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Data: 14/12/2009Local: Relatório preparado para a Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA

DIA, 2009: estudo do AAWSA imagina materiais que mudam de propriedade por comando, de janelas inteligentes a cascos de espaçonave

O DIRD de 14 de dezembro de 2009 apresenta a matéria programável, isto é, materiais cujas propriedades ópticas, elétricas e térmicas mudam sob comando, como uma tecnologia para espaçonaves nos próximos 50 anos. Dá como mais próximas as janelas inteligentes e reconhece que parte do cenário é especulativa.

Dossiê completoHistória da investigação
Data do evento
14/12/2009
Local
Relatório preparado para a Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA
Tema
História da investigação
Órgãos das fontes
DOW
Documentos
1 documento · 20 páginas
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48 min
Desenho de uma fibra cilíndrica cortada, com anéis concêntricos rotulados Power & Control Signals, Memory, N-Layer e P-Layer e peças amarelas na superfície rotuladas ConductorsFigura técnicaPágina física 10
Figura técnica · Figura do relatório da DIA (autoria não identificada) · Página física 10 do arquivo divulgado. Figura 4 do relatório: corte de uma fibra "Wellstone" nocional, com um núcleo para energia e sinais de controle, uma camada de memória, camadas N e P de semicondutores e condutores na superfície. Importa porque mostra, em um desenho, o que o estudo entende por material programável: uma fibra com "átomos artificiais" que, tecida, formaria um tecido cujas propriedades seriam ajustadas por sinais externos. Página física 10 (impressa 6) do DIRD de 14/12/2009. A legenda do próprio relatório chama a fibra de "nocional": é um esquema conceitual, não a foto de um dispositivo construído, e não prova que o material exista. Fonte documental ↗ · Ampliar imagem ↗

FONTES DOCUMENTAIS · DOW

O que os registros contam

Este é um estudo técnico de prospecção, não um relato de avistamento. O Documento de Referência de Inteligência de Defesa DIA-08-0911-016, "Aplicações Aeroespaciais da Matéria Programável", leva a data de 14 de dezembro de 2009 e a data de corte (ICOD) de 1º de dezembro de 2009. Foi preparado pela Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) do Escritório de Alerta de Defesa, na Diretoria de Análise da Agência de Inteligência de Defesa dos EUA (DIA), sob o título de série "Apoio à Aquisição e Ameaças". O autor aparece como "AAP Person 90", rótulo que substitui o nome na versão liberada.

O expediente diz que o texto é um dos relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2009 no âmbito do programa de Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados, o AAWSA. O próprio documento não detalha por que a DIA o encomendou além de situá-lo nessa série. A introdução dá o enquadramento: ele se propõe a ser uma cartilha, "de modo algum uma referência exaustiva", sobre os princípios dos materiais inteligentes e suas possíveis aplicações aeroespaciais "nos próximos 50 anos". O texto não menciona UFOs, UAPs nem engenharia reversa.

A ideia central é que, assim como um software muda o comportamento de um computador, uma "Matéria Programável" mudaria suas propriedades por sinais. O estudo explica os "quatro tipos de átomos" em que isso se apoia: os átomos naturais, os pontos quânticos ("átomos artificiais" feitos de poucos elétrons confinados), os cristais fotônicos e metamateriais e os cristais líquidos. Mostra como cada um permite controlar a luz, a eletricidade ou o calor, e distingue os materiais "impossíveis" mas estáticos, como os metapolarizadores, dos materiais dinâmicos, cujas propriedades e até finalidade poderiam mudar sob demanda.

A parte de aplicações parte de um problema concreto: satélites de 100 milhões de dólares que falham por fusível queimado ou painel solar degradado e não podem ser consertados do solo. O estudo imagina que sensores, filtros, emissores e painéis fotovoltaicos programáveis resolveriam falhas ou novas missões com uma atualização de software. Trata de janelas dinâmicas, citando o estudo de 2003 do Laboratório Lawrence Berkeley para a ASHRAE e a película RavenWindow lançada em 2009, de junções Peltier para redistribuir calor no casco, e de revestimentos que colhem energia solar, térmica e de pressão.

O documento também lista os obstáculos que ele próprio reconhece: nanoestruturas pequenas demais para a fabricação atual, sensibilidade à temperatura, vulnerabilidade a interferência eletromagnética e o risco de que hackers controlem a própria matéria. Entre os usos defensivos, a introdução cita camuflagem "ao estilo dos camaleões", desvio de feixes de laser e "invisibilidade total" como capacidades que os materiais inteligentes poderiam criar. A recomendação para os próximos 5 anos é investir em janelas inteligentes e metapolarizadores, por terem mercado comercial que financiaria o avanço.

O cenário das páginas 13 e 14 é explicitamente ficcional: uma estação em órbita baixa de casco coletor solar, com janelas que se movem, espelhos que a deixam "invisível", resfriadores Peltier e um escudo magnético contra tempestades solares. A conclusão admite que parte dele é especulativa e que as projeções chegam a 2050. No conjunto do AAWSA, este é um estudo de tecnologias futuras de materiais, sem relação direta com observações de objetos. O texto termina com nove referências, entre elas a própria RavenBrick e a ASHRAE.

LEITURA DIRETA DO ARQUIVO

O documento, em português

Todas as 20 páginas do documento foram traduzidas na íntegra, em blocos de uma página, incluindo capa, expediente, sumário, figuras e referências. Os rótulos de figuras aparecem entre colchetes. Nas referências (página 20), foram traduzidos só os elementos descritivos; os títulos de obras em inglês aparecem como "[referências bibliográficas no original]".

TRECHO 1 · PÁGINA FÍSICA 1

página inteira

NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 14 de dezembro de 2009 ICOD: 1º de dezembro de 2009 DIA-08-0911-016 Documento de Referência de Inteligência de Defesa Apoio à Aquisição e Ameaças Aplicações Aeroespaciais da Matéria Programável NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)

Nota editorial: Capa do estudo de 14 de dezembro de 2009 sobre aplicações aeroespaciais da matéria programável.

Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /f8R 8ffl@IIIIL 1!19!! 8HLY ~~-1.IJGf.'\ ~ •"'1 $·· • . ,. .... ''rtn,,o\ 14 December 2009 ICOD: 1 December 2009 DIA-08-0911-016 Defense Intelligence Reference Document Acquisition Threat Support Aerospace Applications of Programmable Matter UNCLASSIFIED/'"'" err1e111tt ttll!!! o••t I

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TRECHO 2 · PÁGINA FÍSICA 10

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) [Figura 4: esquema de uma fibra cilíndrica com rótulo "Sinais de energia e de controle".] Figura 4. Fibra Wellstone. Uma fibra "Wellstone" nocional usa arranjos cuidadosos de condutores, semicondutores e isolantes para produzir um cilindro longo e flexível cuja superfície é salpicada de átomos artificiais. Tecidas em conjunto, essas fibras criam um material maciço cujas propriedades são programáveis por sinais externos. No futuro, supercomputadores avançados talvez consigam monitorar os objetos ao nosso redor, nossas mesas, nossos balcões, nossas paredes, janelas e cadeiras, e modificar suas propriedades conforme as necessidades do momento. Transparente ou opaco? Refletor ou absorvente? Condutor ou isolante? Magnético? Flexível? Luminoso? Em teoria, um bloco de verdadeira Matéria Programável deveria poder escolher qualquer ponto em qualquer um desses eixos a qualquer momento. Outros efeitos também podem ser desejados, entre eles a magnetorresistividade, os efeitos foto, termo e piezoelétricos, a supercondutividade e a capacidade de realizar cálculos (um material inteligente verdadeiramente "esperto"). Infelizmente, muitas dessas características são fortemente correlacionadas, de modo que, por exemplo, um material que conseguisse ser ao mesmo tempo condutor elétrico e isolante térmico provavelmente não poderia ser também transparente. É improvável que um computador sirva também de aparelho de ar-condicionado. Ainda assim, as combinações possíveis, o número de coisas que poderíamos de fato fazer, seriam muito maiores que a (já vasta) gama de combinações de materiais naturais. Embora a matéria inteligente de 2050 provavelmente venha a ser operada eletricamente, a operação elétrica apresenta hoje vários desafios. Primeiro, as nanoestruturas necessárias são muito pequenas e intrincadas, com tolerâncias de fabricação que forçam ou excedem os limites da tecnologia atual. Segundo, os fios de controle, os eletrodos e outros condutores desses dispositivos fazem com que provavelmente sejam vulneráveis à interferência eletromagnética. Como uma calculadora de bolso dentro de um forno de micro-ondas, os materiais programáveis enfrentam um ambiente eletromagnético hostil e precisarão ser blindados e protegidos contra comportamentos espúrios. Além disso, há a ameaça dos hackers. À medida que nossa sociedade entrega o controle de cada vez mais infraestrutura aos computadores, acrescentamos não só novas forças, mas também novas vulnerabilidades. Temos de ser extremamente cautelosos ao entregar a hackers mal-intencionados as chaves da própria matéria! NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 6

Nota editorial: Figura 4 (fibra Wellstone, conceito) e os desafios de fabricação, interferência eletromagnética e segurança.

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UNCLASSIFIED/ /f8Ft 8ffHHIIII:. .-se 8Hl:.V Power & Control Signals Figure 4. Wellstone Fiber. A notional "Wellstone" fiber uses careful arrangements of conductors, semiconductors, and insulators to produce a long, flexible cylinder whose surface is studded with arti ticial atoms . When woven together, these fibers create a bulk material whose properties are programma ble via externa l signals. In the future, advanced supercomputers may be able to monitor the objects around us-our desks, our countertops, our walls and windows and chairs-and modify their properties to suit the needs of the moment. Transparent or opaque? Reflective or absorptive? Conductive or insulating? Magnetic? Flexible? Luminous? In theory, a block of true Programmable Matter should be able to select any point on any of these axes at any time. Other effects may be desired as well, including magnetoresistivity, photo-/thermo-/piezoelectric effects, superconductivity, and the ability to perform computations (a truly "smart" smart material). Unfortunately, many of these traits are strongly correlated, so that, for example, a material that managed to be both electrically conductive and thermally insulative probably could not be made transparent as well. A computer is unlikely to double as an air conditioner. Still, the possible combinations-the number of things we could actually do-would be much larger than the (already vast) range of natural material com bi nations. Although the smart matter of 2050 will probably be operated electrically, electrical operation presents a number of challenges today. First, the required nanostructures are very small and intricate, with manufacturing tolerances that push or exceed the limits of current technology. Second, the control wires, electrodes, and other conductors in such devices mean they will likely be vulnerable to electromagnetic interference. Like a pocket calculator in a microwave oven, programmable materials face a harsh electromagnetic environment and will need to be shielded and safeguarded against spurious behavior. In addition, there is the threat of hackers. As our society turns over the control of more and more infrastructure to computers, we add not only new strengths but also new vulnerabilities. We must be extremely cautious about handing malicious hackers the keys to matter itself! UNCLASSIFIED/ ,'FOR OEEIG'I0l 11&:E $Ull¥ 6

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TRECHO 3 · PÁGINA FÍSICA 11

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) O maior desafio, porém, é a temperatura. A resistência de um fio elétrico varia com a temperatura e, embora mal notemos a diferença nos grossos fios de cobre de nossas casas, as películas delicadas e os nanofios dos materiais inteligentes de Matéria Programável a sentem intensamente. Outras propriedades críticas, como as bandas proibidas dos semicondutores, o espaçamento óptico dos cristais fotônicos e as simetrias internas dos cristais líquidos, também são sensíveis à temperatura e precisam ser manejadas com cuidado para não sobrepujar os sinais de controle que passam pelo material. As primeiras tentativas de materiais programáveis de pontos quânticos eram tão sensíveis à temperatura que os pesquisadores descobriram que alterar a temperatura, e não o campo elétrico, era na verdade a forma mais fácil de controlar a resposta dos materiais. De fato, escolhendo materiais com maior sensibilidade à temperatura, conseguimos ampliar esses efeitos e produzir materiais inteligentes ativados termicamente, sem nenhuma necessidade de controles elétricos. É claro que materiais que respondem à temperatura não são novidade. Os termômetros de cristal líquido termocrômicos (que mudam de cor) são bem conhecidos e, em meados da década de 1990, pesquisadores chineses desenvolveram uma tinta termocrômica que assume um tom azul frio quando está quente, um tom vermelho quente quando está fria e um verde pálido à temperatura ambiente. Isso foi feito principalmente para regulação térmica: a tinta supostamente poderia aumentar a temperatura de um prédio em cerca de 4 °C no inverno e diminuí-la em cerca de 8 °C no verão, embora os pesquisadores também alegassem um benefício estético em fazer a cor da casa combinar com a estação. Efeitos ainda mais impressionantes poderiam ser obtidos se preto e branco (ou transparente e prateado) fossem opções de cor disponíveis. Embora os materiais de construção termocrômicos fossem muito raros até pouco tempo atrás, vários outros mecanismos, entre eles os eletrocrômicos, os fotocrômicos e as persianas mecânicas automáticas, foram usados para criar "janelas dinâmicas" que controlam ativamente o ganho de calor solar nos edifícios e exibem muitas das propriedades (se não os princípios) de um verdadeiro material inteligente. Os edifícios respondem por 40 por cento de toda a energia consumida nos Estados Unidos, incluindo 71 por cento de toda a eletricidade e 38 por cento de todas as emissões de dióxido de carbono. Administrar o ganho de calor solar e controlar o envelope térmico do edifício são as formas mais eficazes de reduzir o uso de energia. Os mesmos princípios se aplicam, é claro, às espaçonaves, para as quais o calor solar é ainda mais intenso e a noite (à sombra da Terra) é mais fria. Em 2003, o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (LBNL), do Departamento de Energia dos EUA, em nome da Sociedade Americana de Engenheiros de Aquecimento, Refrigeração e Ar-Condicionado (ASHRAE), realizou um estudo voltado para sistemas de janelas dinâmicas capazes de escurecer ou sombrear automaticamente, de modo que o coeficiente de ganho de calor solar (SHGC) variasse entre 0,26 e 0,40. Foram feitas análises para oito cidades americanas: Boston, Denver, Jacksonville, Kansas City, Phoenix, Sacramento, Seattle e Washington, D.C. O estudo da ASHRAE constatou que, nas oito zonas climáticas, os edifícios com vidro de baixa emissividade ("low-E") economizaram em média de 8 a 15 por cento de seus custos anuais totais de energia (aquecimento, resfriamento e ventilação), enquanto a adição de sistemas de janelas dinâmicas economizou de 6 a 19 por cento adicionais. Em outras palavras, a economia associada a uma janela dinâmica é aproximadamente tão grande quanto a associada ao low-E. Além disso, como as janelas dinâmicas e os revestimentos low-E economizam energia NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 7

Nota editorial: Sensibilidade à temperatura, janelas dinâmicas e o estudo da ASHRAE sobre economia de energia em edifícios.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFIGIJt.k W&li O~•kY The greatest challenge, however, is temperature. The resistance of an electrical wire varies with temperature, and while we scarcely notice the difference with the fat copper wiring in our houses, the delicate films and nanowires of Programmable Matter smart materials feel it very strongly. Other critical properties, such as the bandgaps of semiconductors, the optical spacing of photonic crystals, and the internal symmetries of liquid crystals, are also temperature sensitive and must be managed carefully to avoid overwhelming the control signals passing through the material. Early attempts at programmable quantum dot materials were so temperature sensitive that researchers found that altering temperature, rather than the electric field, was actually the easiest way to control the response of the materials . In fact, by selecting materials with higher temperature sensitivity, we were able to enhance these effects to produce thermally activated smart materials with no need for electric controls at all. Of course, materials that respond to temperature are not new. Thermochromic (color­ changing) liquid-crystal thermometers are well known, and in the mid-1990s, Chinese researchers developed a thermochromic paint that turns a cool-blue shade when warm, a warm-red shade when cool, and pale green at room temperature. This was done mainly for thermal regulation-the paint allegedly could increase the temperature of a building by about 4°C in winter and decrease it by about s0 c in summer-although the researchers also claimed an aesthetic benefit to having a home's color match the season. Even more impressive effects could be achieved if black and white (or clear and silver) were available color choices. Although thermochromic building materials were very rare until recently, a number of other mechanisms-including electrochromics, photochromics, and automatic mechanical blinds-have been used to create "dynamic windows" that actively control solar heat gain in buildings and display many of the properties (if not the principles) of a true smart material. Buildings account for 40 percent of all energy consumed in the United States, including 71 percent of all electricity and 38 percent of all carbon dioxide emissions. Managing solar heat gain and controlling the building's thermal envelope are the most effective ways of reducing energy use. The same principles apply, of course, to spacecra~, for which solar heat is even more intense and nighttime (in the shadow of the Earth) is colder. In 2003, the U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), on behalf of the American Society of Heating, Refrigeration, and Air Conditioning Engineers (ASHRAE), performed a study focused on dynamic window systems capable of darkening or shading automatically such that the solar heat gain coefficient (SHGC) varied between 0.26 and 0.40. Analyses were performed for eight U.S. cities: Boston, Denver, Jacksonville, Kansas City, Phoenix, Sacramento, Seattle, and Washington, D.C. The ASHRAE study found that across all eight climate zones, buildings with low­ emissivity ("low-E") glass saved an average of 8-15 percent on their total annual energy (heating, cooling, and ventilation) costs, whereas the addition of dynamic window systems saved an additional 6-19 percent. In other words, the savings associated with a dynamic window are approximately as large as the savings associated with low-E. Furthermore, because dynamic windows and low-E coatings save energy UNCLASSIFIED//509 Q661CIOk '!&Ii QIUklf 7

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TRECHO 4 · PÁGINA FÍSICA 12

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) por mecanismos completamente diferentes, seus efeitos são complementares e, portanto, suas economias podem ser somadas. Além disso, enquanto o vidro low-E reduziu as cargas máximas de resfriamento em 2 a 14 por cento, as janelas dinâmicas proporcionaram uma redução adicional de 5 a 38 por cento na carga máxima de resfriamento, permitindo reduzir de forma significativa o tamanho do sistema de ar-condicionado do edifício. O relatório concluiu que as janelas dinâmicas "oferecem o potencial de economias de climatização (HVAC) significativamente maiores do que as que podem ser alcançadas com as janelas de alto desempenho hoje disponíveis", têm "custos de energia muito menores que os das janelas estáticas" e "proporcionam o melhor de todos os mundos". Comercialização inicial de materiais inteligentes No terceiro trimestre de 2009, a RavenBrick LLC lançou a RavenWindow, uma película de janela "termorrefletiva ativa-passiva" que é transparente quando fria e parcialmente refletora quando quente. A película de dupla finalidade, inteligente, destina-se a administrar e aproveitar o ganho de calor solar nas janelas. A película custa muito menos que as tecnologias de janelas inteligentes existentes e oferece economia de energia superior. [Figura 5: fotografias e vistas diversas dos filtros RavenWindow e RavenLight.] Figura 5. Vistas diversas dos filtros RavenWindow e RavenLight nos estados frio (transparente) e quente (refletor). A película RavenWindow é transparente quando fria e parcialmente refletora quando quente, o que permite uma faixa de SHGC entre 0,12 e 0,43, mais que o dobro da faixa estudada pelo LBNL. Estudos realizados pela RavenBrick com as ferramentas do LBNL mostram economias de energia de até três vezes as do vidro low-E sozinho. NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 8

Nota editorial: Lançamento comercial da película termorrefletiva RavenWindow, com simulações de economia feitas pela própria fabricante.

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UNCLASSIFIED/ /f8R 8ffl811111: .-sE 8Hl:l/ through completely different mechanisms, their effects are complementa ry and, thus, their savings can be combined. In addition, while low-E glass reduced peak cooling loads by 2-14 percent, the dynamic windows provided an additional 5-38 percent reduction in peak cooling load, allowing significant downsizing of the building's air conditioning system. The report concluded that dynamic windows "offer the potential for significantly greater HVAC savings than can be achieved with currently available high-performance windows," have "much lower energy costs than static windows," and "provide the best of all worlds ." Early Commercialization of Smart Materials In the third quarter of 2009, RavenBrick LLC introdu ced RavenWindow, an "active­ passive thermoreflective" window film that is transpare nt when cold and partially reflective when hot. The dual-purpose smart film is intended to manage and harness solar heat gain in windows. The film costs much less than do existing smart window technologies and offers superior energy savings. Figure 5. Assorted Views of RavenWindow and Ravenlight Filters in the Cold (Transparent) and Hot (Reflective) State. RavenWindow film is transparent when cold and partially reflective when hot, allowing an SHGC range between 0.12 and 0.43-more than twice the range studied by LBNL. Studies performed by RavenBrick using LBNL tools show energy savings up to three times those of low-E glass alone. UNCLASSIFIED/ /FOR AEFICl I k W&li &HI:¥ 8

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TRECHO 5 · PÁGINA FÍSICA 13

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) [Figura 6: gráfico "Economia acumulada em cinco anos em Denver (mantendo constantes os preços da energia)", com eixo vertical em dólares (de $0 a $3.000) e eixo horizontal em meses de instalação (0 a 60). Curvas rotuladas: RavenWindow + Low-E; Pilkington K-Glass; Oldcastle Sunglass; Viracon VRE238; AFG Comfort Ti-R; Low-E 99% transmissivo; Low-E 99% refletor.] Figura 6. Desempenho da película de janela inteligente RavenWindow em comparação com os principais filtros de janela já existentes. Supondo um custo de varejo de 25 dólares por pé quadrado, para grandes edifícios em várias zonas climáticas, o prazo de retorno do investimento é de 5 a 10 anos. Um retorno ainda mais rápido é possível se o custo de varejo puder ser reduzido, o que parece provável, dada a relativa simplicidade da tecnologia. O prazo de retorno não inclui a redução do custo de capital dos sistemas de climatização, a redução do custo de cortinas e persianas e as economias de impostos e de licenças de construção associadas à certificação em Liderança em Projeto de Energia Eficiente (LEED). Gestão térmica de espaçonaves As três leis da termodinâmica, em sua forma mais simples, são: (1) você não pode ganhar, (2) você não pode empatar e (3) você não pode abandonar o jogo. A energia nunca é de graça e os materiais dinâmicos nanoestruturados estão, é claro, sujeitos às mesmas leis que os materiais naturais. No entanto, embora a energia não possa ser criada nem destruída, ela pode ser deslocada, ter sua forma alterada e também ser armazenada. Assim, para a gestão térmica de espaçonaves, os materiais dinâmicos têm muito mais a oferecer do que simplesmente regular o ganho de calor solar. Um exemplo é o transporte ativo de calor. Uma junção Peltier é uma bomba de calor de estado sólido feita de dois semicondutores diferentes. Quando uma corrente passa pela junção, uma face esquenta enquanto a outra esfria. NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 9

Nota editorial: Gráfico de economia acumulada em cinco anos em Denver e início da seção sobre gestão térmica de espaçonaves.

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UNCLASSIFIED/ /P'eR. 9P'P'!e!ftl t,91!! e.cc ( Denver Five-Year Cumulative Savings (holding energy prices constant} - RavenWindow+ Low-E $3,000.00 - Pilkington K-Glass $2,500.00 --O!dcastle Sunglass $2,000.00 $1,500.00 --Viracon VRE238 $1,000.00 - AFG Comfort TiR $500.00 , ---- 99% Transmissive Low­$- E0 12 24 36 48 60 Months Installed ------- 99% Reflective Low-E Figure 6. Rave nWindow Smart Window Film Performance vs. Leading I ncumbent Window Filters. Assuming a retail cost of $25 per square foot, for large buildings across multiple climate zones, the payback period is 5-10 years. Even faster return on investment is possible if the retail cost can be reduced, which seems likely given the relative simplicity of the technology. The payback period does not include capital cost reduction on HVAC systems, reduction in the cost of window coverings, and the tax and building permit savings associated with Leadership in Energy Efficient Design (LEED) certification. Thermal Management of Spacecraft The three laws of thermodynamics, in their simplest form, are (1) you cannot win, (2) you cannot break even, and (3) you cannot quit the game. Energy is never free, and nanostructured dynamic materials are of course subject to the same laws as natural materials. However, while energy can neither be created nor be destroyed, it can be moved around, changed in form, and also stored. Thus, for thermal management of spacecraft, dynamic materials have much more to offer than simply regulating solar heat gain. One example is active heat transport. A Peltier junction is a solid-state heat pump made from two dissimilar semiconductors. When a current is passed through the junction, one face grows hot while the other grows cold. UNCLASSIF I ED/ /P'91l err1e1s11t l!l&E 8Hk¥ 9

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TRECHO 6 · PÁGINA FÍSICA 14

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) [Figura 7: esquema da junção, com rótulos "Face quente", "Corrente de saída", "Tipo N", "Corrente de entrada" e "Face fria".] Figura 7. Bomba de calor de junção Peltier. Fazer passar uma corrente elétrica por este dispositivo conduzirá energia térmica para o condutor superior, que esquenta. Os condutores inferiores perdem energia e esfriam. O mesmo princípio funciona ao contrário: aquecer o condutor superior (ou resfriar o inferior) criará uma tensão elétrica através do dispositivo. Infelizmente, os materiais naturais são relativamente fracos nisso: as melhores eficiências alcançadas com eles até agora ficam em torno de 10 por cento. Um material termoelétrico ideal seria, ao mesmo tempo, um forte condutor elétrico, talvez até um supercondutor, e um excelente isolante térmico. Felizmente, em 2001, cientistas do Research Triangle Institute, na Carolina do Norte, usaram super-redes de semicondutores para criar uma junção Peltier que operava com eficiência 2,5 vezes maior e velocidade 23.000 vezes maior que as de todos os projetos anteriores. Os materiais da super-rede, semicondutores do ponto de vista elétrico, eram radiadores de calor incomumente bons e condutores incomumente ruins. Para cascos de espaçonaves feitos de materiais programáveis, deveria ser possível criar resfriadores Peltier em qualquer superfície, a fim de bombear calor para fora de uma área e desviá-lo para outra. Além disso, pode ser desejável manipular a condutividade térmica do revestimento da espaçonave, muito condutor em algumas áreas e muito isolante em outras, seja para suavizar as diferenças de temperatura entre o lado voltado para o Sol e o lado à sombra, seja, em alguns casos, para acentuá-las (por exemplo, para que um radiador, um corpo negro de precisão ou um instrumento criogênico no lado sombreado se mantenha o mais frio possível). Por fim, pode ser desejável armazenar calor para liberá-lo mais tarde. Isso pode ser feito, por exemplo, colocando uma barreira isolante em torno de uma parte quente do revestimento da espaçonave e, ao mesmo tempo, reduzindo a emissividade do ponto quente para minimizar sua capacidade de irradiar o calor para o espaço. Mais tarde, o ponto quente pode ser religado ao resto do revestimento da espaçonave por pontes condutoras, permitindo que o calor escape e se espalhe. Além disso, a gestão térmica do interior da espaçonave trará benefícios significativos para o orçamento geral de energia. A tabela a seguir detalha o consumo de energia de uma residência típica (um análogo razoável de uma espaçonave tripulada, com exceção da energia necessária para a circulação de ar e outras funções de suporte à vida). NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 10

Nota editorial: Figura 7 (junção Peltier) e proposta de casco espacial que redistribua, isole e armazene calor.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIAL USE 014Lf Hot Face Current Out N-Type Current In Cold Face Figure 7. Peltier Junction Heat Pump. Running an electrical current through this device will drive therma l energy into the upper conductor, which grows hot. The lower conductors lose energy and become cold. The same principle works in reverse: heating the top conductor (or cooling the bottom one) will create an electrical voltage across the device. Unfortunately, natural materials are relatively poor at this-the best efficiencies achieved with them so far are around 10 percent. An optimal thermoelectric material would be simultaneously a strong electrical conductor-perhaps even a superconductor-and an excellent thermal insulator. Fortunately, in 2001, scientists at the Research Triangle Institute in North Carol!na used semiconductor superlattices to create a Peltier junction that operated at 2.5 times the efficiency and 23,000 times the speed of all previous designs. The electrically semiconductive superlattice materials were unusually good radiators-and unusually poor conductors-of heat. For spacecraft hulls fashioned from programmable materials, it should be possible to create Peltier coolers on any surface in order to pump heat out of one area and divert it to another. In addition, it may be desirable to manipulate the thermal conductivity of the spacecraft skin-highly conductive in some areas, highly insulating in others-either to smooth out temperature differences between the sunward and shadowed sides of the spacecraft or, in some cases, to accentuate them (for example, so that a radiator, precision blackbody, or cryogenic instrument on the shadowed side remains as cold as possible). Finally, it may be desirable to store heat for later release . This can be accomplished, for example, by placing an insulating barrier around a hot portion of the spacecraft skin while also reducing the emissivity of the hot spot so its ability to radiate the heat away into space is minimized. Later, the hot spot can be reconnected to the rest of the spacecraft skin through conductive bridges, allowing the heat to escape and spread out. In addition, thermal management of the spacecraft interior will provide significant benefits for the overall energy budget. The table below details the energy consumption of a typical household (a reasonable analog for a crewed spacecraft, with the exception of energy required for air circulation and other life support functions) . UNCLASSIFIED/ fFOA QFFICI.t.k Wili 81Uklf 10

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TRECHO 7 · PÁGINA FÍSICA 15

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) Tabela 1. Consumo diário de energia de uma residência (EUA, 1993-1997) Aquecimento de ambientes ........ 41 kWh Aquecimento de água ........ 15 kWh Refrigeração ........ 7 kWh Resfriamento de ambientes (ar-condicionado) ........ 3 kWh Iluminação ........ 3 kWh Secagem de roupas ........ 2 kWh Cozinha ........ 1 kWh Lavagem de louça ........ 1 kWh Outros aparelhos (TV, som, computador etc.) ........ 7 kWh Mais de 80 por cento do orçamento de energia é gasto em aquecer e resfriar coisas, muitas vezes ao mesmo tempo. É claramente desejável recuperar o calor residual das operações de resfriamento e desviá-lo para subsistemas, como o aquecedor de água. Revestimentos de espaçonaves que captam energia Os materiais programáveis também podem ser usados para colher, armazenar e redirecionar outras formas de energia. As espaçonaves estão constantemente banhadas por um fluxo de energia solar muito alto e sofrem fortes gradientes de temperatura, bem como mudanças periódicas de campo magnético e elétrico. Tudo isso representa possíveis fontes de energia que podem ser captadas do ambiente sem perturbar as demais operações da espaçonave. O efeito fotoelétrico ocorre quando fótons atingem um material como um semicondutor ou um metal. A energia dos fótons é absorvida pelas camadas eletrônicas dos átomos e, como resultado, alguns elétrons podem passar da banda de valência para as energias mais altas e mais soltas da banda de condução. Essa é a origem da tensão nas células fotovoltaicas e permite a conversão direta de energia luminosa em eletricidade. Esse efeito gera pares elétron-lacuna (isto é, arranca elétrons de seus átomos de origem) em um material como o silício e, se os elétrons forem forçados a ir numa direção e as lacunas na outra, gera-se uma tensão elétrica. As células solares comerciais de hoje têm eficiência de cerca de 13 por cento na conversão de luz solar em eletricidade, o que as torna economicamente marginais para uso na Terra, exceto nos climas mais ensolarados. Mesmo as células solares mais sofisticadas, e caras, da NASA costumam ter eficiência de no máximo 24 por cento, embora projetos experimentais de várias camadas tenham alcançado mais de 40 por cento de eficiência em laboratório. (Notavelmente, esses conversores já confundiram a fronteira entre um material sob medida e um conjunto de dispositivos em escala nanométrica.) Esses números de eficiência refletem um limite prático, não teórico. Os materiais disponíveis, principalmente o silício e outros semicondutores, simplesmente não são muito fotoelétricos, e as junções que podemos fazer neles não são separadores de elétrons e lacunas muito eficientes. Com átomos naturais, as escolhas são bastante limitadas. Com átomos artificiais e materiais sob medida de vários tipos, porém, e em especial com materiais programáveis que se ajustam a condições variáveis, eficiências muito maiores são possíveis. Claramente, é muito desejável que a face da espaçonave voltada para o Sol seja o mais fotovoltaica possível. NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 11

Nota editorial: Tabela do consumo doméstico como analogia da nave tripulada e proposta de revestimentos que captem energia solar.

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UNCLASSIFIED/ /1'91t err1e11111:: W&I &Hkl/ Table 1. Daily Household Energy Consumption (USA, 1993-1997) Space Heating 41 kWh Water Heating 15 kWh Refrigeration 7 kWh Space Cooling (air conditioner) 3kWh Lighting 3kWh Clothes Drying 2kWh Cooking lkWh Dishwashing lkWh Other Appliances (TV, stereo, computer, etc.) ?kWh Over 80 percent of the energy budget is spent heating and cooling things-often at the same time. It is clearly desirable to recapture the waste heat from cooling operations and divert it to subsystems, such as the water heater. Energy -Scavenging Spacecraft Skins Programmable materials can also be used to harvest, store, and redirect other forms of energy. Spacecraft are constantly bathed in a very high solar energy flux and experience sharp temperature gradients, as well as periodic changes in magnetic and electric field, All of these represent possible energy sources that can be scavenged from the environment without disrupting other spacecraft operations. The photoelectric effect occurs when photons strike a material such as a semiconductor or metal. The energy of the photons is absorbed by the electron shells of atoms, and as a result, some electrons may shift from the valence band to the higher, looser energies of the conduction band. This is the source of the voltage in photovoltaic cells and allows the direct conversion of light energy into electricity. This effect generates electron-hole pairs (that is, knocks electrons off their parent atoms) in a material such as silicon, and if the electrons are forced to go in one direction and the holes in the other, then an electrical voltage is generated. Today's commercial solar cells are around 13-percent efficient at converting sunlight into electricity, which makes them economically marginal for use on Earth in any but the sunniest climates, Even NASA's most sophisticated-and expensive-solar cells are usually no more than :2.4-percent efficient, although experimental multilayered designs have achieved upwards of 40-percent efficiency in the laboratory. (Notably, such converters once blurred the lines between a designer material and a collection of nanoscale devices.) These efficiency numbers reflect a practical limit, not a theoretical one. The available materials-primarily silicon and other semiconductors-are simply not very photoelectric, and the junctions we can place in them are not very efficient electron­ hole separators. With natural atoms, the choices are quite limited. However, with artificial atoms and designer materials of various types, and particularly programmable materials that can adjust to changing conditions, much higher efficiencies are possible. Clearly, it is very desirable for the sunward face of a spacecraft to be as photovoltaic as possible. UNCLASSIFIED/ /FOR AEEJCJA! !!SE ON! X 11

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TRECHO 8 · PÁGINA FÍSICA 16

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) Além disso, descontinuidades bruscas de temperatura podem ser uma fonte de energia. Uma junção Peltier pode funcionar ao contrário, de modo que aquecer um lado e resfriar o outro produz uma tensão. Isso parece bastante direto no terminador de luz solar de uma espaçonave, a linha que separa as faces voltadas para o Sol e as que estão à sombra. Ali, embora quase não haja energia solar direta, o gradiente de temperatura pode ser bastante acentuado, o que indica uma quantidade potencialmente grande de energia aproveitável que, de outro modo, seria desperdiçada. Outra forma de colher energia é o efeito piezoelétrico, uma tensão gerada quando certos materiais estão sob pressão. Como a atmosfera dentro da espaçonave exerce uma pressão constante, para fora, sobre o casco, essa parece ser também uma boa candidata à captação de energia. Além disso, nas áreas do interior da espaçonave que devem receber pressão intermitente (por exemplo, porque os tripulantes esbarram nelas), essa energia também pode ser aproveitada. A energia total dessas interações pode não ser muito grande, mas, para materiais programáveis que de outro modo ficariam ociosos, captar energia é uma excelente atividade, mesmo com eficiência muito baixa. Os materiais inteligentes também podem ser usados para armazenar a energia que geram. Um capacitor é simplesmente um par de condutores com um isolante entre eles, que pode separar cargas sob a influência de uma tensão, enviando elétrons para um lado e lacunas para o outro. Essa separação de cargas, como a separação de íons químicos numa bateria, armazena energia. Os ultracapacitores automotivos têm um futuro promissor, e substituir seu "carbono furado" por materiais programáveis nanoestruturados pode permitir o armazenamento de cargas ainda mais concentradas. As baterias de anel supercondutor são outro possível mecanismo de armazenamento, particularmente no lado sombreado da espaçonave, onde temperaturas criogênicas são facilmente alcançadas. Conceitos avançados em materiais programáveis Os materiais programáveis podem assumir configurações novas e não naturais, mas sua principal vantagem é que suas propriedades podem ser mudadas sob demanda. Assim, torna-se possível, por exemplo, reconfigurar um único sensor de atitude de espaçonave para operar como sensor solar, sensor de horizonte ou sensor de estrelas, conforme o necessário. A mesma tecnologia pode converter qualquer sensor de imagem em preto e branco em um sensor multiespectral, a baixo custo e sem partes móveis. Na verdade, um único dispositivo poderia ser um receptor de sinais ópticos ou infravermelhos, um filtro óptico ou infravermelho ajustável, ou uma fonte de luz de precisão para calibrar outros sensores. Além disso, quando não está em uso, o dispositivo pode servir de célula fotovoltaica, convertendo luz solar em eletricidade adicional. De fato, a reprogramabilidade inerente das propriedades do material significa que dispositivos que incorporam materiais dinâmicos podem ser adaptados a finalidades novas, que não foram previstas na época da fabricação. No futuro, os materiais dinâmicos podem servir em aplicações como polarizadores, sensores de campos magnéticos e elétricos e controladores de velas solares que mudam de cor para manutenção de posição orbital. Essa flexibilidade aberta tem potencial para melhorar de forma dramática o valor e o desempenho de espaçonaves que estão além de nossas capacidades atuais. NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 12

Nota editorial: Colheita de energia por gradiente térmico e pressão, armazenamento em capacitores e reconfiguração de sensores.

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UNCLASSIFIED/ /1'9R 81'1'!@1!illt lt!iE 8Hl::Y In addition, sharp temperature discontinuities can be an energy source. A Peltier junction can be run in reverse so that heating one side of it and cooling the other produces a voltage. This seems quite straightforward at the sunlight terminator of a spacecraft-the line dividing the sunward and shadowed faces. Here, although there exists very little direct solar energy, the temperature gradient can be quite steep, indicating a potentially quite large amount of harvestable energy that would otherwise go to waste. Still another way to harvest energy is through the piezoelectric effect-a voltage generated when certain materials are under pressure. Because the atmosphere within the spacecraft exerts a constant outward pressure on the hull, this seems a good candidate for energy scavenging as well. In addition, for areas of the spacecraft interior that are expected to receive intermittent pressure (for example, because crew members bump up against them), this energy can be harvested as well. The total energy of these interactions may not be very large, but for programmable materials that would otherwise be sitting idle, energy scavenging is an excellent activity even at very low efficiency. Smart materials can also be used to store the energy they generate. A capacitor is simply a pair of conductors with an insulator between them, which can separate charges under the influence of a voltage, sending electrons to one side and holes to the other. This separation of charges, like the separation of chemical ions in a battery, stores energy. Automotive ultracapacitors have a bright future, and replacing their "holey carbon" with nanostructured programmable materials may allow storage of even more concentrated charges. Superconducting loop batteries are another possible storage mechanism, particularly on the shadowed side of the spacecraft, where cryogenic temperatures are easily achieved. Advanced Concepts in Programmable Materials Programmable materials can assume novel, unnatural configurations, but their primary advantage is that their properties can be changed on demand. Thus, it becomes possible, for example, to reconfigure a single spacecraft attitude sensor to operate as a sun sensor, horizon sensor, or star sensor, as required. The same technology can convert any black-and-white imaging sensor into a multispectral sensor-at low cost and with no moving parts. In fact, a single device could be a receiver for optical or infrared signals, a tunable optical or infrared filter, or a precision light source for calibrating other sensors. In addition, when not in use, the device can serve as a photovoltaic cell, converting sunlight into additional electricity. In fact, the inherent re-programmability of the material properties means devices incorporating dynamic materials can be adapted to novel purposes that were not anticipated at the time of manufacture. In the future, dynamic materials may serve in such applications as polarizers, magnetic and electric field sensors, and color-changing solar sail controllers for station keeping. This open-ended flexibility has the potential to dramatically improve the value and performance of spacecraft that lie beyond our current capabilities. UNCLASSIFIED//F8R 8FF1G'IO! 1155 AN! Y 12

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TRECHO 9 · PÁGINA FÍSICA 17

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) A computação quântica é outra possibilidade. Os qubits foram demonstrados pela primeira vez em 1995 pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, em Boulder, Colorado, e pelo Instituto de Tecnologia da Califórnia, em Pasadena. Como o poder de computação aumenta exponencialmente com o número de qubits (contra o aumento linear com o número de bits binários), um computador de 64 qubits é aproximadamente 18 bilhões de bilhões de vezes mais poderoso que um binário de 64 bits. Num mundo quântico e programável, o conceito de "operações por segundo" como gargalo de computação pode simplesmente desaparecer. As opiniões variam muito sobre o quão inteligente, ou consciente, uma máquina pode vir a ser, mas, como mostra o campeão de xadrez da IBM, o Deep Blue, até uma máquina burra pode parecer brilhante se funcionar rápido o bastante. Isso é conhecido na indústria como "IA fraca", mas, com o poder da computação quântica por trás, os resultados poderiam de fato ser extremamente poderosos. Cenário de possíveis aplicações Imagine uma estação espacial em órbita baixa da Terra. Ela está no escuro, com as luzes de navegação piscando, mas, ao passar pelo terminador e dar a volta para a luz plena do Sol, vemos que sua superfície é um grande coletor solar negro-fosco. Seu exterior bebe a luz do Sol, guardando parte dela como calor armazenado e bombeando o resto para fios elétricos, que a levam a um banco de capacitores. Se pudéssemos ver através do casco, veríamos os capacitores inchando, literalmente crescendo à medida que mais energia fica disponível e mais massa da estação é destinada a armazená-la. Mas não podemos ver através do casco, não há janelas, e a estação ficaria completamente escura por dentro, não fossem as luzinhas noturnas fracas que brilham aqui e ali, iluminando o caminho caso alguém visite a copa em busca de um lanche da madrugada. Sob a camada de coletores solares, o casco é um grande isolante opaco, mantendo afastada a "manhã" fria e brilhante do espaço. De repente, o relógio marca 6h, hora de Houston, e um arranjo de vigias difusas e espelhos vai surgindo aos poucos, acordando cada um dos habitantes da estação com a suave luz matinal do Sol. Essas aberturas não são fixas; elas rastejam pelas paredes conforme a estação se move em sua órbita e muda de orientação em relação ao Sol. Saudados pela voz suave do computador central da estação, nossos astronautas acordam. Enquanto os astronautas tomam o café da manhã numa copa pequena e iluminada, surgem mais vigias, com vista para a Terra e para pontos de interesse no céu negro acima dela. No entanto, o conforto e a privacidade da tripulação não ficam comprometidos: através do vidro espelhado, telescópios no solo e no espaço não conseguem ver o interior da estação, e a quantidade de refletividade é controlada o tempo todo, equilibrando as necessidades de luz do dia, de ganho de calor solar e de estética de uma boa vista. Em caso de necessidade, a estação pode até ficar "invisível", captando luz e calor de um lado e emitindo um sinal correspondente do outro. Depois do café da manhã, parte da tripulação se acomoda em nichos de escritório para ver e-mails, mensagens de voz e de vídeo. Quase qualquer superfície da estação pode servir de mesa, teclado, tela de computador, câmera de vídeo ou prancheta de desenho. Outros seguem para experimentos científicos e atividades rotineiras de manutenção pela estação. As vigias e claraboias os acompanham, mas agora olham para fora sobretudo do lado NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 13

Nota editorial: Computação quântica como possibilidade e início do cenário imaginado de uma estação espacial de casco programável.

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UNCLASSIFIED/ /P:eR errtCIAE USE OHLf Quantum computing is another possibility. Qbits were first demonstrated in 1995 by the National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado, and by the California Institute of Technology in Pasadena. Because computing power increases exponentially with the number of qbits (versus linearly with the number of binary bits), a 64-qbit computer is roughly 18 billion billion times as powerful as a 64-bit binary one. In a quantum, programmable world, the concept of "operations per second" as a computing bottleneck may simply vanish. Opinions vary widely on how smart or intelligent or conscious a machine can ever be, but as IBM's chess champion Deep Blue demonstrates, even a stupid machine can appear brilliant if it runs fast enough. This is known in industry as "weak AI," but with the power of quantum computing behind it, the results could in fact be extremely powerful. Scenario for Possible Applications Imagine a space station in low-Earth orbit. It is in darkness, its running lights blinking, but as it clears the terminator and swings around into full sunlight , we can see that its surface is one big, dead-black solar collector. Its exterior drinks in sunlight, taking some of it as stored heat and pumping the rest into electrical wires, which shuffle it off into a bank of capacitors. If we could see through the hull, we could watch the capacitors swelling-literally growing larger as more energy becomes available and more of the station's mass is allocated to storing it. But we cannot see through the hull, there are no windows, and the station would be completely dark inside if not for dim little nightlights glowing here and there , lighting the way in case someone visits the galley in search of a nighttime snack. Beneath its layer of solar collectors, the hull is one big, opaque insulator, keeping the cold, bright "morning" of outer space at bay. Then, suddenly, the clock strikes 0600 Houston time, and an arrangement of diffusive portholes and mirrors gradually fades into existence, waking each of the station's inhabitants with the gentle morning sunlight. These fenestrations are not stationary; they crawl across the walls as the station moves in its orbit and changes its orientation to the sun. Greeted by the soft voice of the station's central computer, our astronauts awaken. While the astronauts eat their breakfast in a bright little galley, more portholes appear, looking down at Earth and at points of interest in the black sky above it. However, the crew's comfort and privacy are not compromised; through the mirrored glass, ground­ based and space-based telescopes cannot see inside the station, and the amount of reflectivity is constantly controlled, balancing the needs of daylighting, solar heat gain, and the aesthetics of a good view. In a pinch, the station can even turn "invisible," taking light and heat from one side and emitting a matching signal on the other side. After breakfast, some of the crew settle into office niches to check their email, voice, and video messages. Almost any surface in the station can serve as a desk, keyboard , computer screen, video camera, or drafting table. Others proceed to scientific experiments and routine maintenance activities throughout the station. Portholes and skylights follow them around, but now they are looking out mainly from the station 's UNCLASSIFIED/ /liQR QFFHiiilil'lk Miili G•lkY 13

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TRECHO 10 · PÁGINA FÍSICA 18

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) sombreado da estação, evitando a luz solar direta. A estação absorveu e armazenou todo o calor e toda a eletricidade de que precisará para atravessar a "noite" orbital da sombra da Terra e está ficando avarenta quanto a aceitar mais energia. Logo a estação converteu quase todo o seu exterior em espelho, mantendo apenas um pequeno coletor solar para a tensão de manutenção e algumas vigias sombreadas para luz e estética. O computador central folheia sem pressa sua biblioteca, sua enciclopédia e a Internet, encontrando notícias, entretenimento e material educativo que sabe que os astronautas vão querer ver. Com o poder da computação quântica, consegue até analisar essa informação. Na metade do "dia" orbital de uma hora, apesar de todas as precauções, a estação corre o risco de esquentar demais. Junções Peltier começam a aparecer no casco, com seus radiadores, pintados de preto e amarelo e cobertos de avisos de SUPERFÍCIE QUENTE, inchando no lado sombreado da estação. Ao mesmo tempo, uma tempestade solar, prevista dias antes, finalmente começa a se formar. O casco compensa gerando um forte campo magnético para desviar as partículas carregadas. Isso poderia causar problemas às pessoas e aos equipamentos dentro da estação, mas os campos são desviados para fora por folhas de material supercondutor, resfriadas por ainda mais junções Peltier. Os escudos estão erguidos; a estação circula a Terra em sua própria bolhinha magnética. Logo, porém, a órbita da estação a leva de volta à sombra do planeta. O pôr do sol é breve e espetacular; o calor solar e o vento solar desaparecem. Agora a estação vive de carga armazenada e de calor armazenado. As janelas olham para baixo, para a Terra, um objeto quente que irradia intensamente no infravermelho, mas não no vácuo frio do espaço. O casco se torna termicamente condutor por alguns segundos para atenuar eventuais desequilíbrios de temperatura que se tenham formado e depois passa para um modo isolante, de baixa emissividade, para conservar o calor. Agora os astronautas são seguidos por iluminação de tarefa eletroluminescente. A estação parece relaxar e levar as coisas um pouco mais devagar até que o "amanhecer" desponte de novo e o ciclo se repita. Horas depois, a tripulação janta na mesma copa em que tomou o café da manhã. Quando o Sol se põe, as luzes internas da estação acendem mais fracas que antes. É a deixa para que os astronautas comecem a se preparar para dormir; depois de um pouco de conversa, eles se arrastam para suas respectivas cabines. Às 21h30, hora de Houston, as luzes e as vigias passam para um ajuste ainda mais fraco, e a tripulação adormece. Direções para pesquisas futuras Embora a indústria aeroespacial tenha sido tradicionalmente fonte de tecnologias derivadas que depois são adotadas pelos consumidores, nos últimos anos a tendência inversa tem sido igualmente prevalente. Por exemplo, embora a tecnologia GPS tenha sido desenvolvida por e para os militares, e os circuitos integrados tenham sido desenvolvidos para as missões lunares Apollo, hoje os militares empregam com frequência receptores GPS civis de baixo custo, e os astronautas dos ônibus espaciais usam laptops feitos para uso doméstico e de escritório. Isso faz sentido econômico, pois a produção em massa para grandes mercados consumidores oferece não só economias de escala, mas também vasto potencial de retorno dos usuários, de iteração de projeto e de medição direta da popularidade (e, indiretamente, da utilidade) de diferentes projetos. Assim, os produtos de consumo NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 14

Nota editorial: Continuação do cenário fictício da estação: espelhos, resfriadores Peltier, escudo magnético e iluminação automática; início das direções de pesquisa.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFF!e!IIIL lt!iE 8Hl:Y shady side, avoiding direct sunlight. The station has absorbed and stored all the heat and electricity it will need to get through the orbital "night" of Earth's shadow and is becoming stingy about accepting more energy. Soon, the station has converted almost its entire exterior into a mirror, keeping only a small solar collector for maintenance voltage and a few shaded portholes for light and aesthetics. The central computer idly browses its library and encyclopedia and the Internet, finding news, entertainment, and educational material it knows the astronauts will want to see, With the power of quantum computing, it is even able to analyze this information. Halfway through its hour-long orbital "day," despite every precaution, the station is in danger of becoming too hot. Peltier junctions begin to appear in the hull, their radiators-colored black and yellow and covered in HOT SURFACE warnings-swelling on the station's shadowed side. At the same time, a solar storm-predicted days ago­ finally begins to kick up. The hull compensates by generating a strong magnetic field to deflect the charged particles. This could be troublesome to the people and equipment inside the station, but the fields are deflected outside by sheets of superconducting material, cooled by still more Peltier junctions. The shields are up; the station is circling the Earth in its own little magnetic bubble. Soon enough, though, the station's orbit carries it back into the planet's shadow. Sunset is brief and spectacular; the solar heat and solar wind vanish. Now the station is living on stored charge and stored heat, Windows look down on Earth-a warm object that radiates brightly in the infrared-but not in the cold vacuum of space, The hull becomes thermally conductive for a few seconds to ease any temperature imbalances that have developed and then switches to an insulative, low-emissivity mode to conserve heat. Now the astronauts are followed around by electroluminescent task lighting, The station seems to relax and to take things a little slower until "dawn" breaks again and the cycle repeats itself. Hours later, the crew dines in the same galley where they breakfasted. As the sun sets, the station's interior lights come up dimmer than before, This is the astronauts' cue to begin getting ready for bed, so after a bit of conversation, they shuffle off to their respective cabins. At 2130 Houston time, the lights and portholes slide into an even dimmer setting, and the crew drifts off to sleep. Directions for Future Research Although the aerospace industry has traditionally been a source of spinoff technologies that are later adopted by consumers, in recent years the reverse trend has been equally prevalent, For example, although GPS technology was developed by and for the military, and integrated circuits were developed for the Apollo lunar missions, today the military o~en employs low-cost civilian GPS receivers, and Space Shuttle astronauts use laptop computers made for home and office use. This makes economic sense, as mass production for large consumer markets offers not only economies of scale but also vast potential for user feedback, design iteration, and direct measurement of the popularity (and, indirectly, the usefulness) of different designs, Thus, consumer UNCLASSIFIED/ /F9A 8FFUiiili,1k Wili tUILY 14

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TRECHO 11 · PÁGINA FÍSICA 19

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) podem ser ao mesmo tempo mais baratos e de qualidade superior aos produzidos pela indústria aeroespacial. Supondo que essa tendência se mantenha nas próximas quatro décadas e se aplique até a tecnologias exóticas como os materiais programáveis, é lógico supor que aplicações de consumo, como janelas inteligentes e sensores multiespectrais de visão noturna, têm mais probabilidade de migrar para a indústria aeroespacial do que o contrário. Portanto, o avanço da tecnologia de materiais inteligentes para aplicações aeroespaciais provavelmente dependerá da pesquisa e do desenvolvimento voltados para aplicações de consumo. Além disso, as aplicações de "frutos ao alcance da mão", com os maiores mercados e, portanto, o maior potencial de lucro, terão o maior efeito acelerador sobre a tecnologia. Por isso, aplicações de curto prazo como janelas inteligentes e metapolarizadores economizadores de energia, que oferecem vantagens econômicas diretas e imediatas (a saber, economia de energia) e se encaixam bem na infraestrutura existente, devem ser consideradas as mais promissoras para pesquisa nos próximos 5 anos. A longo prazo, vários problemas precisam ser superados para que dispositivos totalmente programáveis sejam construídos. No caso dos metamateriais, o principal desafio é a fabricação. Foram desenvolvidas numerosas técnicas de nanopadronização para produzir padrões regulares em uma superfície, incluindo grades, redes de difração e padrões de pontos ou furos. No entanto, as propriedades ressonantes dos metamateriais costumam exigir estruturas mais complexas, que não são facilmente produzidas em massa nas escalas necessárias para comprimentos de onda ópticos, em geral de 100 nanômetros ou menos e, muitas vezes, de apenas 10 nanômetros. As tecnologias candidatas promissoras incluem a litografia por nanoindentação, a fotolitografia em ultravioleta extremo e a fotolitografia que usa "superlentes" feitas de metamateriais. A tecnologia de cristais líquidos é mais madura, mas, para sobreviver ao ambiente hostil do espaço, pode precisar desenvolver maior resistência à radiação ultravioleta e a outras formas de radiação ionizante. Talvez a tecnologia de longo prazo mais promissora seja o arranjo endereçável de pontos quânticos. No entanto, para aplicações amplamente programáveis, particularmente na área aeroespacial, a questão da sensibilidade à temperatura precisa ser controlada. Isso pode envolver o controle direto da temperatura das superfícies ativas ou o desenvolvimento de sistemas de materiais de banda proibida alta, para os quais o coeficiente de expansão térmica e a inclinação da banda proibida em função da temperatura sejam ambos pequenos. Além disso, será muito importante blindar as nanoestruturas metálicas contra a interferência de campos elétricos ou magnéticos dispersos, o que pode depender de técnicas ou materiais ainda não desenvolvidos (por exemplo, supercondutores de alta temperatura). No entanto, o vasto potencial dos materiais e dispositivos programáveis, assim como as claras vantagens que eles têm em certas aplicações terrestres e aeroespaciais em que as limitações dos materiais tradicionais restringem claramente a funcionalidade, não deve ser subestimado. Revestimentos de edifícios e veículos, sensores e janelas são três áreas que se prestam particularmente ao aprimoramento com materiais multifuncionais, e as vantagens comerciais de desenvolvê-los serão consideráveis. Como aconteceu com os transistores, os LEDs, os LCDs, os circuitos integrados e outras tecnologias do fim do século XX, é provável que os imperativos econômicos superem muitas barreiras tecnológicas importantes, e por volta de 2050 parece provável que nossos netos tenham dificuldade em imaginar um mundo em que esses objetos sejam feitos de materiais tradicionais e inertes. Sua relação com os objetos materiais NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 15

Nota editorial: Recomendações de pesquisa: janelas e metapolarizadores a curto prazo, nanofabricação óptica, estabilidade térmica de pontos quânticos e blindagem.

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UNCLASSIFIED/ /FOA QFFl&IAb 1!181!! OHtV products may be both cheaper than, and of superior quality to, those produced by the aerospace industry. Assuming this trend holds true across the next four decades and applies even to exotic technologies such as programmable materials, it is logical to suppose that consumer applications such as smart windows and multispectral night-vision sensors are more likely to spin off to the aerospace industry than the reverse. Therefore, advancement of smart materials technology for aerospace applications will likely depend on research and development for consumer applications. In addition, the "low-hanging fruit" applications, with the largest markets and thus the highest profit potential, will have the greatest accelerant effect on the technology. Therefore, near-term applications such as smart windows and energy-saving metapolarizers, which offer direct and immediate economic advantages (namely energy savings) and which dovetail neatly with existing infrastructure, should be considered the most promising for research over the next 5 years. Over the longer term, a number of problems must be overcome for fully programmable material devices to be constructed. In the case of metamaterials, the primary challenge is fabrication. Numerous nanopatterning techniques have been developed for producing regular patterns on a surface, including grids, gratings, and patterns of dots or holes. However, the resonant properties of metamaterials typically require more complex structures that are not easily mass produced on the scales necessary for optical wavelengths-typically 100 nanometers or less, and often as little as 10 nanometers. Promising candidate technologies include nanoindentation lithography, extreme ultraviolet photolithography, and photolithography using metamaterials-based "superlenses." Liquid crystal technology is more mature, but to survive in the harsh environment of outer space, it may need to evolve higher resistance to ultraviolet and other forms of ionizing radiation, Perhaps the most promising long-term technology is the addressable quantum dot array. However, for broadly programmable applications-particularly in aerospace-the issue of temperature sensitivity must be brought under control. This may involve direct temperature control of the active surfaces or development of high-bandgap material systems for which the coefficient of thermal expansion and bandgap versus temperature slope are both small, In addition, shielding the metallic nanostructures against interference from stray electric or magnetic fields will be very important and may rely on as-yet-undeveloped techniques or materials (for example, high­ temperature superconductors), However, the vast potential of programmable materials and devices, as well as the clear advantages they hold in certain earthly and aerospace applications where traditional material limitations clearly constrain functionality, should not be underestimated. Building and vehicle skins, sensors, and windows are three areas that particularly lend themselves to enhancement with multifunctional materials, and the commercial advantages of developing these will be considerable. As with transistors, LEDs, LCDs, integrated circuits and other late 20th century technologies, the economic imperatives are likely to overcome many significant technological barriers, and by 2050 it seems likely that our grandchildren will have difficulty imagining a world where these objects are made from traditional, inert materials. Their relationship to material objects UNCLASSIFIED//liQA QFFIGIAk Wlii a,...v 15

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TRECHO 12 · PÁGINA FÍSICA 2

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) Aplicações Aeroespaciais da Matéria Programável Preparado por: Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) Escritório de Alerta de Defesa Diretoria de Análise Agência de Inteligência de Defesa Autor: AAP Person 90 Nota administrativa AVISO DE DIREITOS AUTORAIS: não é autorizada a disseminação adicional das fotografias desta publicação. Este produto faz parte de uma série de relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2009 no âmbito das Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados (AAWSA) do Escritório de Alerta de Defesa da Agência de Inteligência de Defesa. O nome de quem responde pelo programa está coberto por tarja no original. Comentários ou perguntas sobre este documento devem ser dirigidos a AAP Person 1, Gerente do Programa AAWSA, Agência de Inteligência de Defesa, ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340-5100. NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) ii

Nota editorial: Folha de expediente: autoria anônima, divisão da DIA responsável e aviso sobre as fotografias.

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UNCLASSIFIED / /P'9R 9fP'!@IIIIL ~!IE 8HLY Aerospace Applications of Programmable Matter Prepared by: Acqu isit ion Suppo rt Div ision (DW0 - 3 ) Defense Warnin g Offic e Directorate for Analysis Defe nse I ntelligence Agency Author : AAP Person 90 Adm inistrativ e N ote COPYRIGHT WARNING: Further dissemination of the photographs in this publicat ion is not authorized . This product is one in a series of advanced technology reports produced in FY 2009 under the Defense Intelligence Agency, Defense Warning Office's Advanced Aerospace Weapon System Applications (AAWSA}.,..,i..i.~u.u.u.....:...w.i..u.u~i..i,....w.i....cUestions pertaining to this document should be addressed to AAP Person 1 AAWSA Program Manager, Defense Intelligence Agency, ATTN: CLAR DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340 - 5100. UNCLASSIFIED//508 QEEICJtk 1:161! 8HL'l ii

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TRECHO 13 · PÁGINA FÍSICA 20

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) pode ser análoga à nossa relação atual com gráficos eletrônicos, arquivos de dados e páginas e documentos da web. Não pensamos duas vezes em "ajustá-los" uma e outra vez, de um modo que não poderíamos fazer se estivessem simplesmente impressos em papel; de fato, esperamos que tais arquivos sejam "documentos vivos" que mudam com tanta frequência quanto o mundo ao redor. A maioria de nós teria dificuldade em se adaptar à tecnologia de até 30 anos atrás. Por fim, com qualquer tecnologia emergente, o número e o alcance dos "desconhecidos desconhecidos" pode ser considerável. Algumas coisas que parecem fáceis agora podem, na verdade, revelar-se extremamente difíceis. Em sentido inverso, muitos problemas aparentemente assustadores têm soluções notavelmente simples. De fato, os problemas enfrentados, e resolvidos, pelos materiais programáveis avançados em 2050 podem ser impossíveis de prever hoje com exatidão ou confiança. Em vez disso, temos de arregaçar as mangas e começar a experimentar. Conclusões Muitos elementos do cenário anterior se baseiam em tecnologias atuais e emergentes; outros são especulativos. No entanto, se mesmo uma fração dessas possibilidades se tornasse realidade em espaçonaves tripuladas e não tripuladas, os ganhos em eficiência energética, redução de massa, segurança, conforto e flexibilidade de missão poderiam ser extremamente significativos e valer bem o esforço. Tudo o que se precisa é de um compromisso de desenvolver as tecnologias subjacentes. 1. <en.wiktionary.org>: "atom" [referências bibliográficas no original] 2. McCarthy, Wil: [referências bibliográficas no original], Basic Books, março de 2003 3. [referências bibliográficas no original], McGraw-Hill Construction, 2008 4. Graham-Rowe, Duncan: [referências bibliográficas no original], New Scientist, 21 de abril de 2001 5. Joshua Apte, Dariush Arasteh e Yu Joe Huang: relatório ASHRAE KC-03-12-3, [referências bibliográficas no original], ASHRAE Transactions, volume 109, parte 2, 2003 6. Pesquisa interna e modelagem na RavenBrick LLC, 2006-2009 7. Site institucional da Innovative Specialty Films, janeiro de 2003, <http://web.archive.org/web/20021121182945/http://www.isfilms.com/> 8. [referências bibliográficas no original], Window Film, volume 12, número 4, julho/agosto de 2008 9. <http://www.articlesbase.com/environment-articles/the-most-efficient-solar-cell-in-the-world-853223.html> NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 16

Nota editorial: Conclusão do estudo, que reconhece o caráter especulativo de parte do cenário, e lista de referências.

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UNCLASSIFIED/ /P91t 8ffll!lsl,ils: Y&E Q•ILY may be analogous to our present-day relationships with electronic graphs, data files, and web pages and documents. We think nothing of "tweaking" these over and over again in a way that we could not if they were simply printed on paper; indeed, we expect such files to be "living documents" that change as frequently as the world around them changes. Most of us would have a difficult time adapting to the technology of even 30 years ago. Finally, with any emerging technology, the number and scope of "unknown unknowns" may be considerable. Some things that appear easy now may in fact turn out to be extremely difficult. Conversely, many seemingly daunting problems turn out to have remarkably simple solutions. Indeed, the problems faced by-and solved by!-advanced programmable materials in 2050 may be impossible to forecast today with any accuracy or confidence. Rather, we must roll up our sleeves and begin experimenting. Conclusions Many elements of the preceding scenario are based on current and emerging technologies; others are speculative. However, if even a fraction of these possibilities were to become reality in crewed and crewless spacecraft, the gains in energy efficiency, mass reduction, safety, comfort, and mission flexibility could be extremely significant and well worth pursuing. All that is needed is a commitment to develop the underlying technologies. 1. <en.wiktionary.org >: "atom" 2. McCarthy, Wil: Hacking Matter, Basic Books, March 2003 3. "Global Green Building Trends," McGraw-Hill Construction, 2008 4. Graham-Rowe, Duncan: Cool colours, man, New Scientist, 21 April 2001 5. Joshua Apte, Dariush Arasteh, and Yu Joe Huang: ASHRAE report KC-03-12-3, "Future Advanced Windows or Zero-Energy Homes," ASHRAE Transactions, Volume 109, Part 22003 6. Internal research & modeling at RavenBrick LLC, 2006-2009 7. Innovative Specialty Films corporate website, January 2003, <http ://web.archive.org/web/20021121182 945/http://www. isfilms.com/> 8. "At a Crossroad," Window Film, Volume 12, Issue 4 - July/August 2008 9. <http://www.articlesbase.com/environment-articles/the-most-efficient-solar-cel l-in-the-world-8532 23. html> UNCLASSIFIED/ /l'tUt err!EIAL USE 01\Lf 16

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TRECHO 14 · PÁGINA FÍSICA 3

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) Sumário Introdução ........ iv Quatro tipos de átomos ........ 1 Átomos naturais ........ 1 Pontos quânticos ........ 1 Fotônica e metamateriais ........ 3 Cristais líquidos ........ 4 Materiais "impossíveis" ........ 5 Vantagens dos materiais dinâmicos ........ 5 Comercialização inicial de materiais inteligentes ........ 8 Gestão térmica de espaçonaves ........ 9 Revestimentos de espaçonaves que captam energia ........ 11 Conceitos avançados em materiais programáveis ........ 12 Cenário de possíveis aplicações ........ 13 Direções para pesquisas futuras ........ 14 Conclusões ........ 16 Figuras 1. Níveis de energia de um metal e de um semicondutor ........ 2 2. Ponto quântico ........ 3 3. Materiais programáveis ........ 3 4. Fibra Wellstone ........ 6 5. Vistas diversas dos filtros RavenWindow e RavenLight nos estados frio (transparente) e quente (refletor) ........ 8 6. Desempenho da película de janela inteligente RavenWindow em comparação com os principais filtros de janela já existentes ........ 9 7. Bomba de calor de junção Peltier ........ 10 Tabelas 1. Consumo diário de energia de uma residência (EUA, 1993-1997) ........ 11 iii NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)

Nota editorial: Sumário, lista de figuras e tabela do estudo.

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UNCLASSIFIED/ /lrQR &Ffl@l!illt ts:SE 014Lf Contents Introduction ........................................................................................................... iv Four Kinds of Atoms ................................................................. ,........... ,................... 1 Natural Atoms .................................................................................................... 1 Quantum Dots ............................................................ , ..................................... ...... 1 Photonics and Metamaterials ............................................................................. 3 Liquid Cry-stals ..................................................................................... ........................ 4 "Impossible" Materials ........................................................................................... 5 Advantages of Dynamic Materials ................................................................................... 5 Early Commercialization of Smart Materials ........................................................... 8 Thermal Management of Spacecraft ... .,. ........................................................................... 9 Energy-Scavenging Spacecraft Skins .................................. , ........................ .............. 11 Advanced Concepts in Programmable Materials ................................................... 12 Scenario for Possible Applications .................................................................... ............. 13 Directions for Future Research •• ■■ Ill ■ ••111111u "'"'."""' ■■••••■••■ 111111,.,, .. .. ~ ......... 'II .... , •• ■~- ...... '""'"'"'"• • ■ ~ •··••11• 14 Conclusions .......................................................................................................... 16 Figures 1. Energy Levels of a Metal and a Semiconductor ................................................ ,,, 2 2. Quantum Dot ......................................................................... , ............................................. 3 3. Programmable Materials .................................................................................... 3 4. Wellstone Fiber .................................................................................... .............. 6 5. Assorted views of RavenWindow and RavenLight Filters in the Cold (Transparent) and Hot (Reflective} State ........................................................... 8 6. RavenWindow Smart Window Film Performance vs. Leading Incumbent Window Filters ..................................................................... ................................................. 9 7. Peltier Junction Heat Pump ..................................................................................... 10 Tables 1. Daily Household Energy Consumption (USA, 1993-1997) ..................... ............ 11 iii UNCLASSIFIED/ /1'9R 81'1'1Elsllll: W&& 8~...¥

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TRECHO 15 · PÁGINA FÍSICA 4

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) Aplicações Aeroespaciais da Matéria Programável Introdução Para os donos de um satélite de 100 milhões de dólares, um satélite de transmissão de TV, por exemplo, evitar a falência muitas vezes depende de que a espaçonave continue em boa saúde até que seu substituto programado esteja em órbita. Infelizmente, são possíveis numerosos modos de falha, entre eles fusíveis queimados, sensores com defeito e painéis solares com queda de tensão. A característica comum da maioria dessas falhas é que não podem ser reparadas a partir do solo. Além disso, normalmente não é possível reaproveitar uma espaçonave ou seus componentes para novos serviços que ninguém previu na época da fabricação. De um modo ou de outro, é preciso um novo satélite. No entanto, quando sensores, filtros, emissores e painéis solares fotovoltaicos são feitos de materiais inteligentes de Matéria Programável, a solução para uma falha de componente ou para um novo requisito de missão pode ser tão simples quanto uma atualização de software. Outras vantagens dos materiais dinâmicos incluem a gestão avançada de energia e a captação de energia de várias fontes. Os materiais inteligentes podem até criar novas capacidades defensivas, como camuflagem ao estilo dos camaleões, desvio de feixes de laser e até invisibilidade total. Se se tornar possível alterar as propriedades de certos materiais sob demanda, com base em instruções acionadas remotamente, os benefícios para espaçonaves, tanto tripuladas quanto autônomas, serão consideráveis. Este documento técnico, que de modo algum é uma referência exaustiva, pretende servir de introdução aos princípios por trás dos materiais inteligentes e a suas possíveis aplicações aeroespaciais nos próximos 50 anos. NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) iv

Nota editorial: Introdução: a matéria programável como resposta futura a falhas de satélite, com menção a camuflagem e invisibilidade.

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UNCLASSIFIED/ j FOR OFFICIAL O!JE OIILT Aerospace Applications of Programmable Matter Introduction For the owners of a $100 million satellite-a TV broadcast satellite, for example-avoiding bankruptcy often depends on the spacecraft's continued good health until its scheduled replacement is in orbit. Unfortunately, numerous failure modes are possible, including blown fuses, failed sensors, and browned-out solar arrays. The common trait of most such failures is that they cannot be repaired from the ground. In addition, it is not typically possible to repurpose a spacecraft or its components for new services that no one foresaw at the time of manufacture. Either way, a new satellite is required. However, when sensors, filters, emitters, and photovoltaic solar panels are made of Programmable Matter smart materials, the solution to a component failure or new mission requirement might be as simple as a software update. Other advantages of dynamic materials include advanced energy management and energy scavenging from a variety of sources. Smart materials can even create new defensive capabilities, such as chameleon-style camouflage, deflection of laser beams, and even outright invisibility. If it becomes possible to change the properties of certain materials on demand, based on remotely triggered instructions, the benefits for spacecraft-both crewed and autonomous-will be considerable. This white paper-by no means an exhaustive reference-is intended to serve as a primer on the principles behind smart materials and their possible aerospace applications over the next 50 years. UNCLASSIFIED//liQR Qfli1&'10L: P!iii Ctr! Y iv

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TRECHO 16 · PÁGINA FÍSICA 5

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) Quatro tipos de átomos Toda a matéria é feita de átomos e deriva suas propriedades, em parte, do fato de que os átomos são objetos discretos, mas tão pequenos e tão próximos uns dos outros que as ondas de luz não conseguem "vê-los" individualmente. Por extensão, os campos elétricos e magnéticos também não. Para um fóton, ou para uma grande corrente elétrica, a matéria parece ser feita de substâncias contínuas, e não de blocos discretos. Esse fato é decisivo para entender as propriedades ópticas, elétricas e até térmicas dos materiais. Igualmente importantes são as descobertas das últimas décadas, que mostram ao menos quatro tipos diferentes de "átomos" que se enquadram nessa mesma descrição geral. ÁTOMOS NATURAIS Os átomos naturais são os 92 elementos da tabela periódica. Na verdade há mais, mas os demais têm núcleos instáveis que acabarão se desfazendo em átomos menores e partículas subatômicas soltas, capazes de danificar os materiais ao redor. Para fins de engenharia, isso os torna blocos de construção pouco confiáveis. No entanto, 92 blocos de construção permitem um número espantoso de combinações, e todos os materiais que conhecemos, os naturais, como o carvão e os diamantes, os antigos, como o bronze e o vidro, e os modernos, como o carboneto de silício e o arseneto de gálio, são meras esculturas de "Tinkertoy" (brinquedo de montar) feitas com esses átomos naturais. PONTOS QUÂNTICOS Um ponto quântico é um agrupamento muito pequeno de elétrons fortemente confinados, cujo comportamento coletivo se parece com o de um átomo natural. Por isso, os pontos quânticos às vezes são chamados de "átomos artificiais". Para descrever como esse truque é feito, é preciso antes falar dos elétrons e de como eles se comportam. A maioria dos materiais é condutora, o que permite o livre fluxo de elétrons, ou isolante, o que o dificulta. Os semicondutores são isolantes capazes de conduzir elétrons acima de certa energia limiar, um truque útil que torna possíveis os circuitos integrados e outros componentes eletrônicos. O semicondutor mais conhecido é o silício, usado para fazer a grande maioria dos microchips dos produtos eletrônicos de consumo e industriais de hoje. Como o óxido nativo do silício, o SiO2, é o principal componente da areia e das rochas, ele é facilmente encontrado e relativamente barato. Além disso, quando fundido, purificado e endurecido em chapas, o dióxido de silício serve como um dos nossos isolantes e materiais de construção mais conhecidos: o vidro. Ao contrário da maioria dos outros semicondutores, o silício também não é tóxico. As propriedades elétricas de um semicondutor como o silício são, é claro, fixadas pelas leis da física. Os átomos mantêm os elétrons em camadas que aumentam de tamanho, de capacidade e de energia potencial quanto mais longe estão do núcleo. Os elétrons de "valência" encontram-se em camadas cheias (ou quase cheias), onde há poucos espaços vazios por onde os elétrons possam se mover. Esses elétrons tendem a ficar em casa, de modo que seus níveis apresentam grande resistência elétrica e não permitem a passagem de eletricidade. Os elétrons de "condução" encontram-se em camadas que estão mais da metade vazias e têm muito espaço livre, o que permite que os elétrons se desloquem livremente por elas e passem com facilidade de um átomo a outro. Entre essas camadas há uma "banda proibida" (band gap) de energias vedadas. Ali não existem elétrons, nunca. NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 1

Nota editorial: Primeira página do texto: átomos naturais e pontos quânticos, as bandas de energia dos elétrons.

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UNCLASSIFIED//FQR 8Ffl@l!illt ~9E tHILI Four Kinds of Atoms All matter is made of atoms and derives its properties, in part, from the fact that atoms are discrete objects yet are so small and so close together that light waves cannot "see" them individually. By extension, neither can electric and magnetic fields. To a photon, or to a large electrical current, matter appears to be made up of continuous substances rather than discrete building blocks. This fact is critically important in understanding the optical, electrical, and even thermal properties of materials. Equally important are the discoveries of recent decades, showing at least four different kinds of "atoms" that meet this same general description. NATURAL ATOMS Natural atoms are the 92 elements of the periodic table. Actually there are more, but the rest have unstable nuclei that will eventually fly apart Into smaller atoms and loose subatomic particles that can damage the materials around them. For engineering purposes, this makes them unreliable building blocks. However, 92 building blocks allow for a staggering number of combinations, and all the materials with which we are familiar-natural ones like coal and diamonds, ancient ones like bronze and glass, and modern ones like silicon carbide and gallium arsenide-are merely "Tinkertoy" sculptures of these natural atoms. QUANTUM DOTS A quantum dot is a very small grouping of tightly confined electrons whose collective behavior resembles that of a natural atom. For this reason, quantum dots are sometimes known as "artificial atoms." To describe how this trick is accomplished, it is first necessary to talk about electrons and how they behave. Most materials are either conductors, which permit the free flow of electrons, or insulators, which resist it. Semiconductors are insulators that are capable of conducting electrons above a certain threshold energy-a useful trick that makes integrated circuits and other electronics possible. The most familiar semiconductor is silicon, which is used to make the vast majority of microchips found in tod;;iy's consumer ;;ind industri;;il electronics. Aecl;'l~1se silicon's n;;itive Q){ide, SiO?, is the main component of sand and rocks, it is readily available and relatively inexpensive. In addition, when melted, purified, and hardened into sheets, silicon dioxide serves as one of our familiar insulators and building materials: glass. Unlike most other semiconductors, silicon is also nontoxic. The electrical properties of a semiconductor like silicon are of course fixed by the laws of physics. Atoms hold electrons in shells that increase in size, capacity, and potential energy the farther they are from the nucleus. "Valence" electrons are found in full (or nearly full) shells, where there are few empty spaces through which electrons can move. These electrons tend to stay at home, so their levels exhibit a large electrical resistance and do not permit electricity to flow. "Conduction" electrons are found in shells that are more than half-empty and have lots of open space, enabling electrons to travel freely through them and move easily from one atom to another. Between these layers is a "band gap" of forbidden energies. Here, there exist no electrons at all-ever. UNCLASSIFIED/ /1'8R: err1e111111: l!ll!H! 8Hlf{ 1

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TRECHO 17 · PÁGINA FÍSICA 6

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) [Figura 1: diagrama de dois painéis, "Metal" e "Semicondutor", com o eixo vertical de energia. Rótulos: Banda de Valência, Banda de Condução, Banda Proibida (Band Gap).] Figura 1. Níveis de energia de um metal e de um semicondutor. Em um metal, muitos elétrons residem na banda de condução e podem ser empurrados para os átomos vizinhos com apenas um pequeno acréscimo de energia térmica ou elétrica. Em um semicondutor, é preciso primeiro acrescentar energia suficiente para excitar o elétron para fora da banda de valência, através da banda proibida, até a banda de condução. Assim, para conduzir eletricidade, os semicondutores exigem tensões e temperaturas muito mais altas do que os metais. Os elétrons abaixo da banda proibida de um semicondutor comportam-se como se estivessem em um isolante, enquanto os elétrons acima dela se comportam como se estivessem em um condutor. Eles fluem com facilidade e podem ser usados para armazenar ou transportar energia e informação. A diferença entre um metal e um isolante é que a camada eletrônica mais externa de um átomo de metal está mais da metade vazia. Ele tem muitos elétrons de condução e muito espaço para que se movimentem. Um material isolante, como o enxofre, tem uma camada externa quase completamente preenchida. Todos os seus elétrons são elétrons de valência, caseiros que não gostam de viajar. Os semicondutores têm camadas externas aproximadamente pela metade. Com a entrada de energia, seus elétrons podem saltar para um nível mais alto onde encontram espaço livre para circular. Elétrons de condução também podem ser "doados" por átomos vizinhos. Um "ponto quântico" é simplesmente uma estrutura muito pequena, em geral da ordem de 5 a 20 nanômetros, que contém um número modesto de elétrons de condução, os quais ela confina nas três dimensões e impede de sair da estrutura. Além disso, como o princípio da incerteza de Heisenberg exige que a incerteza de posição aumente quando o momento da partícula é restringido, os elétrons aprisionados não conseguem manter uma posição bem definida e se comportam como ondas estacionárias que se parecem com os orbitais de um átomo natural e apresentam muitas das mesmas propriedades. No entanto, há duas grandes diferenças entre um ponto quântico e um átomo natural. Primeiro, há muito mais de 92 configurações possíveis, na verdade um número infinito, para os elétrons confinados. Assim, com os pontos quânticos é possível criar átomos sob medida, com propriedades que simplesmente não existem na tabela periódica. Se quisermos, NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 2

Nota editorial: Figura 1 (bandas de energia de metais e semicondutores) e definição de ponto quântico como átomo artificial.

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UNCLASSIFIED// FOR OFFICIAL USE 01\Lf Valence Band ----► Conduction Band >­CJ a: w Conduction Bandz w Band Gap CJ z C/) <( w a: () z Metal Semiconductor Figure 1. Energy Levels of a Metal and a Semiconductor. In a metal, many electrons reside in the conduction band and can be pushed to neighboring atoms with only a tiny addition of thermal or electrical energy. In a semiconductor, enough energy must first be added to excite the electron out of the valence band, across the band gap, and into the conduction band. Thus, to conduct electricity, semiconductors require much higher voltages and temperatures than do metals. Electrons below the band gap of a semiconductor behave as though they were in an insulator, while electrons above the band gap behave as though they were in a conductor. They flow easily and can be used to store or transport energy and information. The difference between a metal and an insulator is that the outermost electron shell of a metal atom is more than half-empty. It has lots of conduction electrons and lots of room for them to move around. An insulating material, such as sulfur, has an outer shell that is almost completely filled. All its electrons are valence electrons­ homebodies that do not like to travel. Semiconductors have outer shells that are approximately half-filled . With the input of energy, their electrons can jump to a higher level where they find open space to travel through. Conduction electrons can also be "donated" by neighboring atoms. A "quantum dot" is simply a very small structure-usually on the order of 5-20 nanometers-that contains a modest number of conduction electrons, which it confines in all three dimensions and prevents from leaving the structure. In addition, because the Heisenberg uncertainty principle requires position uncertainty to increase when particle momentum is restricted, the trapped electrons are unable to hold a well-defined position and instead behave as standing waves that resemble the orbitals of, and exhibit many of the same properties as, a natural atom. However, there are two major differences between a quantum dot and a natural atom. First, there are far more than 92 possible configurations-an infinite number, in fact­ for the confined electrons. Thus, with quantum dots it is possible to create designer atoms with properties that simply do not occur on the periodic table. If we want to, we UNCLASSIFIED/ /FOR Offl@IAL l:t:91!! 9NLY 2

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TRECHO 18 · PÁGINA FÍSICA 7

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) podemos exercer controle preciso sobre suas propriedades ópticas, elétricas, térmicas e magnéticas, em vez de apenas escolher essas propriedades no catálogo limitado que a natureza oferece. [Figura 2: esquema de um ponto quântico, com o rótulo "Barreira".] Figura 2. Ponto quântico. Um ponto quântico confina elétrons em um volume de espaço muito pequeno, obrigando-os a se comportar como ondas estacionárias. Sua estrutura se assemelha, assim, às nuvens de elétrons, ou "orbitais", de um átomo. Segundo, é possível bombear elétrons para dentro e para fora de um ponto quântico usando campos elétricos. Assim, em vez de um único material sob medida, é possível criar um material programável cujos "átomos" podem ser alterados sob demanda, permitindo uma variedade de propriedades do material que é limitada, mas infinita, e que pode ser chamada ou dispensada à vontade. [Figura 3: esquemas de estruturas com rótulo "Elétrons confinados".] Figura 3. Materiais programáveis. Várias estruturas usam campos elétricos para variar as propriedades de confinamento dos pontos quânticos e podem ser montadas em materiais maciços. FOTÔNICA E METAMATERIAIS As características "sub-comprimento de onda" são objetos implantados em um material transparente, ou embutidos nele, que são maiores que átomos ou moléculas, mas menores que um comprimento de onda da luz. Elas podem ter efeitos significativos sobre as propriedades ópticas do material, pois mudam a maneira como ele responde aos campos elétricos e magnéticos. No entanto, como são pequenas demais para serem "vistas" pelos fótons que interagem com elas, não bloqueiam diretamente a passagem da luz. O resultado é um material transparente cujas propriedades ópticas NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 3

Nota editorial: Figuras 2 e 3 (ponto quântico e materiais programáveis) e introdução à fotônica e aos metamateriais.

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UNCLASSIFIED//f8R 8FFHilAI: Wli& (Ulkl/ can exert precise control over their optical, electrical, thermal, and magnetic properties rather than simply selecting these properties from the limited catalog nature has provided. Barrier Figure 2. Quantum Dot. A quantum dot confines electrons in a very small vol ume of space, forcing the m to behave as standing waves. Their structure t hus resembles the electron clouds or "orbitals" of an atom. Second, it is possible to pump electrons in and out of a quantum dot using electric fields. Thus, instead of a single designer material, it is possible to create a programmable material whose "atoms" can be changed on demand, allowing a bounded but infin ite variety of material properties that can be summoned or dismissed at will. .......!.!.... :::r: Confined ___,,___ Electrons Figure 3. Programmable Materials. Various structures use electr ic fields to vary the confinement properties of quantum dots and can be assembled into bulk materials. PHOTONICS AND METAMATERIALS "Sub-wavelength" features are objects implanted on or embedded in a transparent material that are larger than atoms or molecules but smaller than a wavelength of light. They can have significant effects on the optical proper ties of the material, since they change the way it responds to electric and magnetic fields. However, because they are too small to be "seen" by the photons interacting with them, they do not directly block the passage of light. The result is a transparent material whose optical properties UNCLASSIFIED/ /F&R &FFi&iAk W&& &•lk\f 3

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TRECHO 19 · PÁGINA FÍSICA 8

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NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) (permissividade, permeabilidade, índice de refração e coeficientes de reflexão, transmissão e absorção) não correspondem necessariamente às de nenhum material natural. Os cristais fotônicos exploram esse princípio variando a densidade ou o índice de refração de um material de maneira regular e periódica. Assim como a luz é afetada pelo espaçamento dos átomos em um cristal natural, ela pode ser afetada pelo espaçamento (muito maior) das características sub-comprimento de onda em um cristal fotônico. Os cristais fotônicos podem, portanto, refletir com eficiência alguns comprimentos de onda da luz e absorver, transmitir, curvar ou espalhar outros. Isso pode ser útil, por exemplo, nas telecomunicações, em que uma única fibra óptica pode transportar milhares de sinais diferentes. Como efeitos semelhantes ocorrem naturalmente em muitas gemas (a opala, por exemplo), os cristais fotônicos também podem servir de gemas artificiais. Enquanto os cristais fotônicos costumam ser isolantes, outra classe de materiais, as chamadas super-redes, é feita de semicondutores, metais e outras substâncias empilhados em camadas muito finas. Esses materiais "parecem" cristais para os elétrons e fótons que passam por eles, mas podem ter propriedades que não ocorrem, ou ocorrem só fracamente, na natureza. Dois exemplos são os materiais "magnetorresistivos", feitos de camadas alternadas de ferro e de um material não magnético como o cromo. Mesmo em quantidades minúsculas, esses materiais podem ser usados para detectar campos magnéticos com sensibilidade muito maior do que qualquer material natural e são muito usados em discos rígidos e bússolas digitais. Em um "metamaterial", as características sub-comprimento de onda são metais condutores cercados por um material dielétrico transparente, como vidro, ar ou espaço vazio. Da mesma forma que uma haste de metal interage com as ondas de rádio e pode, por isso, servir de antena, os "átomos" de um metamaterial criam fortes ressonâncias em comprimentos de onda específicos, que podem ter efeitos mais profundos sobre a luz do que qualquer um dos sistemas de materiais descritos acima. O mais conhecido deles é o índice de refração negativo, propriedade que permite aos materiais curvar a luz "do jeito errado" e, assim, desafiar as leis da óptica clássica. CRISTAIS LÍQUIDOS Embora tenham sido descobertos no fim do século XIX e sejam usados em telas de vídeo desde a década de 1960, os cristais líquidos podem ser vistos como uma tecnologia avançada do século XXI que, de algum modo, voltou no tempo. São, em essência, um quarto estado da matéria, com algumas propriedades de um líquido e outras de um sólido cristalino. Além disso, são "birrefringentes", isto é, têm índice de refração diferente conforme o ângulo ou a direção da luz que os atravessa. Podem funcionar como cristais fotônicos e, sob a influência da luz, do calor, de campos elétricos e magnéticos e de camadas de alinhamento mecânicas ou químicas, podem ser rearranjados de um momento para outro, de modo que suas propriedades ópticas se transformam. Hoje as pessoas estão acostumadas a pensar nos cristais líquidos como os pixels de uma tela de vídeo. No entanto, suas capacidades vão muito além. Com um projeto adequado do substrato e a aplicação de campos elétricos e de outros mecanismos de alinhamento ou desalinhamento, os cristais líquidos podem ser usados para bloquear, curvar, focalizar, espalhar, refletir, transmitir, torcer, polarizar, difundir e absorver a luz de forma reversível, em combinações ilimitadas. NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 4

Nota editorial: Cristais fotônicos, super-redes, metamateriais e cristais líquidos, com propriedades ópticas ajustáveis.

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UNCLASSIFIED/ /P9R err1e11111:: W&I &His¥ (permittivity, permeability, index of refraction, and coefficients of reflection, transmission, and absorption) do not necessarily match those of any natural material. Photonic crystals exploit this principle by varying the density or refractive index of a material in a regular, periodic way. Just as light is affected by the spacing of atoms in a natural crystal, it can be affected by the (much larger) spacing of sub-wavelength features in a photonic crystal. Thus, photonic crystals can efficiently reflect some wavelengths of light while absorbing, transmitting, bending, or scattering others. This can be useful, for example, in telecommunications, where a single optical fiber may carry thousands of different signals. Because similar effects occur naturally in many gemstones (opal, for example), photonic crystals can also serve as artificial gems. Whereas photonic crystals are generally insulators, another class of materials-called superlattices-is made from semiconductors, metals, and other substances stacked in very thin layers. Such materials "look" like crystals to the electrons and photons moving through them but can have properties that do not occur-or occur only weakly-in nature. Two examples are "magnetoresistive" materials made from alternating layers of iron and a nonmagnetic material such as chromium, Even in very tiny quantities, such materials can be used to sense magnetic fields with much greater sensitivity than can any natural material and are widely used in hard disk drives and digital compasses. In a "metamaterial," the sub-wavelength features are conductive metals surrounded by a transparent dielectric material such as glass, air, or empty space. In much the same way a metal rod interacts with radio waves and can thus serve as an antenna, the "atoms" of a meta material create strong resonances at particular wavelengths that can have more profound effects on light than can any of the material systems described above. The best known of these is negative index of refraction, a property that allows materials to bend light "the wrong way" and thus defy the laws of classical optics. LIQUID CRYSTALS Although they were discovered in the late 19th century and have been used in video displays since the 1960s, liquid crystals can be thought of as an advanced 21st century technology that somehow fell backward in time. They are essentially a fourth state of matter, possessing some properties of a liquid and some of a crystalline solid. In addition, they are "birefringent," meaning they have a different index of refraction, depending on the angle or direction of light passing through them. They are capable of serving as photonic crystals, and under the influence of light, heat, electric and magnetic fields, and mechanical or chemical alignment layers, they can be rearranged at a moment's notice so that their optical properties are transformed. Today, people are accustomed to thinking of liquid crystals as pixels in a video display, However, their capabilities extend far beyond this. With proper substrate design and the application of electric fields and other alignment or disalignment mechanisms 1 liquid crystals can be used to reversibly block, bend, focus, scatter, reflect, transmit, twist, polarize, diffuse, and absorb light in limitless combinations. UNCLASSIFIED/ /FOR 0551&:ilirllk W&lii &HI::¥ 4

Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 8, contando a capa.

TRECHO 20 · PÁGINA FÍSICA 9

página inteira

NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) Materiais "impossíveis" Quando materiais naturais são moldados e combinados de maneiras macroscópicas, torna-se possível produzir o que Roger Bacon descreveu como "magia natural": dispositivos como espelhos, lentes, polarizadores, ímãs, fios, semicondutores, corantes fluorescentes e telas fosforescentes que brilham no escuro. Tomamos esses dispositivos como coisa corriqueira, mas para nossos ancestrais primitivos teriam parecido sobrenaturais, como de fato são, no sentido de que não ocorrem na natureza. No entanto, ao combinar os mesmos materiais de maneiras nanoestruturadas, alcançamos uma magia de ordem superior: espelhos de Bragg que refletem um único comprimento de onda e transmitem todos os outros, superlentes que desafiam o limite de difração de Newton para focalizar com uma nitidez pouco natural, ímãs superfortes que medem o mundo ao redor com sensibilidade sem precedentes, materiais fotoluminescentes que absorvem luz numa ampla faixa de comprimentos de onda e a reemitem em uma única cor brilhante. Em breve talvez tenhamos supercondutores de alta temperatura e até materiais funcionalmente invisíveis. Um desses materiais "impossíveis" hipotéticos é o "metapolarizador" nanoestruturado. Enquanto os polarizadores clássicos refletem ou absorvem metade da luz que os atinge (o que costuma resultar em desperdício de energia de 50 por cento ou mais), um metapolarizador simplesmente ignora uma polaridade da luz e converte, gira ou "retarda" a outra. Esse princípio pode ser aproveitado, por exemplo, para dobrar a duração da bateria da tela de um laptop ou para dobrar o brilho de uma TV de tela plana. No entanto, mesmo esses materiais mágicos são "estáticos", isto é, suas propriedades são fixadas na época da fabricação. A maior revolução da ciência dos materiais pode vir, de fato, de materiais capazes de mudar suas propriedades sob demanda. Vantagens dos materiais dinâmicos Deixando para trás o mundo dos materiais estáticos, chegamos a uma espécie de magia programável, cujos frutos já incluem espelhos comutáveis, filtros ópticos dinâmicos, lentes deformáveis, ímãs e polarizadores que aparecem e desaparecem por comando. Menos glamorosas, mas igualmente importantes, são capacidades "de bastidores" como a condutividade elétrica ajustável, os semicondutores de banda proibida ajustável, os lasers ajustáveis e os cristais fotônicos ajustáveis. No entanto, o exemplo máximo dos materiais sob medida serão os materiais inteligentes multifuncionais, capazes não só de ligar e desligar uma propriedade específica, mas de mudar suas propriedades, e até sua própria finalidade, sob demanda. NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original) 5

Nota editorial: Materiais "impossíveis", o metapolarizador hipotético e a passagem dos materiais estáticos para os dinâmicos.

Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ j FOR OFFICIAL t,!E 9HLY "Impossible " Materials When natural materials are shaped and combined in macroscopic ways, it becomes possible to produce what Roger Bacon described as "natural magic": devices such as mirrors, lenses, polarizers, magnets, wires, semiconductors, fluorescent dyes, and phosphorescent screens that glow in the dark. We take these devices for granted, but to our primitive ancestors they would have seemed supernatural, as indeed they are in the sense of not occurring naturally. However, by combining the same materials in nanostructured ways, we achieve a higher order of magic: Bragg mirrors that reflect a single wavelength while transmitting all others, superlenses that defy Newton's diffraction limit to focus with unnatural sharpness, superstrong magnets that measure the world around them with unprecedented sensitivity, photoluminescent materials that absorb light in a broad range of wavelengths and re-emit it in a single brilliant color. Soon we may have high­ temperature superconductors and even materials that are functionally invisible. One such "impossible" material hypothesized is the nanostructured "metapolarizer." Where classical polarizers either reflect or absorb half the light that hits them (typically resulting in energy wastage of SO percent or higher), a metapolarizer simply ignores one polarity of light and converts or rotates or "retards" the other. This principle can be harnessed, for example, to double the battery life of a laptop display or to double the brightness of a flat-screen TV. However, even these magical materials are "static"; that is, their properties are fixed at the time of manufacture. The greatest revolution in materials science may in fact come from materials capable of changing their properties on demand. Advantages of Dynamic Materials Leaving behind the world of static materials, we come to a sort of programmable magic whose fruits already include switchable mirrors, dynamic optical filters, deformable lenses, magnets and polarizers that appear and disappear on command. Less glamorous but equally important are such "behind the scenes" capabilities as tunable electrical conductivity, tunable bandgap semiconductors, tunable lasers, and tunable photonic crystals. However, the ultimate exemplar of designer materials will be multifunctional smart materials, which are capable not only of switching a particular property on and off but of changing their properties-indeed, their very purpose-on demand. UNCLASSIFIED/ /F9A 8FFUiiili11J11 Wiili 1'UILY 5

Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 9, contando a capa.

Datas e contexto documental

Acontecimento
Não estabelecida — Não há evento observado: é um estudo técnico de revisão de conceitos.
Documento
14/12/2009 — Data de 14/12/2009 e data de corte (ICOD) de 01/12/2009, na capa.
Publicação
Não estabelecida — A data de liberação pública não consta destas páginas.

Origem e divulgação

Defense Intelligence Agency (DIA), Defense Warning Office, Acquisition Support Division (DWO-3); programa AAWSA · DOW-UAP-D118_AAWSAP-DIRD-Aerospace-Applications-of-Programmable-Matter-December-14-2009.pdf

Páginas físicas 1 a 20; capa com data de 14/12/2009, expediente na p. 2, sumário na p. 3, texto principal nas pp. 4 a 19 e conclusões e referências na p. 20.

Relatos relacionados e suas diferenças

Perguntas para continuar a investigação

  • Quem é o autor oculto como AAP Person 90, e que uso a DIA ou o AAWSA fez deste estudo, além de arquivá-lo na série de relatórios de 2009?
  • Quais das aplicações de curto prazo apontadas, como janelas inteligentes e metapolarizadores, chegaram ao mercado nos anos seguintes ao relatório?
  • O que levou a série de tecnologia avançada do AAWSA a incluir um estudo de materiais de consumo e de eficiência energética de edifícios?

GEOGRAFIA DO CASO

Washington, D.C., EUA

Referência aproximada à sede da DIA, onde o relatório foi encomendado e arquivado, posicionada pela redação. Não indica local de evento observado.

RASTRO DOCUMENTAL

Volte às fontes

As referências usam páginas físicas do PDF, contando a capa. Os resumos são apresentados em português; os documentos preservam seu idioma original.

  1. DOW-UAP-D118_AAWSAP-DIRD-Aerospace-Applications-of-Programmable-Matter-December-14-2009.pdf

    Páginas físicas 1 e 2 (capa e expediente), 4 (introdução), 10 (Figura 4, fibra Wellstone), 17 e 18 (cenário da estação espacial), 19 e 20 (pesquisas futuras e conclusões); páginas 1 a 20 traduzidas na íntegra

    DOW · 20 páginas

Síntese editorial baseada no fichamento do acervo, revista em 26/09/2026. Como lemos os documentos.

UMA HISTÓRIA LEVA A OUTRA

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