Arthur Braga/Puc-RioLaboratório da PUC-Rio: testes com feixe de laser mostraram maior precisãoArthur Braga/Puc-Rio
A exploração intensa e crescente de minérios tem gerado a necessidade de se procurar esse recurso em profundidades cada vez maiores. Essa dificuldade leva empresas internacionais da área de mineração a investir grandes somas no desenvolvimento de novas tecnologias para perfurar rochas. Uma das mais promissoras ferramentas em estudo é o laser. No Brasil, a Vale financia um projeto nessa linha, realizado por pesquisadores da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio), em parceria com a Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Iniciado em 2010, o trabalho tem o objetivo de desenvolver uma tecnologia nacional, utilizando luz laser de alta potência para aplicação nas indústrias de mineração e petróleo. O grupo de pesquisa da PUC-Rio, coordenado pelo engenheiro mecânico Arthur Martins Barbosa Braga, estuda o uso de lasers para perfuração de rochas desde 2008 e duas patentes já foram depositadas no Brasil e exterior.
“Percebemos que desenvolvimentos importantes na área, particularmente de diodos de alta potência, fibras ópticas especiais e lasers a fibra, poderiam viabilizar o uso dessas tecnologias para perfuração”, conta Braga. “Estão no mercado lasers a fibra com potência de dezenas de quilowatts. Ao mesmo tempo, os de diodo têm se tornado mais eficientes e compactos, com baixíssimas relações entre volume e potência.” Esses dois tipos de lasers de alta energia podem, em princípio, ser transmitidos por vários quilômetros, no interior de uma fibra óptica. Segundo Braga, ainda existem alguns problemas tecnológicos a serem resolvidos, devido a efeitos não lineares que atrapalham a propagação da luz de alta potência nos núcleos de fibras de sílica. Mas progressos acontecem nas áreas de conectores e fibras ópticas especiais, que em breve poderão resolver essa dificuldade.
Outra possibilidade é a utilização de lasers de diodo compacto, de alta potência (alguns quilowatts), passível de transmissão por fibras ópticas com diâmetros compatíveis com as colunas de perfuração. As duas alternativas estão sendo exploradas no projeto da PUC-Rio, patrocinado pela Vale e pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).
A ênfase da primeira fase das pesquisas foi colocada nos mecanismos de interação entre os diferentes tipos de rocha e a luz laser de alta potência. O estudo investigou os regimes de operação, faixas de potência, comprimentos de onda da luz compatíveis com as aplicações e limitações impostas pelo ambiente operacional da perfuração. Os pesquisadores montaram um equipamento para testes e desenvolvem um projeto conceitual de um protótipo. Os resultados da primeira fase do projeto também incluem uma melhor compreensão dos processos de interação entre a luz laser e as rochas.
Quando estiver pronta, a nova ferramenta deverá substituir os meios mecânicos empregados atualmente. O lançador será introduzido na rocha a ser perfurada até a profundidade necessária, que pode ser de alguns quilômetros a partir da superfície. Segundo o pesquisador da PUC-Rio, as primeiras propostas de utilização de lasers para perfuração de rochas e solos surgiram na década de 1970, mas apenas no final dos anos 1990 é que a tecnologia começou a se tornar viável. Foi quando surgiram os lasers de alta potência, desenvolvidos para o programa Strategic Defense Initiative, mais conhecido como Guerra nas Estrelas, concebido nos Estados Unidos nos anos 1980. Nos últimos anos desse século novos desenvolvimentos na área de fotônica começaram a tornar possível a utilização de lasers para perfuração fora dos laboratórios.
Vantagens imediatas
De acordo com Braga, os avanços recentes foram significativos. “Hoje várias tecnologias – baseadas em semicondutores, fibra óptica e lasers compactos de alta potência – se mostram maduras o suficiente para a perfuração de rochas”, diz. As vantagens dessa tecnologia sobre os sistemas mecânicos são muitas, como perfurar diâmetros com maior precisão e aumentar e melhorar a taxa de penetração, que pode ser de 10 a 100 vezes maior do que as obtidas com as técnicas convencionais. Além disso, com o laser é possível perfurar rochas e metais com diferentes composições sem a necessidade de substituir a broca. Outra vantagem é o menor número de partes mecânicas móveis presentes no sistema, o que reduz os custos com manutenção. “É possível ainda manter maior controle da profundidade, diâmetro e direção de perfuração”, acrescenta Braga.
Esse projeto em parceria com a PUC-Rio é apenas um no qual a Vale investe. De 2009 a 2012, a empresa aplicou R$ 402 milhões em projetos, dos quais R$ 338 milhões com recursos próprios e R$ 64 milhões de parceiros externos, como o Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES), CNPq e Fundações Estaduais de Amparo à Pesquisa (FAPs). Os investimentos contemplam 161 projetos e 821 bolsas de pesquisa no Brasil e no exterior. Esses projetos são realizados dentro do conceito de inovação aberta que permitiu à mineradora atrair e acessar recursos por meio de parcerias. Há boas razões para a empresa investir em pesquisa e desenvolvimento. “Os minérios, hoje, têm teores do elemento químico de interesse muito abaixo do que tinham 20 ou 50 anos atrás”, explica Luiz Eugênio Mello, diretor do Instituto Tecnológico da Vale (ITV). “E daqui a 10 ou 50 anos eles vão ser muito menores do que são hoje, daí a necessidade de investir mais em tecnologia.”
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