HIDROTECNOLOGIA - A criação de uma nova Ciência*
*Autor: Elson Silva , Ph.D. Soil Science - Pennsylvania State University , USA
O que é a HIDROTECNOLOGIA?
Aparentemente complicada a Hidrotecnologia pode ser tão simples e demonstrada em alguns minutos com um copo de água e um papel toalha pendurado na parede.
A figura abaixo mostra visualmente a dinâmica do movimento espacial contínuo d’água no papel toalha buscando o equilíbrio do diferencial hídrico potencial, abrindo novas fronteiras tecnológicas pelos princípios da Hidrotecnologia:
‘Hidrotecnologia é a ciência da Hidrogeologia na porosidade artificial’ que permite a modelagem da geometria espacial dos poros, e revela novas concepções da Hidrodinâmica na conectividade molecular do fluxo hídrico insaturado com auto-sustentação reversa. Os poros podem ser conectados longitudinalmente no formato cilíndrico promovendo um fluxo hídrico anisotrópico mais eficiente. A porosidade artificial flexível arranjada na transição entre as Zonas Hidráulicas Saturadas e Insaturadas adquire a propriedade de auto-sustentação reversível para suprimento e/ou drenagem fluídica resultante do diferencial hidráulico potencial. A Hidrotecnologia pode ser expandida mais ainda para a dinâmica do fluxo de massas quando a conectividade molecular induz a performance de troca de energia cinética. Isto ocorre entre forças inerciais e rotativas de fluxo não particionado em curvas geométricas e forças de arraste molecular.
A capilaridade objetiva capturar o fenômeno do fluxo hídrico insaturado. Mas, sofre restrições espaciais de contenção por ser baseada na teoria do tubo, tornando-se incapaz de representar e compor um sistema poroso na sua integridade. Estas limitações podem ser reduzidas e atualizadas pelo tubarc (tube + arc) que permite o fluxo lateral constante através de uma abertura lateral contínua do cilindro. Na porosidade granular dos solos e rochas os poros são randômicos. Pela porosidade artificial do tubarc os poros podem ser contínuos e conectados longitudinalmente tendo fluxo lateral pela geometria do tubarc. Como pode ser observado o tubarc também incrementa a área superficial aumentando a atração da fase sólida e consequentemente apresenta maior efeito hidrofílico por unidade volumétrica.
História da HIDROTECNOLOGIA remarcando os primórdios da Hidrologia para 70.000 anos atrás
Na natureza a porosidade Geológica foi a primeira a surgir pela intemperização das rochas e formação contínua dos solos cerca de 2 bilhões de anos atrás. A vida surgiu pela porosidade biológica cerca de um bilhão de anos onde plantas e animais multicelulares aumentaram de tamanho e desenvolveram mecanismos variados de circulação fluídica interna. Agora estamos criando a porosidade tecnológica que aprende com a porosidade geológica e biológica considerando as limitações humanas na manipulação da matéria a nível molecular e modelagem da geometria dos poros na compreensão das novas propriedades hidrodinâmicas do fluxo hídrico insaturado ainda não contempladas no conhecimento humano.
Antoine Lavoisier criou uma nova ciência a Química Moderna em 1778 pela ‘Equação de Igualdade de Massas’ numa época em que os meios de comunicação eram bem rudimentares. O próprio Albert Einstein não chegou a criar uma nova ciência. Mas, nós estamos criando uma nova ciência a Hidrotecnologia devido à oportunidade tecnológica, embora o objetivo principal seja apenas o alinhamento de idéias na exploração de uma lacuna científica enorme ignorada por mais de um século no funcionamento dos dispositivos fluídicos, a Hidrologia. Em termos históricos a Hidrologia clássica nasceu por volta de 6 mil anos atrás nas irrigações do Egito e Mesopotâmia. Mas, devemos enfatizar que a Hidrotecnologia é um extensão mais antiga ainda da Hidrologia que começou a ser explorada e entendida pelo homem nos seus fundamentos básicos cerca de 70 mil anos atrás. Isto aconteceu quando o homem primitivo inventou a lamparina nas suas formas mais rudimentares em conchas ou rochas perfuradas queimando gordura animal e usando musgos como pavios.
O fluxo vertical na Zona Insaturada é explicado pela Hidrogeologia Clássica ocorrendo na natureza:
Dentro do copo, a água da superfície tem pressão hidráulica zero (linha pontilhada), tornando se positiva para baixo pelo peso crescente da coluna vertical de água dentro da Zona de Pressão Positiva. A água sobe no papel por atração hidrofílica à superfície sólida do meio poroso aliviando a força da gravidade adquirindo Pressão Negativa decrescente para cima na Zona de Pressão Negativa, chamado tecnicamente de Fluxo Hídrico Insaturado.
Embora o FHS - Fluxo Hídrico Saturado (+) seja o oposto do FHI - Fluxo Hídrico Insaturado (-) em relação à pressão potencial, as propriedades hidrodinâmicas são independentes e assimétricas, não complementares:
1.O FHS possui movimento horizontal ilimitado dependendo da dimensão da rampa de escoamento. O FHI possui movimento radial restrito de sustentação pela conectividade molecular a partir da fonte saturada permanente. O formato radial de expansão explica a tensão molecular em cadeia a partir da fonte saturada. O potencial do FHI depende da quantidade de força de atração na superfície sólida da porosidade e do peso do volume d’água suspensa nos poros em associação exponencial do r2 para o volume e 2r para a área do perímetro do cilindro no caso de poros contínuos longitudinalmente.
2. O FHS pode receber incrementos de pressão à força da gravidade para aumentar o fluxo enquanto que o FHI necessita de uma redução da força da gravidade. Isto ocorre porque as moléculas fluem em resposta à força de atração da superfície sólida da porosidade criando um gradiente de sucção atenuando a força da gravidade. Conseqüentemente tendo menor força da gravidade, resulta em maior fluxo insaturado radial.
3. A pressão é usada para empurrar enquanto que a sucção pode ser usada para puxar o fluxo hídrico que apresenta uma dinâmica assimétrica no comportamento molecular de fluxo de massa. Em termos analógicos seria como um trem nas suas inúmeras composições interligadas que sobre os trilhos podem ser puxadas e/ou empurradas, mas sem os trilhos ainda poderiam ser puxadas se tivesse sustentação superficial. Esta propriedade é muito relevante nos processos de filtragem de arraste molecular e transporte superficial de partículas por forças erosivas auto-limpantes.A pressão leva ao entupimento enquanto que a sucção não entope se houver conectividade molecular no fluxo de massa.
A transmissão fluídica reversa entre os compartimentos e a geometria tubarc (tube+arc) para correção da capilaridade são propostas que foram patenteadas nos EUA (US Pat. 6,766,817). Este fluxo auxilia na estimativa da condutividade hidráulica potencial do dispositivo denominado de sifão insaturado reversível (pavios).
Aprenda como medir a Condutividade e Fluxo Hídrico Insaturado
Qual é a importância da HIDROTECNOLOGIA?
A importância tecnológica da Hidrotecnologia pode ser constatada pela análise exploratória dos parâmetros de Condutividade: Térmica, Elétrica e Hidráulica; mencionados nas patentes aprovadas nos EUA. Os leigos que não conhecem a Hidrologia, a Hidrogeologia ou a Física do Solo têm adotado o termo pavio (wick/wicking) em vez de Condutividade Hidráulica Insaturada:
Busca no USPTO em 07/01/2015 :
Thermal/Heat Conductivity (Condutividade Térmica é mencionada em) 100.744 patentes aprovadas
Electrical/Electric Conductivity (Condutividade Elétrica) 76.949 patentes aprovadas
Hydraulic Conductivity (Condutividade Hidráulica) 750 patentes aprovadas
Unsaturated Hydraulic Conductivity (Condutividade Hidráulica Insaturada) 29 patentes aprovadas
Wick/wicking (Pavio) 33.577 patentes aprovadas
Pode-se concluir que a Condutividade Hidráulica Insaturada com apenas 29 patentes tem sido ignorada por inventores do USPTO abrindo caminho para a Hidrotecnologia. O grande número de patentes que mencionam o termo pavio, 33.577, mostra uma lacuna técnico-científica enorme com muitos leigos que desconhecem a Hidrologia e tentam desenvolver dispositivos fluídicos sem consultar a literatura científica especializada. A palavra pavio (wick/wicking) não é encontrada nos livros científicos de Hidrologia, Hidrogeologia ou Física dos Solos.
Henry Darcy propôs a Lei de Darcy em 1856 sobre a Condutividade Hidráulica e depois em 1907 Edgard Buckingham propôs uma mudança da equação para o Fluxo Hídrico Insaturado (Soil Physics, Jury et al., 1991, John Wiley). Tem sido observado que muitos inventores que empregam a terminologia de ‘pavio’ não conhecem nem o funcionamento das lamparinas e nem da Hidrogeologia no que diz respeito às Zonas Hidráulicas e cometem erros científicos graves, pois os pavios só possuem fluxo hídrico negativo (insaturado). O pavio é uma estrutura porosa flexível que move o combustível em direção à chama (Condutividade Hidráulica Insaturada). Além das propriedades hidrodinâmicas, os ‘pavios’ também precisam resistir à alta temperatura da chama. É um erro básico Etimológico chamar algo de pavio que não funcione como pavio em lamparina. Os pavios nunca poderiam ser usados como porosidade de drenagem, pois as lamparinas não possuem qualquer associação hídrica com o processo de drenagem. Afinal, pavios nunca funcionaram no fundo das lamparinas.
A Hidrotecnologia possui um espaço tecnológico potencial entre 50 a 100 mil patentes novas nos EUA!
Como explorar a HIDROTECNOLOGIA?
A fim de facilitar uma ampla compreensão nesta fase inicial de aprendizagem tecnológica; três grandes áreas são propostas para apresentar esta nova ciência ao alcance de todos que podem explorar em níveis variados de complexidade e entendimento. Ao longo do tempo, com o amadurecimento tecnológico estas divisões poderão ser atualizadas e reestruturadas conforme a evolução dos resultados:
1) Auto-irrigação
Os vasos auto-irrigáveis são considerados anti-dengue por conter água de irrigação em compartimento fechado.
A dinâmica do funcionamento da auto-irrigação revela uma hidrologia complexa ignorada nos dispositivos fluídicos de alta tecnologia ainda desconhecida por cientistas e inventores modernos. A auto-irrigação é um tipo de jardinagem altamente avançada que oferece ensinamentos básicos do funcionamento da Hidrotecnologia na movimentação dos fluidos entre as Zonas Hidráulicas. Fazer e testar os vasos auto-irrigáveis pode ser bom, tanto para leigos que gostam de flores, quanto para cientistas interessados em entender novas concepções ainda inexploradas nos livros textos de Hidrologia.
Protótipos podem ser feitos usando garrafas descartáveis, tesoura, e corda sintética fácil de aquisição e teste. O sistema de auto-irrigação é composto de dois compartimentos sobrepostos encaixados tendo água de irrigação na parte inferior e meio de enraizamento na parte superior. A água é suprida constantemente como irrigação contínua do depósito para o meio de enraizamento por uma interface porosa, uma corda sintética (pavio), que supre a água sob demanda por fluxo hídrico insaturado conforme a necessidade da planta. Para uma melhor eficiência da auto-irrigação recomenda-se fazer dois furos no fundo do compartimento de enraizamento inserindo a corda no fundo no formato de ‘U’ invertido tendo as duas pernas penduradas dentro do depósito d’água. Pela ação da gravidade o peso do meio de enraizamento sobre a corda no fundo entre os dois buracos garante contato e conectividade hídrica permanente para irrigação contínua e eficiente.
A auto-irrigação envolve um sistema solo-água-planta, onde a água armazenada abaixo do compartimento de enraizamento irriga a planta constantemente conforme a necessidade da planta. O solo é um sistema poroso em que cerca de metade do volume é sólido e a outra metade é ocupada por taxas variáveis de água e ar. A água é constantemente perdida por evapotranspiração da planta que faz a absorção d’água pelas raízes no meio de enraizamento. O diferencial hidráulico resultante da perda promove uma reposição contínua pela cordinha removendo água do depósito.
Para fins educacionais o Balanço Hídrico permite uma avaliação do consume d’água em função do tempo. Isto pode ser feito simplesmente quantificando a perda de água no processo de abastecimento e/ou graduando o compartimento de água. A Condutividade Hidráulica Insaturada (CHI) vai ser a quantidade de água (volume) passando pela secção das duas cordas (área=pi.r2) por unidade de tempo:
Condutividade Hidráulica Insaturada (CHI) = volume/área/tempo = mm3/mm2/s = mm/s
Uma violeta africana consome aproximadamente 1 cm3/hora ou 24 cm3/dia de água. Meio litro de água daria para cerca de 21 dias. Normalmente a recarga d’água é de 2 a 4 semanas dependendo da planta e da capacidade do depósito.
É importante observar que a percepção humana pela jardinagem auto-irrigada muda muito devido à facilidade de manejo, onde a recarga d’água acontece em períodos prolongados e a irrigação ocorre sem excessos ou faltas. As plantas desenvolvem uma certa turgidez na folhas como resposta fisiológica devido a luxuria hídrica constante que não é afetada pelos ciclos de irrigação convencional. Devido à reposição contínua da água perdida no meio de enraizamento, a disponibilidade de água para absorção pelas raízes é quase sempre em taxas uniformes.
Protótipos simples (esquerda) podem ser feitos com garrafas plásticas descartáveis cortadas horizontalmente onde às partes inferiores se encaixam formando dois compartimentos sobrepostos. Protótipos mais sofisticados (direita) requerem habilidades para cortar plástico e combinar produtos existentes no mercado como potes de alimentos. Isto exige habilidades com a furadeira de alta velocidade para trabalhos artesanais. A redução do crescimento de algas no depósito de água pode ser obtido pelo o uso de cores opacas do compartimento d’água.
Protótipos mais avançados podem utilizar plástico rígido ou mesmo vidro:
Tecnologias derivadas: dispositivos microfluídicos, biotecnologia, irrigação sob demanda, drenagem molecular, células de combustível, canetas e marcadores, auto-recarga de tinta, cartuchos, estilete para coleta sanguínea, tubos de troca de calor, humidificadores para aparelhos hospitalares, etc.
2) IRO – Injetor de Resíduos Orgânicos ‘Carla Pazin’
Sistema de contenção para injeção continua de resíduos orgânicos frescos de cozinha. O resíduo orgânico fresco da cozinha é de difícil manejo devido ao alto teor de água, tornando-se de fácil putrefação, com dissipação de gases fétidos que atraem insetos e animais. A sua simples deposição direta sobre a superfície do solo apresenta muitos inconvenientes estéticos, sanitários, e práticos que levam a problemas danosos e por isso são normalmente evitados.
O IRO é um mecanismo inovador de injeção de resíduos sólidos frescos diretos no subsolo destinados para minhocas e raízes das plantas. A matéria orgânica fresca pode ser usada próxima aos locais da sua origem, no enriquecimento de solos de quintais, jardins, praças, ou áreas públicas. Esta prática foi aperfeiçoada pelo uso de um dispositivo prático, funcional, e seguro criando-se uma interface dinâmica robusta de injeção de resíduos orgânicos frescos diretos no subsolo. A alta produção de resíduos orgânicos frescos em apartamentos pode ser direcionada para as áreas públicas ou agrícolas principalmente nos cultivos de plantas perenes como as frutíferas, tendo uma adubação subterrânea continua com grandes economias de fertilizantes.
O IRO envolve a complexidade do sistema solo-água-planta onde o fluxo hidrodinâmico é critico para evitar a formação de chorume como ocorre nos lixões. Devem-se manter níveis seguros de descarga hídrica bem abaixo da taxa de evapotranspiração correspondente como uma prática agrícola de incorporação de matéria orgânica. O IRO deve funcionar inteiramente em condições insaturadas onde a matriz do solo dispersa por sucção o excedente hídrico favorecendo uma boa aeração. A presença de oxigênio é importante no processo de degradação biológica e prevenção de anaerobiose que pode resultar na formação de ácido lático e inibição da decomposição orgânica.
A contenção do dispositivo oferece vedação adequada para evitar mal cheiro, proliferação de larvas de insetos e entrada de animais.
IRO - Origem e acompanhamento estão disponíveis para consulta na internet.
3) Bombas centrífugas
As propriedades do Fluxo Hídrico Insaturado ocorrem sob condições normais de gravidade. Então a complexidade começa a aumentar pelo uso de forças rotativas para acelerar a condutividade hidráulica insaturada adicionando energia cinética preservando as propriedades de conectividade molecular no fluxo de massa.
Como acelerar o fluxo hídrico insaturado e observar a conectividade molecular: Tubarc, Condutividade, e Fluxo Hídrico Insaturado
O funcionamento das bombas centrífugas tradicionais mostra que o processo de adição de energia cinética rotativa não considera o fluxo de massa e as aletas promovem uma expansão do fluxo de massa expandindo radialmente para fora que pode ser a causa da formação de gases, ruídos e cavitação.
A bomba masstubarc propõe um tubo radial para preservação da conectividade molecular no processo de adição de energia cinética rotativa. Poderão ser explorados tubos com área circular uniforme (figura acima), crescente ou decrescente, e a geometria variada dos arcos, ou detalhes que afetem a conversão energética entre forças inerciais e rotativas.
O próximo passo é desenvolver as bombas centrífugas e testar o formato dos arcos na troca de energia cinética entre forças inerciais e rotativas.
Tecnologias Derivadas: bombas, filtros, turbinas, ventiladores, propulsores, motores para consumo de biomassa em fluxo de massa continua, etc.
Surpresas Tecnológicas:
Um produtor e exportador de cactos insistiu que a auto-irrigação seria imprópria para o cultivo de cactos por causa do excesso de água. Cerca de 80 cactos foram colocados em vasos de auto-irrigação em 1999. As duas primeiras fotos foram feitas em 2001 e a última em 2012 mostrando a performance vegetal. Todas as plantas gostam de água em abundância. As plantas de clima árido como os cactos não toleram a falta de oxigênio radicular. O sistema de auto-irrigação sempre oferece água em abundância e também boa oxigenação radicular apresentando taxas de ar de 7% para os solos argilosos a 18% para os solos arenosos. Os cactos cultivados nos vasos convencionais morrem pelo excesso de irrigação devido ao acúmulo de água que leva a falta de oxigenação nas raízes.
No comments:
Post a Comment