Avançam as pesquisas sobre o uso do laser

Avançam as pesquisas sobre o uso do laser

Apesar de parecer futurista, patentes datam desde a década de 1970

A Vale em parceria com a Pontifícia Universidade Católica (PUC-Rio) e a Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), sob a coordenação do professor Arthur Martins Braga, do Departamento de Engenharia Mecânica da PUC-Rio, trabalha no desenvolvimento de um sistema a laser voltado à aplicação na perfuração de rochas em operações de desmonte.

 

Prof. Arthur Martins Braga, do Departamento de Engenharia Mecânica da PUC-Rio

 

Iniciado no final de 2008, o projeto “Sistema a Laser para Perfuração de Rochas” busca, especificamente, realizar estudos experimentais e teóricos que possam fornecer condições ao dimensionamento desse sistema em relação aos parâmetros de operação do laser e da sua interação com a rocha, além de estudar a implementação de um subsistema integrado de monitoramento on-line das propriedades geometalúrgicas e geomecânicas da formação perfurada.

Financiado inicialmente com verba das duas instituições de ensino para desenvolvimento da patente conceitual, o trabalho teve aprovada para manutenção do projeto, em 2010, a verba de R$ 390.000,00 pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, da qual a Vale participa como patrocinadora.

Baseada em semicondutores, tecnologia é eficaz na perfuração de rochas

O projeto contribui para o aprimoramento, a eficiência e a sustentabilidade da mineração, e dá continuidade à linha de pesquisa desenvolvida e coordenada pela PUC-Rio. Leva em consideração que, atualmente, várias tecnologias de lasers, baseadas em semicondutores, fibra óptica, gás ou cristal, mostram-se eficazes na perfuração de rochas.

A pesquisa também revela as possíveis vantagens da utilização quando comparada aos métodos tradicionais, tais como: aumento da eficiência de perfuração; redução no número de partes mecânicas móveis presentes no sistema de perfuração; capacidade de perfurar diferentes materiais (rochas diversas, metais, etc.); redução nos custos com manutenção; e diminuição dos riscos de movimentação tectônica pelo fato de não haver contato entre a broca óptica e a superfície a ser perfurada.

No momento, só foi desenvolvido o protótipo de laboratório e, com o final do convênio em julho, a universidade procurará novas parcerias para o financiamento do equipamento de campo, o qual precisa ser mais leve e móvel. Segundo o coordenador, até agora o grupo de desenvolvimento não estava voltado à questão, pois, “o foco era à interação do laser com a rocha, nas questões térmicas que promovem a perfuração e nas ondas adequadas para cada tipo de minério”, explica.

O coordenador da equipe do laser, composta por cinco doutores, dois mestres e cinco alunos de pós-graduação, todos da PUC-Rio, explica que o processo utilizado na perfuração é a espalação (spallation), ou seja, fissão nuclear que ocorre quando um átomo é desintegrado pelo impacto de uma partícula altamente energética, ou seja, basicamente se produz uma tensão térmica localizada na rocha a expandindo, daí ocorre a sua quebra.

Dificuldade enfrentada está na profundidade de perfuração e restrições de ondas

A espalação induzida por laser é uma técnica usado para criar um impulso de tensão compressiva no substrato, no qual se propagará e refletirá como uma onda de tensão na fronteira livre. Esse impulso de tensão, ao propagar-se em direção ao substrato, descasca o filme fino. Usando a teoria de propagação de ondas em meios sólidos é possível derivar a resistência da interface. O impulso de tensão criado por esse método tem duração de 3 a 8 nanosegundos, enquanto a sua magnitude varia em função da fluência do laser. Devido à ausência de contato físico na aplicação da carga, essa técnica é muito adequada à espalação de filmes ultrafinos (1 micrometro ou menos de espessura).

O protótipo da PUC-Rio possui diâmetros de meia polegada e atua com consumo energético médio de cerca de 10 kW. A taxa de penetração depende muito da rocha, mas como exemplo, um furo de 25 mm X 10 mm de diâmetro é feito em alguns poucos segundos, explica o coordenador, e o tempo necessário é diretamente proporcional à profundidade. Para a retirada da rocha é feita a injeção de gás ou líquido, contudo, a grande dificuldade está em definir o comprimento de onda adequado para não se perder a intensidade na interação com o material injetado.

Em relação ao valor de investimento necessário para uma mineradora utilizar um equipamento a laser para perfuração, Martins Braga conta que esse seria maior do que o previsto para compra de uma perfuratriz tradicional. No entanto, esse investimento se compensaria no custo benefício atingido com o maior tempo de utilização do laser, menor manutenção, uma vez que não há contato entre ele e a rocha, refletindo diretamente na disponibilidade do aparelho, e custo operacional menor, podendo otimizar a atividade acima dos parâmetros tradicionais.

O coordenador afirma que, “a primeira das vantagens no uso do laser para mineração é em relação ao aumento da eficiência, ou seja, na taxa de perfuração. Ainda, visto a falta de necessidade do uso de brocas específicas para cada tipo de rocha durante a operação, se reduz o tempo com as trocas pelo ajuste no comprimento de onda do laser para o minério na superfície, e há mais precisão na geometria do furo”, explica Martins Braga.

A grande dificuldade enfrentada no momento se vê na relação profundidade e restrições de transmissão de ondas com alta potência por distâncias longas através de fibras óticas, o que pode se transformar num limitador de penetração. Outra barreira está na necessidade do fluido a ser utilizado na perfuração ter de ser “invisível” para o comprimento de onda determinado para o minério, ou seja, o ajuste da cor do laser precisa ser compatível com o fluido e a rocha.

Essa não é a primeira patente desse tipo no mundo. A precursora foi desenvolvida na década de 1970, contudo, naquela época não havia a tecnologia necessária para um protótipo funcional. Nos anos 80, com a sombra da Guerra Fria no mundo e o programa militar “Guerra nas Estrelas”, do governo de Ronald Reagan, nos EUA, a ciência teve um salto nesse campo, o que auxiliou para que novas patentes fossem criadas até o ano 2000.

Atualmente há pelo menos mais um projeto com funcionalidade similar em estudo no mundo sendo realizado pela Foro Energy, que prepara uma tecnologia híbrida entre perfuração com brocas e laser para utilização na indústria petrolífera. Há também um trabalho similar a partir de um spin-off entre o laboratório da PUC-Rio e a Petrobras para o desenvolvimento de tecnologia laser para perfuração de poços de petróleo no Brasil.


Vale participa como patrocinadora do projeto e contribui para o aprimoramento, eficiência e sustentabilidade da mineração