Grupo de Eletricidade Atmosférica

O Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT) tem sua origem nas pesquisas científicas e tecnológicas em eletricidade atmosférica desenvolvidas no INPE desde 1979 na área de Ciências Espaciais e Atmosféricas.

O ELAT é o primeiro grupo de pesquisa sobre raios criado no Brasil e faz parte do Centro de Ciências do Sistema Terrestre do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. É considerado uma referência mundial nas pesquisas sobre eletricidade atmosférica.

A Ecantech desenvolve equipamentos para monitoramento e controle de sensores e seus componentes, integradores e aquisitores de dados, acionamento remoto e demais módulos.

Os módulos de monitoramento

Com o uso de diversos sensores espalhados pela planta de pesquisa (sensores de corrente elétrica, campo elétrico, raios-x...) foi necessário um modo para monitorar o funcionamento e controlar seu acionamento, já que por especificidade da pesquisa, todos os equipamentos em campo precisam ser alimentados exclusivamente por baterias (evitando assim interferências da rede nos dados medidos e garantindo o isolamento elétrico dos sistemas). Com isso, módulos IoT foram desenvolvidos, para enviarem dados sobre a temperatura do encapsulamento, tensão da bateria, status de funcionamento e demais funcionalidades.

A distribuição dos equipamentos

Inicialmente, a planta de pesquisa ficava localizada na cidade de São Paulo. O objetivo era registrar em vídeo, raios ascendentes (mais comuns no pico do Jaraguá) e também raios descendentes/ascendentes nos prédios em que estavam instalados os sensores.

Com a instalação dos nossos módulos, foi possível fazer a triangulação das imagens e a recriação da descarga atmosférica em um software de reconstrução 3D. As câmeras rápidas possuem um arquivo muito grande de vídeo e demoram um certo tempo para salvar, por isso necessitavam da presença de um operador para fazer o trigger. No prédio da HS 1 e 2 (High Speed Camera 1 e 2) havia sempre uma pessoa disponível para controlá-las, mas na posição da HS 3 (High Speed Camera 3) não. Por isso foi desenvolvido um módulo capaz de transmitir um sinal a distância (de até 2km) e com um atraso extremamente pequeno para capturar a imagem no momento da descarga atmosférica.

A tecnologia dos módulos

Os módulos foram criados de forma personalizada para cada equipamento. No geral, ele é capaz de controlar o ON/OFF de câmeras Ultra High Speed para evitar superaquecimento, enviar um sinal de trigger no exato momento em que um operador ou outro sistema ativar remotamente, enviar dados de temperatura e tensão do ambiente e das caixas dos aparelhos, controlar cargas e fazer trocas automáticas entre carga (por um painel solar) e uso da bateria em tempestade, desconectar baterias da rede de alimentação durante tempestades (para isolar o sistema) e muito mais.

Devido a necessidade de estabilidade de um sistema desse durante tempestades (ele não pode depender da rede elétrica da cidade, da internet do local e precisa ser a prova de interferências externas) o módulo foi desenvolvido com um protocolo próprio de transmissão de dados via rádio para distâncias de até 2 km, tendo ainda a possibilidade de criptografar oque for enviado, mantendo um atraso de transmissão < 80ms.

Mesmo com todos os requisitos, a central dos módulos ainda era conectada na internet com o objetivo de ser usada fora do período de tempestade para manutenção do sistema a distância, registro de todos os dados em nuvem com criação automática de tabelas e gráficos para posteior análise da eficiência do sistema, atualização do software sem necessidade de um operador presencial e demais utilidades.

Os sensores

Foram utilizados sensores de corrente elétrica, instalados direto nos para-raios dos 2 prédios, junto com sensores de campo elétrico e Raios-X, apoiados na laje do edifício. Todos os sensores eram isolados eletricamente da rede do prédio, com transmissão de dados via fibra óptica para aquisitores internos, localizados em um espaço no térreo do prédio. Como o planejamento inicial não previa o controle dos sensores, apenas as fibras de transmissão de dados foram passadas. Por isso, fez-se necessário o uso dos módulos de rádio. Por estar em uma posição mais alta do que o transmissor, alguns sinais se perdiam, portanto o uso de repetidores e o correto posicionamento das antenas foi essencial para garantir o funcionamento de todos os módulos. 

O calor durante o verão era extremamente alto neste local e os equipamentos tiveream que ser cuidadosamente projetados para resistir e funcionar de forma ininterrupta.

A questão do sensor de Raios-X

O sensor de raios-x é um dos mais sensíveis sensores aplicados, por isso ele possui requisitos complexos para evitar interferências ou dados incorretos: o sensor precisa ficar isolado, com uma proteção de chumbo médio na parte superior, dentro de uma caixa de metal (com parede de aço de pelo menos 5mm) isolada, sem exposição a luz e não pode haver cabos condutores atravessando a caixa. Ainda assim, precisa de uma fonte de energia estável, sem variação de tensão e não pode funcionar abaixo de 12V.

Com todos esses requisitos ficou claro que um sistema especial seria necessário para fazê-lo funcionar. A transmissão de dados por fibra óptica ainda foi possível de ser usada, mas os integradores conversores de fibra eram especiais e tinham um consumo muito alto de energia, o que resultaria numa curta duração da bateria (menos de 1 dia), necessitando ser trocada, por 2 pessoas para poder manusear a caixa de aço, todos os dias.

Por isso foi implementando um módulo de controle interno, que verificava as tensões dos sensores, monitorava a temperatura da caixa e chaveava automaticamente a alimentação de todos os componentes. Ainda assim, não poderia ser usado o rádio comum, já que a antena teria que ficar interna, inviabilizando a transmissão do sinal. Para resolver isso, 2 módulos adicionais de wifi foram implementados para realizar a comunicação dentro/fora da caixa e dessa forma, enviar os sinais via rádio de longa distância (poderia ser usado a fibra óptica acoplada aos módulos para controle interno e externo, mas a complexidade da fusão da fibra e o alto custo de todos esses equipamentos, tornou muito mais viável o uso do wifi). Mesmo fazendo todas essas funções, o consumo de energia do módulo funcionando 24 horas era muito baixa e permitiu uma grande duração das baterias. Agora, os sensores eram acionados apenas em caso de tempestade.

A mudança

Com a mudança do foco da pesquisa para o processo de conexão das descargas atmosféricas e a complexidade de se manter a planta em São Paulo, os equipamentos foram trazidos para São José dos Campos e instalados dentro do INPE.

Com a volta dos equipamentos, os módulos tiveram que ser adaptados para a infraestrutura do INPE. Novos módulos foram desenvolvidos para a transmissão mais rápida de dados e novos modelos de antena estão sendo testados. Como o INPE é um local de grande concentração de torres, edifícios e antenas, o dimensionamento e posicionamento dos equipamentos foi feito para garantir a estabilidade do sinal. Todos os sistemas usados nesta pesquisa precisam ter grande precisão, funcionar nas mais diversas condições e não podem falhar. As vezes apenas 1 raio atinge o local em que os sensores estão instalados, caso ele seja perdido, a outra chance virá apenas no próximo verão. Além disso, esses dados são essenciais para a pesquisa e para o aumento da segurança contra descargas atmosféricas ainda sendo intensamente utilizados por alunos de mestrado e doutorado em suas teses. Por fim, vários artigos ciêntificos já foram publicados em revistas de grande prestígio internacional, revistas as quais possuem sérios requisitos para aprovar uma publicação. 

Desafios Futuros

Com a instalação dos novos equipamentos e a chegada dos novos aquisitores de dados, a ideia é integrar todos os sistemas em apenas um único controle. Assim será possível capturar as descargas atmosféricas de forma automática baseado no "Input" dos sensores espalhados pelo campo. O desenvolvimento disso é possível e é de nosso conhecimento, entretanto, ainda precisam ser feitos vários testes para saber qual a condição exata para disparar as câmeras; Assim nenhum raio é perdido e nenhum momento é desperdiçado.