio, que é capaz de flutuar e se movimentar de forma estável sobre um trilho formado por um conjunto de eletroímãs conectados como um primário de um motor de indução linear do tipo fluxo transversal. Este tipo de motor de indução que possui a capacidade de suspensão e propulsão será discutido na seção referente aos trens de levitação eletrodinâmicos. O departamento de Física do MIT, utilizou o resfriamento por nitrogênio líquido do anel condutor para reduzir sua resistência elétrica, de modo que ele atingisse maiores alturas no experimento transitório do anel de Thomson [689].

Nos trabalhos conduzidos por BARRY et al, foram elaboradas diferentes estratégias de controle para a flutuação em regime permanente do anel de Thomson, como um controlador PD ou por lógica Fuzzy para rejeição de perturbações e manter o anel em uma posição definida, além de estudos para outros tipos de arranjo de circuito magnético, evidenciando que conceitos de disciplinas como Máquinas Elétricas, Sistemas de Controle, Microeletrônica e Eletrônica de Potência também podem ser explorados por este experimento [648, 690 – 692]. Outros artigos se concentraram em diferentes aspectos como, por exemplo, a elaboração de um protótipo considerando especificações de segurança [693], ou a análise de diferentes configurações para o anel condutor, alterando suas dimensões ou o tipo de tratamento térmico a que é submetido, por têmpera ou recozimento, o que altera significativamente seu desempenho, ou a sua temperatura de operação [694 – 696]. Foram propostos também, estudos comparativos entre a alimentação do eletroímã por corrente alternada ou o chaveamento por corrente contínua [697, 698], ou um maior aprofundamento analítico do modelo para a levitação e a ejeção do anel [699, 700], a otimização dos parâmetros do sistema [701], além de técnicas de controle não-linear em tempo real para a flutuação do anel [702]. Por se tratar de um experimento com baixo custo de fabricação, com destaque apenas para um eletroímã e um anel condutor, e não necessitar, a princípio, de nenhum tipo de controle para o seu funcionamento, o “anel de Thomson” teve seu uso disseminado como ferramenta de ensino e de divulgação científica em universidades e centros de pesquisa ao redor do mundo [703 – 709]. No Brasil, destaca-se o trabalho do LASUP (COPPE/UFRJ), que construiu um protótipo de demonstração, ilustrado na Figura 3.38, em que foram avaliados o comportamento da levitação de anéis de alumínio e de cobre, com aproximadamente as mesmas dimensões, onde observou-se que o alumínio por apresentar menor densidade, conseguia atingir maiores alturas de flutuação. Além disso, um inversor foi utilizado para analisar o funcionamento do sistema para diferentes valores de tensão e de frequência de alimentação do eletroímã [497, 646]. Além desse, uma outra demonstração da levitação eletrodinâmica também é exibida no Espaço COPPE Miguel de Simoni de Tecnologia e Desenvolvimento Humano, ilustrando o princípio tradicional desta flutuação, que pode ser vista na Figura 3.39. O artigo de da SILVEIRA e AXT [710] apresenta uma explicação qualitativa para o experimento do “anel de Thomson”, enfatizando que a defasagem entre as correntes alternadas do eletroímã e a induzida no anel dá origem a uma interação de força entre eles que oscila entre atração e repulsão ao longo de um ciclo completo da frequência

90 de alimentação, de modo que na média, a força entre eles possui um comportamento repulsivo, o que justifica o fenômeno da levitação observado. Em seguida, este sistema foi exibido em feiras de ciências na universidade UNIJUÍ.

Figura 3.39. Modelo didático da levitação eletrodinâmica no espaço COPPE.

Da mesma forma como em outros países, o “anel de Thomson” tem sido amplamente explorado como recurso educacional e de difusão do conhecimento, como forma de auxiliar o aprendizado dos conceitos vistos em disciplinas de Física e Engenharia e, inclusive, motivar e despertar o interesse de estudantes para a área de Ciência e Tecnologia. Assim, pode-se destacar o trabalho de divulgação realizado, principalmente, pelo Laboratório Didático do Instituto de Física (LADIF) da UFRJ [711] e pelos Institutos de Física da Universidade de Brasília (UnB) [712] e da UNICAMP [713]. Atualmente, algumas empresas fabricantes de produtos educacionais comercializam kits didáticos do “anel de Thomson”, que incluem diferentes tipos de dimensões ou de material utilizado para o anel condutor, reforçando os conceitos de indução eletromagnética da Lei de Faraday-Lenz e de correntes de Foucault [714 – 716]. Além das soluções comerciais, a levitação eletrodinâmica por corrente alternada pode ser encontrada em museus de Ciência e Tecnologia, que ativam a curiosidade do visitante, enquanto ensinam conceitos físicos de forma lúdica. Dois exemplos desta atividade são a flutuação de uma enorme chapa de alumínio sobre um eletroímã alimentado por corrente alternada, que se encontra exposto no Palais de la Decouverte [717], em Paris, e um sistema de levitação dual, no qual um eletroímã é suspenso sobre uma chapa de alumínio, que foi elaborado pela Universidade Estadual de Londrina (UEL) para ser adaptado aos museus de Ciência e Tecnologia brasileiros [718, 719].

3.6.5. Mancal Eletrodinâmico

De maneira semelhante às técnicas de levitação eletromagnética ou supercondutora, a levitação eletrodinâmica também explora o seu princípio de operação para aplicações envolvendo máquinas e equipamentos rotativos ou lineares, que não possuem contato entre a parte fixa e a móvel. A sua principal diferença em relação aos demais, é a necessidade de um mancal mecânico de suporte (touchdown bearing) [720] para a situação em que o sistema esteja em baixas velocidades, onde não há uma geração de força eletromotriz induzida suficiente para produzir uma força de repulsão capaz de manter a parte fixa e móvel afastadas sem contato. Em comparação com os mancais magnéticos ativos, os mancais eletrodinâmicos apresentam como vantagens, a ausência de uma malha de controle e seus elementos adicionais, como sensores, processadores e amplificadores de potência para a estabilização de seu sistema, e a possibilidade de operação em maiores velocidades de rotação em máquinas de grandes diâmetros, em que os rotores suportam melhor às forças centrífugas impostas [721]. A sua principal desvantagem, além da assinalada acima, é o fato das correntes de Foucault provocarem, sobretudo para mancais de pequenas dimensões, perdas ôhmicas elevadas acarretando em aumentos de temperaturas excessivos, que por vezes inviabilizam esta técnica para uma operação contínua ou prolongada [722]. O fator de amortecimento reduzido nesta técnica também exige a utilização de algum tipo de amortecimento externo para evitar oscilações que instabilizem o sistema [22]. Por conta deste inconveniente com o aquecimento provocado pelas correntes parasitas, a maioria das aplicações envolvendo estes mancais ficou limitada em atender apenas equipamentos muito específicos com tempo de funcionamento reduzido. A partir do final da década de 60, surgiram as primeiras alternativas para contornar este problema, conhecidas como Null-Flux [723, 724], que se basearam em um condutor posicionado entre ímãs permanentes, de tal forma que as correntes induzidas nele se anulavam durante a operação normal, e se tornavam diferente de zero apenas nas situações em que a lâmina condutora se afastava de um ímã e se aproximava de outro, produzindo uma força restaurativa em direção à centralização do condutor na posição de equilíbrio [725 – 727]. A utilização de ímãs permanentes em diferentes configurações para os mancais eletrodinâmicos amplia as possibilidades para obtenção de forças de repulsão maiores. Uma destas combinações largamente exploradas é a que utiliza o arranjo de Halbach.

As chamadas rodas magnéticas consistem em aros formados por ímãs permanentes posicionados de acordo com o arranjo de Halbach, que ao girarem no entorno de condutores são capazes de produzir forças de levitação apreciáveis e torque necessário para o seu movimento [728 – 733]. As principais aplicações desta proposta estão relacionadas ao transporte de superfícies planas condutoras com alta precisão, como materiais semicondutores para displays de LCD ou plasma [734, 735], eliminando o contato e qualquer forma de contaminação, hoverboards flutuando sobre lâminas condutoras para fins de entretenimento [736], e armazenadores cinéticos de energia para veículos elétricos e trens de levitação magnética [737 – 739]. No início do século XXI, um novo arranjo de mancal eletrodinâmico que tem se demonstrado promissor, conhecido como homopolar, também se baseia na redução de correntes parasitas na operação de elementos rotativos. Neste tipo de mancal, a sua própria configuração e a geometria eliminam as correntes de Foucault desnecessárias, não sendo necessário recorrer à circuitos elétricos alternativos conforme os mancais eletrodinâmicos anteriores. Além disso, ele possui uma forma compacta circular muito próxima dos mancais mecânicos tradicionais, que pode se adequar facilmente à estrutura de máquinas [740 – 747]. Este mancal eletrodinâmico, com rotor de alumínio e estator de ímãs permanentes em anéis pode ser visto na Figura 3.40.

Figura 3.40. Rotor e estator do mancal eletrodinâmico homopolar. (Fonte: LOPES [747], com permissão)

As aplicações destes mancais se concentram em sistemas com altas velocidades de rotação, como armazenadores cinéticos de energia para satélites, equipamentos especiais operando com velocidade constante, e amortecedores eletrodinâmicos para redução de vibrações mecânicas [748 – 756].

3.6.6. Aplicações nos Transportes

3.6.6.1 Primeiras Propostas

As primeiras tentativas de se combinar a propulsão e a levitação magnética aplicada para meios de transporte remontam ao início do século XX. Em 1902, o engenheiro alemão Alfred Zehden inventou uma versão de um motor de indução linear, com uma chapa de alumínio entre um primário de cada lado, dedicado à tração de trens de passageiros [757]. Em 1912, o engenheiro franco-americano Emile Bachelet registrou uma proposta de um trem capaz de levitar, por repulsão, se mover e manter-se guiado sobre os trilhos pela interação entre eletroímãs posicionados nos trilhos e abaixo do veículo. Cada uma destas três ações era controlada de forma independente e em uma sequência definida periódica, a partir do acionamento de cada um dos eletroímãs correspondentes [758]. Em 1914, um modelo em escala reduzida foi apresentado com sucesso em uma exposição científica em Londres, porém, apesar de seu aspecto inovador, a ausência de tecnologia disponível na época para o seu funcionamento em larga escala foi um entrave para a sua viabilidade. Conforme foi apresentado na seção 2.4.2, que tratou dos hovertrains, o surgimento de meios de transporte não convencionais como estes, ou os trens de levitação magnética (MagLev), em que o veículo não está em contato com a via, a partir da década de 60, exigiu dos projetistas encontrar maneiras alternativas para a sua propulsão. Assim, foram introduzidos ao longo da fase de testes as turbinas aero geradoras, turbinas a jato, propulsão por foguetes e os motores elétricos lineares de indução (LIM) e síncronos (LSM). Sob este contexto histórico, o professor britânico Eric Laithwaite continuou e aprimorou o trabalho iniciado por Emile Bachelet e Alfred Zehden, ao desenvolver um motor de indução linear com capacidade de propulsão e levitação magnética, ambos produzidos pelo mesmo efeito de indução eletromagnética. Primeiramente, durante a realização de testes para o projeto do Hovertrain britânico ele demonstrou que o motor linear proposto por Zehden era inadequado para o transporte em altas velocidades, sobretudo por razões de segurança, uma vez que as chapas de alumínio poderiam sofrer deformações e as suas junções reduziam a força de propulsão [759 – 761].

Em seguida, ele desenvolveu o conceito conhecido como “magnetic river”, no qual semelhante a um rio que empurra um objeto em direção a correnteza, assim um material condutor seria empurrado por ação do campo magnético trafegante formado por eletroímãs nos trilhos na direção de tração do motor, e como consequência o veículo atrelado ao condutor também seria movimentado. Inspirado pela suspensão de esferas e discos condutores que utilizavam a técnica de levitação eletrodinâmica por corrente alternada, Laithwaite elaborou uma proposta equivalente na qual era possível flutuar e mover uma placa condutora de acordo com o acionamento dos eletroímãs abaixo dele. Assim, ele concebeu o motor de indução linear de fluxo transversal (TFM), no qual o fluxo magnético principal do primário é transversal ao movimento provocado pela propulsão, reduzindo a quantidade de núcleo ferromagnético empregada e o peso total do veículo [761 – 763].

3.6.6.2 Propulsão de Foguetes

Conforme visto anteriormente, a técnica de levitação eletrodinâmica tem sido estudada para o lançamento de projéteis para aplicações militares, como o coilgun. Da mesma forma, ela é um método de levitação magnética alternativo adequado para o lançamento e a propulsão de foguetes e satélites para o espaço. Ao final da década de 60, GUDERJAHN et al [764, 765] idealizaram uma proposta na qual bobinas supercondutoras no foguete produzem campos magnéticos intensos e, por sua vez, induzem correntes parasitas de alta intensidade nas paredes condutoras de um longo tubo a vácuo proporcionando forças de repulsão e de tração, responsáveis por movimentá-lo sem contato e atingindo velocidades de 5000 m/s. A agência espacial americana NASA tem, desde o final do século XX, investigado técnicas alternativas para o lançamento de foguetes e ônibus espaciais como forma de reduzir os altos custos empregados nesta tarefa. Uma destas técnicas é a chamada assistência de lançamento magnética, que consiste em um sistema de levitação eletrodinâmica para suspensão e o uso de motores lineares para a propulsão. As diferentes configurações avaliadas consideraram o uso de bobinas supercondutoras e eletroímãs convencionais para a levitação e a suspensão por um motor síncrono linear nos trilhos. Outra possibilidade, conhecida como Inductrack, utiliza ímãs permanentes em arranjo de Halbach no veículo, enquanto bobinas curto-circuitadas de reação nos trilhos, induzem correntes parasitas produzindo forças de repulsão, enquanto eletroímãs independentes controlam a tração. Além dessas, um outro protótipo considerou o uso de um motor de indução linear na via produzindo um campo magnético para suspender uma chapa de alumínio no foguete e movimentá-lo [766 – 769].

O projeto StarTram planeja realizar o lançamento de foguetes através de um tubo à vácuo, no qual o veículo percorre sem contato com a via até atingir a velocidade de escape necessária para sua ejeção ao espaço. Durante o trajeto, o foguete é suspenso pela levitação eletrodinâmica, em que bobinas supercondutoras atreladas a ele produzem um campo magnético intenso, que induzem correntes parasitas em condutores de alumínio nas bordas do tubo, em um arranjo do tipo Null-Flux, de forma a proporcionar uma força de repulsão [770, 771]. Outros programas espaciais também analisaram diferentes topologias para a propulsão de foguetes, satélites e veículos para o espaço [772 – 780]. Os seus grandes desafios tecnológicos estão na capacidade destes sistemas imprimirem uma grande quantidade de tração em um curto intervalo de tempo, enquanto espera-se uma redução significativa nas dimensões dos veículos, com a diminuição do consumo de combustível total exigido em uma missão espacial. Este mesmo argumento favorável tem sido avaliado em pesquisas envolvendo o uso esta tecnologia de levitação magnética no auxílio da decolagem e da aterrissagem de aeronaves reduzindo ainda, o impacto ambiental e o ruído [781 – 783].

3.6.6.3 Trens de Levitação Magnética

Da mesma forma como no caso dos demais métodos de levitação magnética, a técnica eletrodinâmica despertou o interesse de diversos projetos ao redor do mundo, de modo a explorar as suas potencialidades como, por exemplo, a ausência de complexos sistemas de controle existentes em trens de levitação eletromagnética (ativa), e a simplicidade conceitual do princípio de indução eletromagnética e suas forças de repulsão. Assim, foram concebidos variados conceitos para veículos urbanos e de altas velocidades. A seguir será apresentado um resumo dos principais projetos de cada um destes segmentos. O projeto de MagLev urbano desenvolvido pela empresa americana General Atomics, na cidade de San Diego (EUA), consiste na utilização de um duplo conjunto de ímãs permanentes no arranjo Halbach no veículo, com uma lâmina condutora entre eles junto a via. Ao iniciar seu movimento, ainda sobre rodas, os ímãs induzem correntes parasitas no condutor, que produzem uma força de repulsão e, conforme o aumento da velocidade de tração, torna-se suficiente para suspender o trem.

A sua propulsão é fornecida por um motor síncrono linear (LSM), onde bobinas condutoras no solo formam a armadura e o campo é devido aos próprios conjuntos de ímãs permanentes. A sua operação é com um alto valor de entreferro, em torno de 25 cm, com velocidade máxima de 160 km/h, em um veículo em escala real com 13 metros de extensão, e tem sido testado em uma linha experimental de 500 metros [784, 785]. O projeto de MagLev de alta velocidade eletrodinâmico japonês, conhecido como SCMagLev, é do ponto de vista de seu estudo, planejamento e execução, o mais antigo do mundo, surgido na década de 60, fruto de um estudo do governo japonês em busca de uma nova tecnologia para os trens de alta velocidade, em substituição ao convencional Tokaido Shinkansen. Este veículo de levitação eletrodinâmica utiliza bobinas supercondutoras com alta capacidade de circulação de correntes, que estão inseridas nas paredes do veículo, e por sua vez geram campos magnéticos intensos que ao se movimentarem induzem correntes parasitas intensas em bobinas convencionais situadas nas laterais da via. Ao atingir uma determinada velocidade, a interação entre estas correntes produz uma força de repulsão que suspende o trem. Um engenhoso arranjo geométrico nos condutores da via, proposto por POWELL e DANBY [725], conhecido como Null-Flux, torna o veículo estável durante a sua operação, uma vez que qualquer deslocamento vertical ou lateral proporciona forças restaurativas que atuam no sentido de movê-lo novamente para a sua posição de equilíbrio, flutuando a uma altura de aproximadamente 10 cm do solo. A propulsão do veículo é feita por um motor síncrono linear onde outro conjunto de bobinas nas paredes da via correspondem a armadura, e o campo é produzido pelas mesmas bobinas supercondutoras dispostas no trem. Estas bobinas supercondutoras são resfriadas em temperaturas criogênicas com Hélio líquido e contam com um sistema de refrigeração em dois estágios. Entre 1977 e 1997, os primeiros protótipos foram analisados na linha de testes de 7 km em Miyazaki, onde o veículo ML-500 atingiu velocidades superiores a 500 km/h. Em seguida, uma nova linha foi construída em Yamanashi, com extensão atual de 42,8 km em via dupla, com curvas e diferentes graus de inclinação, simulando um terreno com relevo real. O protótipo L0 atual, ilustrado na Figura 3.41, possui escala real de um trem de transporte de passageiros com até doze vagões e conquistou, em abril de 2015, o recorde mundial de velocidade para um veículo terrestre alcançando 603 km/h.

O consórcio responsável pelo projeto estima para o ano de 2027 o início da operação comercial da linha de trens de alta velocidade Chuo Shinkansen, com a conexão entre as cidades de Tóquio e Nagoia, e em 2045 o estabelecimento de um novo corredor de alta velocidade entre as cidades de Tóquio e Osaka com esta tecnologia [786 – 788].

Figura 3.41. Protótipo L0 na linha de testes em Yamanashi (Japão). (Fonte: Wikimedia, CC BY-SA 3.0 [789])

3.6.6.4 Outros Projetos

Em 2013, o empreendedor sul-africano Elon Musk idealizou um meio de transporte de passageiros ou de cargas capaz de se mover com velocidades de até 1200 km/h em um tubo à vácuo, percorrendo o trajeto entre as cidades de Los Angeles e San Francisco, na Califórnia (EUA), em apenas 30 minutos, superando as velocidades de aeronaves. O estudo inicial sugerido pela companhia SpaceX sugeria a flutuação do veículo, o Hyperloop Alpha, através da técnica por colchão de ar (ACV) operando em um tubo sob vácuo parcial. Um motor elétrico linear seria responsável pela propulsão, com a energia elétrica produzida por painéis solares [790]. Este projeto foi considerado de “código aberto”, de modo a incentivar diversos grupos a elaborar estudos semelhantes e produzir aprimoramentos [791]. A empresa Hyperloop One surgiu, em 2014, com o intuito de desenvolver este projeto, porém diferentemente do conceito original, a levitação sugerida foi substituída pela levitação eletrodinâmica passiva com a configuração Inducktrack, no qual ímãs permanentes em arranjo Halbach no veículo, ao se movimentarem, induzem correntes parasitas em bobinas condutoras curto-circuitadas ao longo do tubo.

Em 2016, sistema de propulsão foi submetido a testes em uma área no deserto de Nevada (EUA), onde alcançou uma velocidade de 180 km/h, com uma aceleração de 2,5 g. Atualmente, está sendo construído o primeiro trecho de 3,2 km de tubo para estudos dos sistemas de vácuo e de levitação, com expectativa de funcionamento até o final do primeiro semestre de 2017. Estudos de viabilidade técnica deste projeto foram feitos para a Finlândia, para a Rússia e para a cidade de Dubai, nos Emirados Árabes Unidos (EAU) [792]. A startup Hyperloop Transport Technology (HTT) tem desenvolvido, desde 2013, um programa semelhante ao Hyperloop One, incluindo o mesmo tipo de levitação eletrodinâmica passiva, que foi escolhido em 2016, após um acordo com o Lawrence Livermore National Laboratory, idealizador desta configuração. Em 2015, foi iniciada a construção de uma linha de testes de 8 km em Quay Valley, na Califórnia e em janeiro de 2017, um novo centro de pesquisa e desenvolvimento foi planejado para a cidade de Toulouse, na França. Estudos de viabilidade técnica foram conduzidos para a Eslováquia, para a República Tcheca, para a cidade de Jacarta, na Indonésia, e para uma conexão entre as cidades de Abu Dhabi e Al Ain, nos EAU [793]. O projeto canadense TransPod surgiu em 2016 com o mesmo princípio de funcionamento dos anteriores, porém com o principal objetivo de realizar uma conexão entre as regiões metropolitanas de Montreal e Toronto, no Canadá [794]. Diversos centros de pesquisa e universidades têm se empenhado para apresentar protótipos do Hyperloop, com destaque para a equipe do MIT, que venceu, em 2016, uma competição patrocinada pela SpaceX, apresentando o método de levitação eletrodinâmica em seu protótipo [795]. O princípio do Inductrack também é encontrado no projeto skyTran, que consiste em um veículo automatizado e pessoal rápido (PRT), de até dois passageiros, que funciona suspenso, abaixo de uma via elevada, de forma que a levitação eletrodinâmica garante a ausência de contato entre eles. O principal objetivo deste meio de transporte é reduzir a poluição e o consumo de combustíveis fósseis para os automóveis e eliminar os congestionamentos ao se tornar uma alternativa a eles. O design compacto do veículo permite um perfil aerodinâmico capaz de atingir altas velocidades e a construção de estruturas leves e de baixo impacto visual. Em junho de 2014, foi firmado um contrato para a construção de uma linha de demonstração de 300 metros no campus do Israel Aerospace Industries (IAI), em Tel-Aviv, ainda em andamento. Atualmente, a cidade de Lagos, na Nigéria, e a ilha artificial de Yas, em Abu Dhabi (EAU), demonstraram interesse nesta tecnologia [796 – 798].

3.7. Levitação Mixed-µ

Além dos métodos de levitação magnética tradicionais, existe ainda uma técnica de suspensão de objetos que envolve a utilização de vários tipos de materiais com permeabilidades magnéticas diferentes, como supercondutores, condutores e materiais ferromagnéticos e combina dois ou mais dos métodos vistos anteriormente, derivando assim a origem do seu nome. De forma geral, a levitação magnética do tipo Mixed-µ combina as forças atrativas da levitação eletromagnética e as forças repulsivas da levitação diamagnética para garantir um sistema estável em malha aberta. Vários experimentos realizados para esta técnica produziram a levitação de um material ferromagnético nas proximidades de um eletroímã e de um material supercondutor. Conforme visto na técnica de levitação eletromagnética, a suspensão deste tipo de material pela ação de um condutor com corrente constante é instável, uma vez que o ferro é atraído pelo eletroímã por uma força constante e a sua tendência será cair ou ficar atrelado ao eletroímã, caso esteja abaixo ou acima da posição de equilíbrio, respectivamente. A estabilidade deste sistema, no entanto, não é fornecida por um circuito de controle de posição e de corrente, mas da característica diamagnética de um material supercondutor entre eles. O supercondutor do tipo I ao ser resfriado abaixo da temperatura crítica encontra- se no estado Meissner e, na presença de um campo magnético produzido pelo eletroímã, surgem correntes de blindagem que circulam sobre a sua superfície no sentido de impedir a penetração de campo magnético no seu interior, gerando uma força de repulsão entre eles. Esta força, por sua vez, também ocorre entre o supercondutor e o material ferromagnético, evitando qualquer forma de contato entre eles. Desta forma, a força de atração entre o condutor e o ferro é limitada pela presença do supercondutor que os separa [799]. Por se tratar de um tipo de levitação de análise mais complexa, por envolver uma variedade de materiais com características magnéticas distintas e ter sido idealizada apenas na década de 70, o seu número de aplicações é reduzido. Entretanto, a possibilidade da suspensão de um trem de levitação sobre um trilho ferromagnético, semelhante ao caso eletromagnético, porém sem a necessidade de uma malha de controle e seus sistemas auxiliares, incentivou rapidamente o surgimento das primeiras propostas de veículos de levitação magnética calcados neste princípio para o transporte em alta velocidade, urbano ou inclusive no espaço, em atividades futuras de colonização [800 – 803].

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Recentemente, novas investigações sugeriram o emprego de supercondutores de alta temperatura crítica (HTS) do tipo II de forma a explorar o efeito pinning encontrado nestes materiais durante o estado misto nestes sistemas [804 – 806].

3.8. Conclusão

Este capítulo apresentou o princípio de funcionamento e um panorama completo das aplicações encontradas na levitação magnética de ímãs permanentes, diamagnética, eletromagnética, supercondutora, eletrodinâmica e mixed-µ. Foi possível observar que a levitação eletromagnética (EML) é a que mais se encontra em estágio avançado em sua tecnologia, em função do longo tempo de pesquisa desde o início do século XX, e do avanço tecnológico dos materiais, dos motores elétricos, da eletrônica de potência e do sensoriamento, o que justifica o maior número de setores em que ela é encontrada. Além das tradicionais áreas em que a levitação magnética é aplicada, como nos transportes, com os trens de levitação magnética, e na indústria, com os mancais magnéticos, ela também já é utilizada em bens de consumo tecnológicos, como impressoras, luminárias, brinquedos, produtos educacionais, de decoração e de entretenimento, conseguindo arrecadar facilmente dinheiro para a elaboração de seus projetos em plataformas de financiamento coletivo (crowdfunding). Assim, foram concebidos os produtos LunaLuxx, Air Bonsai, OM/ONE e Mars, o que revela o apelo estético e comercial da levitação magnética, e o fascínio que exercem em seus clientes. Sendo assim, o avanço desta tecnologia pode proporcionar cada vez mais inovações neste mercado, ampliando o número de segmentos em que ela é adotada. A levitação eletrodinâmica e, mais recentemente, a levitação supercondutora tem evoluído e ampliando a sua área de atuação com projetos economicamente e tecnologicamente viáveis nos setores de transporte de passageiros, propulsão de foguetes, aquecimento indutivo e mancais magnéticos.

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4. Conclusões

Este trabalho apresentou todas as tecnologias existentes capazes de suspender objetos e suas respectivas aplicações. De modo geral, é possível dividir estas técnicas de acordo com a origem das forças que produzem a levitação. Assim, as levitações acústica, aerostática e aerodinâmica derivam de forças Mecânicas, enquanto que as levitações óptica, eletrostática e magnética vêm de forças do Eletromagnetismo. Conforme foi apresentado, apesar de algumas técnicas pertencerem ao mesmo grupo, Mecânica ou Eletromagnetismo, as forças capazes de levitarem objetos não possuem a mesma ordem de grandeza, variando drasticamente de uma para outra e, consequentemente, adequando-se a uma determinada aplicação. A Tabela 4.1, baseada em PARADIS et al [233], apresenta uma comparação entre as diferentes técnicas de levitação, em relação ao tipo de material que ele é capaz de suspender e a ordem de grandeza típica do seu gap de levitação, além de algumas de suas aplicações mais relevantes. É possível observar, no entanto, a extensa variedade de aplicações nas quais as técnicas de levitação estão inseridas. De estudos atômicos e biológicos à flutuação de trens com centenas de toneladas, de pesquisas com micro gravidade à suspensão de aeronaves, de brinquedos ao coração artificial, de cortadores de grama à levitação de rotores de máquinas e equipamentos ou da indústria de semicondutores à ultra centrífugas de enriquecimento de urânio. É notável ainda, a participação crescente de produtos e meios de transporte sem nenhuma forma de contato no dia a dia da população, retirando a imagem futurista ou de ficção sobre esta tecnologia. Deve-se ressaltar o extraordinário avanço obtido ao longo dos séculos com as técnicas aerostáticas e aerodinâmicas, que atingiram um grau de maturidade tecnológica na primeira metade do século XX, revolucionando a humanidade com a introdução de aeronaves, ao reduzir substancialmente tempos de deslocamento e contribuindo para um fluxo global de pessoas, mercadorias e serviços. Destaca-se, com o aprimoramento da eletrônica e dos materiais, na segunda metade do século XX, uma maior atenção para a levitação magnética e suas promissoras aplicações. Ao superar a técnica aerostática em pesquisas sobre meios de transporte não convencionais, ela atraiu mais interesse e esforços na substituição de trens convencionais pelos trens MagLev, mais eficientes e ecologicamente limpos.

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Tabela 4.1. Comparação entre as técnicas de levitação.

Material

Técnica de Ordem de Aplicações Típicas Levitação grandeza Tipo (gap)

Acústica Qualquer cm Processamento de materiais e estudos biológicos

Óptica Qualquer nm a µm Manipulação de partículas e estudos biológicos

Aerostática Qualquer mm Mancais fluidostáticos e hovercrafts

Aerodinâmica Qualquer mm Aeronaves e mancais fluidodinâmicos

Eletrostática Condutor ou mm Processamento de semicondutor materiais, MEMS

Eletromagnética Ferromagnético mm Mancais magnéticos ativos e MagLev EML

Eletrodinâmica Condutor cm MagLev EDL e mancais magnéticos eletrodinâmicos

Supercondutora Diamagnético ou mm Mancais Supercondutores Ferromagnético e MagLev SML

Mixed-µ Ferromagnético mm Mancais magnéticos

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Dentro da levitação magnética, três técnicas se sobressaíram em função de seu potencial. Inicialmente, a levitação eletromagnética (EML), seguida pela eletrodinâmica (EDL) e por fim, pela supercondutora (SML). A levitação eletromagnética (EML), devido ao seu estudo desde o início do século XX e a evolução tecnológica, alcançou um maior grau de conhecimento e maturidade, sendo aplicada com sucesso em trens operando comercialmente na China, no Japão e na Coreia do Sul, além dos mancais magnéticos ativos em diversos setores, como o petroquímico, de alimentos e na área da saúde. A levitação eletrodinâmica (EDL) tradicional, mais adequada para trens de altas velocidades, só evoluiu a partir da década de 60, com o início do projeto de trem MagLev japonês Chuo Shinkansen, planejado para conectar Tóquio a Osaka. Os mancais magnéticos eletrodinâmicos conseguiram maior destaque apenas no início do século XXI, com a configuração homopolar. A levitação supercondutora (SML) só progrediu de maneira comercialmente viável, após a década de 80, com a descoberta de materiais supercondutores do tipo II de alta temperatura crítica (HTS), como o Y-Ba-Cu-O, e o desenvolvimento de materiais magnéticos de alta densidade de energia magnética, como o Nd-Fe-B. A partir disto, foi possível conceber mancais magnéticos e trens MagLev supercondutores, com refrigeração por nitrogênio líquido (LN2). A Tabela 4.2, baseada em STEPHAN et al [14], apresenta uma comparação entre as técnicas de levitação magnética mais importantes, indicando o entreferro típico de operação, a pressão magnética, que indica a força de levitação por unidade de área sobre o objeto e os projetos de trens de levitação magnética mais relevantes e o seus respectivos status atuais. Conforme pode ser observado, a levitação eletromagnética possui maior capacidade de força por unidade de área em relação às demais, constituindo a sua maior vantagem comparativa, ao custo da necessidade de uma malha de controle para a suspensão, o que aumenta a sua complexidade e a robustez e o peso da estrutura. Atualmente, quatro trens MagLev desta técnica já estão em operação comercial: além dos três destacados, o Transrapid (China) de alta velocidade, e os urbanos ECOBEE (Coreia do Sul) e HSST Linimo (Japão), a cidade chinesa de Changsha inaugurou sua linha urbana em maio de 2016. Os projetos das demais técnicas ainda se encontram na etapa de testes e consolidação da tecnologia, com o trem eletrodinâmico japonês em estágio mais avançado para a comercialização.

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Tabela 4.2. Comparação entre as técnicas de levitação magnética.

Técnica de Entreferro Ordem de Trens MagLev Status Levitação típico grandeza da mais relevantes atual pressão magnética (N/cm²)

Transrapid (China), HSST Linimo Eletromagnética Milímetros 100 (Japão) e ECOBEE Operação (EML) (Coreia do Sul) Comercial

Eletrodinâmica Centímetros 10 Chuo Shinkansen Testes (EDL) (Japão)

MagLev-Cobra (Brasil) e Supercondutora Milímetros 10 SupraTrans II Testes (SML) (Alemanha)

Sob o ponto de vista tecnológico, os trens de levitação magnética, de forma geral, apresentam uma série de vantagens sobre os trens convencionais do tipo roda-trilho. A ausência de contato mecânico, evita o desgaste de componentes, reduz a necessidade de manutenção e de perdas por atrito, diminuindo substancialmente o nível de ruído, o que é vital para o uso deste transporte de superfície em áreas urbanas, além de possuir maior capacidade de atingir maiores velocidades, sem a limitação mecânica. A utilização de motores elétricos lineares para a sua propulsão elimina a dependência de combustíveis fósseis, reduzindo a incerteza econômica com a variabilidade do preço deste insumo e a “pegada ambiental”, sendo o MagLev ecologicamente sustentável. Com estas vantagens, os trens de levitação magnética podem ser adotados como meios de transporte de superfície em cidades evitando as complexas obras civis de túneis e passagens subterrâneas, que consomem maiores tempos e custos de execução.

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Além disso, por conta da distribuição uniforme de carga ao longo da via, os trens MagLevs, podem operar em vias elevadas, com estruturas mais compactas e se integrado à paisagem da cidade. O seu principal inconveniente em relação aos trens de roda trilho são os custos de adoção da tecnologia, por conta da diferença do nível de maturidade tecnológica entre elas. Estas comparações podem ser sintetizadas de acordo com STEPHAN [807] na Tabela 4.3.

Tabela 4.3. Comparação entre o trem MagLev e o convencional Roda-Trilho.

(Fonte: STEPHAN [807], com permissão)

Sob o ponto de vista histórico, pode-se notar, no início da segunda metade do século XX, um movimento mundial para o desenvolvimento do transporte de passageiros de alta velocidade, o que consolidou a tecnologia de trens convencionais roda-trilho nesta área. A partir da inauguração do trem bala japonês Tokaido Shinkansen, em 1º de outubro de 1964, o primeiro marco tecnológico nesta área, o seu funcionamento começou a ser difundido e adotado na Europa, por exemplo, na França, na Itália, na Espanha e na Alemanha. Esta sequência de operação dos trens de alta velocidade (TAV) pode ser representada de acordo com o conceito da curva S, que representa as etapas de inovação, massificação e saturação de adoção de uma tecnologia.

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A Figura 4.1 ilustra como a curva S, em preto, corresponde ao fenômeno de implantação de linhas de trens de alta velocidade no mundo. De forma análoga, este princípio pode ser transferido para a adoção de trens de levitação magnética de alta velocidade. Considerando o primeiro marco tecnológico, como o Transrapid, desenvolvido na Alemanha, desde a década de 70, e que entrou em operação comercial na China, em 2003, pode-se estimar um comportamento semelhante para a curva S, em vermelho, com a linha japonesa Chuo Shinkansen, prevista para 2027, seguido de outros projetos que corresponderão as etapas de massificação desta tecnologia.

Figura 4.1. Curvas S de adoção de novas tecnologias exemplificando os TAV´s. (Fonte: STEPHAN [808], com permissão)

Em face deste cenário atual do estado da arte da tecnologia de levitação magnética, que a cada momento amplia a sua área de mercado, como a de transportes, industrial e de bens de consumo, atingindo cada vez mais pessoas e melhorando as suas vidas, pode-se obter uma perspectiva futura positiva para a adoção de trens de levitação magnética, tanto urbanos, quanto de alta-velocidade. Assim, de acordo com as palavras do Instituto Coreano de Máquinas e Materiais (KIMM) pode-se concluir que “Os Trens MagLev não são apenas trens convencionais, mas asas que ajudam a humanidade a dar mais um salto avante em direção ao futuro”. (KIMM, Center for Urban MagLev Program)

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