A tecnologia de raios T está se tornando mais amplamente utilizada

As tecnologias Terahertz (T-ray) têm o potencial de revolucionar a maneira como nos relacionamos com o mundo ao nosso redor, permitindo transferência de dados extremamente rápida além do 6G para oferecer imagens semelhantes a raios-X sem radiação. No entanto, cientistas e engenheiros ainda precisam aproveitar com sucesso os raios T para usos comerciais generalizados, relegando assim a tecnologia dos raios T ao mundo da ficção científica.

Avanços recentes na geração e detecção de ondas terahertz, no entanto, levaram a tecnologia ao limite em direção ao uso generalizado. Com o advento dos scanners terahertz do tamanho de um desktop, a tecnologia terahertz encontrou uso significativo em campos tão diversos como medicina, negócios, indústria e segurança. Descubra como a tecnologia T-ray progrediu nas últimas décadas, bem como o que esperar no futuro próximo.

Como o T-Ray começou

A humanidade foi cativada pelo espectro eletromagnético por milênios, e nos deu tecnologias incríveis como rádios, raios X, telefones, micro-ondas, lasers e muito mais nas últimas décadas. No entanto, a faixa de frequência THz permaneceu a última porção significativa do espectro eletromagnético a ser completamente inexplorada até as últimas duas décadas. Essa área no centro do espectro eletromagnético é chamada de lacuna de Terahertz e é assim chamada desde a década de 1960, quando os cientistas começaram a experimentar a tecnologia de raios T.

A geração e detecção de sinais THz são desafiadoras, e é por isso que existe um vazio. Toda vez que você liga o rádio do seu veículo, usa o forno de micro-ondas ou verifica suas redes sociais no celular, está experimentando a simplicidade com que os eletrônicos podem emitir sinais de baixa frequência. As tecnologias ópticas, por outro lado, são excelentes na produção e detecção de sinais de alta frequência, como raios-X, infravermelho e até energia de luz visível.

Contrariamente, a faixa THz está apenas na encruzilhada do que já foi alcançado com a eletrônica e a óptica, sendo apenas um pouco alta demais em frequência para a eletrônica tradicional alcançar e um pouco baixa demais em frequência para que as técnicas ópticas sejam bem-sucedidas. É difícil para dispositivos ópticos e elétricos produzir e detectar sinais na faixa de THz. No passado, para evitar o superaquecimento de uma fonte de THz ou de um detector de THz em temperaturas de referência estáveis, era necessária uma infraestrutura complexa, como sistemas de resfriamento criogênico que empregavam hélio líquido ou nitrogênio líquido. As tecnologias THz ficaram restritas ao laboratório e a aplicações especializadas como espaciais e militares devido ao alto custo e complexidade desses sistemas.

Isso não é mais o caso.

Para finalmente desbloquear esta última fronteira no espectro eletromagnético, cientistas e engenheiros vêm derrubando as barreiras há décadas.

Testando constantemente os limites

Ondas milimétricas (mmWaves) são parentes próximos do THz, existindo logo abaixo da banda de frequência THz. Quando se trata de seu uso em eletrônica e óptica, os sinais mmWaves e THz têm muito em comum.

O desenvolvimento exponencial de tecnologias de uso de frequência mmWave nos últimos anos sugere perspectivas promissoras para o THz no futuro. Como as ondas milimétricas são um facilitador crucial para as comunicações de quinta geração (5G), todos nós obtemos os benefícios das ondas milimétricas sem nem mesmo reconhecê-las. Novas tecnologias de semicondutores permitem a geração e detecção de sinais em frequências cada vez maiores usando chips de circuitos integrados usados ​​anteriormente, abrindo possibilidades de uso além das comunicações 5G. A navegação autônoma do carro usando radar, a contagem de pessoas dentro de um prédio e o monitoramento remoto da saúde são exemplos.

Além de encontrar imagens de ondas milimétricas em aeroportos e outros pontos de verificação de segurança, a maioria das pessoas a encontrou de alguma maneira. Ao contrário dos raios X, as energias mmWaves e THz não produzem radiação ionizante e podem ser usadas para triagem sem medo de danos. A maioria dos postos de controle de aeroportos emprega scanners mmWave, os enormes scanners circulares onde você é obrigado a ficar parado por alguns segundos, para rastrear indivíduos em busca de ameaças disfarçadas, enquanto os scanners de raios-X tradicionais, revestidos com chumbo para confinar a radiação de raios-X, são usados para escanear sua bagagem.

Os usos cada vez mais comuns da tecnologia de ondas milimétricas (mmWave), em campos tão diversos como comunicação sem fio de alta velocidade e imagens de segurança, estão aumentando os limites de frequência e estabelecendo as bases para as tecnologias baseadas em THz do futuro.

Ponto de cruzamento

Embora a diferença de THz estivesse diminuindo gradualmente graças ao uso cada vez maior de tecnologias mmWave, avanços significativos na tecnologia eram necessários para permitir que os dispositivos THz funcionassem em frequências consideravelmente mais altas e usassem tudo o que o THz tinha a oferecer.

Progressos significativos foram feitos, incluindo a criação de fontes eficientes para produzir energia THz em níveis suficientemente altos para uso prático. Novas tecnologias de laser, como lasers de cascata quântica (QCL) e multiplicadores baseados em diodo, prometeram fornecer maior potência em pacotes menores no início dos anos 2000. No entanto, empurrar a eletrônica para frequências mais altas ou empurrar os sistemas ópticos para gerar sinais de frequência mais baixa normalmente resulta em uma perda de energia significativa. Esses avanços abriram caminho para uma variedade de possíveis aplicações de THz, todas descritas em um relatório emitido pelo Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos em 2002. (IEEE).

O desenvolvimento de meios mais poderosos de produzir sinais THz abriu caminho para seu uso em espectroscopia, imagem e transferência rápida de dados. A espectroscopia THz faz uso das distintas “impressões digitais” ou características de vários materiais na faixa THz, analisando como o material responde ou reflete o sinal THz. A espectroscopia THz tem vários usos práticos, como na detecção de venenos e explosivos para fins de segurança e na classificação de resíduos plásticos que parecem idênticos, mas na verdade são de tipos distintos de plástico transparente.

A imagem THz tem o potencial de “ver dentro” de objetos como raios-X, mas sem os efeitos nocivos da radiação ionizante. Os raios T, por outro lado, não podem passar por metal ou outros materiais condutores, como os raios X. Houve uma grande variedade de usos iniciais para imagens de raios T, incluindo controle de qualidade na produção farmacêutica e estudos no MIT provando a legibilidade do texto em várias páginas de um livro fechado.

Do ponto de vista da transmissão e comunicação de dados, os estudos de raios T de 2017 mostraram que o potencial dos sinais da Internet transmitidos usando raios T são muito mais rápidos do que a tecnologia Wi-Fi existente.

Infelizmente, a maioria dessas aplicações nunca passou da fase de pesquisa e desenvolvimento (P&D) e não resultou imediatamente na comercialização da tecnologia de raios T. Manter emissores e detectores de terahertz em temperaturas criogênicas é caro e consome espaço, então o progresso em qualquer área tem sido terrivelmente lento.

Isto é, até os recentes avanços em fontes e detectores de THz não refrigerados durante a última década. As tecnologias de detectores não resfriados que empregam sistemas de resfriamento elétrico normais e emissores de laser em cascata quântica não resfriados capazes de funcionar à temperatura ambiente em tamanhos minúsculos tornaram possível criar componentes consideravelmente mais práticos para suportar aplicações do mundo real. Em um instante, uma grande variedade de novos usos de raios T estavam disponíveis. E agora, graças às explorações científicas desses domínios, temos algumas tecnologias muito surpreendentes que já foram amplamente adotadas ou estão prestes a fazê-lo.

O T-ray é apenas uma moda passageira ou veio para ficar?

Uma das primeiras áreas a testemunhar uma onda de aplicações comerciais para essas melhorias na tecnologia subjacente é a imagem de raios-t. A questão do tamanho dos modernos scanners de raios T foi aliviada pelo uso de fontes de energia menores e mais eficientes, e as tecnologias de detectores não precisam mais de resfriamento criogênico. As tecnologias de raio-T estão se tornando extremamente competitivas e estão obtendo ampla aceitação, apesar de não serem tão baratas quanto outros sistemas comerciais de imagem, como o raio-X.

A imagem THz já foi colocada em uso comercial nos domínios de fabricação e segurança. Os equipamentos de imagem THz já são comercialmente acessíveis e são bastante caros; ainda assim, eles são benéficos para o controle de qualidade na fabricação. A imagem THz, por exemplo, pode detectar e quantificar variações mínimas na espessura (como camadas de tinta) em tempo real sem comprometer ou danificar o material digitalizado. A imagem de raios T pode revelar diferenças mínimas na espessura do material ou bolsas de ar logo abaixo da superfície que, de outra forma, não seriam detectadas pelas técnicas convencionais de imagem.

Os scanners THz não produzem radiação ionizante como os dispositivos de raios-X, mas mesmo assim fornecem uma imagem de vídeo 3D em tempo real de quaisquer armas ou produtos químicos que alguém possa estar escondendo sob um casaco ou em uma bolsa. De fato, os sistemas passivos de THz são cada vez mais empregados em aplicativos de alto rendimento para rastrear indivíduos, capitalizando o fato de que os humanos geram naturalmente quantidades modestas de radiação THz para identificar armas ocultas ou contrabando.

Alguns casos de uso de triagem, como os que envolvem a detecção de mercadorias ocultas e possíveis ameaças, são mais adequados para scanners de raio-T do tamanho de uma impressora ou copiadora de mesa do que de raio-X. Quando se trata de imagens de materiais macios como pós e líquidos, as frequências de terahertz superam em até 300 vezes a sensibilidade dos raios X, o que é um grande benefício na luta contra substâncias ilegais e perigos químicos e biológicos. Alguns exemplos desses produtos químicos são o analgésico opióide fentanil, a toxina bacteriana ricina e o agente viral antraz, todos muito pequenos para serem detectados por um raio-X.

A pesquisa e o desenvolvimento da tecnologia terahertz como um todo aumentaram graças à crescente popularidade das imagens de raios T na produção e na segurança, abrindo as portas para avanços ainda maiores nos métodos convencionais de raios T.

Inovações no futuro dos raios T

Com o advento da tecnologia de varredura de raios T e sua capacidade de fornecer imagens nítidas, o THz rapidamente se tornou amplamente utilizado. Os pesquisadores, no entanto, estão considerando uma ampla gama de novas aplicações, desde a transmissão de dados interestelares até o diagnóstico de doenças em seus estágios iniciais.

As comunicações de longo alcance que utilizam THz são difíceis, mas são adequadas para taxas de transmissão de dados ultrarrápidas para permitir comunicações 6G em pequenas distâncias. A qualidade do sinal para THz diminui com a distância, especialmente em condições atmosféricas adversas, tornando-os impraticáveis ​​para a transferência de dados de longa distância em terra atualmente. Por outro lado, não há obstruções atmosféricas no espaço. Portanto, a NASA vem explorando a tecnologia THz há algum tempo na esperança de um dia transmitir dados de alta velocidade no espaço.

E por último, mas não menos importante, há imagens e diagnósticos na área médica. Com sua capacidade de distinguir entre tecido saudável e maligno, a imagem THz mostra-se promissora para o diagnóstico precoce do câncer. Muitos profissionais médicos acham que o T-ray tem o potencial de revolucionar a forma como o tumor e as fronteiras do câncer são detectados, o que pode melhorar a eficácia do diagnóstico e terapia precoces e até mesmo a precisão dos procedimentos robóticos. Por exemplo, pesquisadores do Centro de Tecnologia Biomédica Terahertz da Universidade de Massachusetts Lowell estão trabalhando em tecnologias de imagem THz que podem um dia ser usadas para ajudar na triagem de câncer de cólon ou detectar margens malignas antes de removê-las durante a cirurgia para câncer de pele. A imagem THz já está sendo testada em hospitais em todo o mundo.

O T-ray percorreu um longo caminho, e os especialistas hoje e no futuro podem usar seus inúmeros benefícios de várias maneiras. No entanto, ainda existem desafios que precisam ser abordados para que esses benefícios sejam plenamente alcançados. Ainda é difícil enviar um sinal por grandes distâncias sem sofrer deterioração do sinal. Como os sinais THz são reduzidos por uma variedade de materiais, é difícil fazer uma varredura profunda com eles. Apesar disso, a tecnologia tem feito progressos significativos. Você deve ficar de olho nesta tecnologia em desenvolvimento, pois o financiamento para o estudo continua. Sem dúvida, haverá mais avanços no futuro.