CONSTRUÇÃO

A maquete conta com um ciclo fechado de água, diferente do que se tem normalmente, com gel ou resinas para representar a água. Este ciclo fechado cria uma ‘nascente’ na montanha, e a água percorrerá os rios e o lago, chegará ao mar e represa, e retorna para a montanha. Para isso foram instaladas tubulações sob a maquete, com uma pequena bomba d’água.

Foram instalados lambem LED’s nas usinas, nos prédios, e nas indústrias. Essa iluminação é que vai representar o uso ou geração de energia por cada item. Esses itens serão acionados por uma central, com botões que ligarão cada usina de geração de energia. Esta central pode ser operada pelo próprio aluno. Assim como o circuito hidráulico, toda a parte elétrica está na parte de baixo da maquete. Ao operar o acionamento dos LED’s, é possível ver que cada usina alimenta uma parcela da cidade. A quantidade de itens que cada usina alimenta foi pensada de acordo com a eficiência e uso de cada uma na atualidade.

Os objetivos da maquete são:

1. Representar usinas de transformação de energia, suas vantagens e desvantagens;
2. Representar fontes energéticas, suas vantagens e desvantagens;
3. Interações das usinas com a sociedade, meio ambiente e até aspectos de políticas econômicas;
4. Energia está presente em todos os eventos naturais e tudo construído pelo homem;
5. Economizar energia é uma questão de sobrevivência, não apenas financeira;
6. Não é confiável confiar todo o uso de energia de uma sociedade a apenas uma fonte;
7. Não existe usina pior o melhor, pois devem ser analisadas vários fatores, como as condições geográficas e econômicas de cada região.

Construída no Laboratório de Instrumentação para Ensino de Física (LIEF) da UFES, tem aproximadamente 6 m² e conta com circuito fechado de água e também um sistema de iluminação, que identifica os setores de transformação e consumo de energia. Fruto de trabalho árduo com cerca de 6 meses de dedicação de várias horas diárias, também teve um valor relativamente alto para sua construção. Devido às suas dimensões, a quantidade e principalmente a qualidade dos materiais, o custo total ultrapassou os 5 mil reais. O projeto foi executado tomando diversos cuidados para se obter um resultado final bem acabado, com materiais de boa qualidade para que pudesse durar vários anos. A seguir destacaremos algumas fotos da etapa de construção da maquete, onde será possível ter uma singela visão dos cuidados tomados e os resultados finais.

Figura 3.1: Visão geral da maquete finalizada.

Para servir de base para a maquete foram utilizadas duas chapas de compensado naval de 2,2x1,6 m e 12mm de espessura cada. Este compensado é o mesmo usado na construção de barcos. Também foi aplicado verniz acetinado, para maior proteção. Essas escolhas foram feitas justamente como prevenção de possíveis vazamentos de água no futuro e para maior durabilidade. Devido ao tamanho da maquete, ela não poderia depender de mesas para se apoiar, por isso foram construídos também pés de madeira cedro rosa, também envernizados. Seus pés foram planejados de maneira que é possível dobrá-los, recolhendo assim toda a base. As duas chapas de compensado que compõe a base podem ser destacadas. O fato de a maquete ser planejada para ser separada em duas partes somadas ao fato dos pés dobráveis é o que possibilita o transporte da mesma, uma vez que seria inviável sua locomoção entre ambientes internos, como trocar de sala, por exemplo, como foi feio para uma apresentação na Mostra de Física desta Universidade. Falaremos mais sobre esta mostra no capítulo conclusão.

Figura 3.2: Estrutura que serve como base para a maquete. Os pés são dobráveis e a base pode ser dividida em duas partes, para possibilitar o transporte.

Toda a topografia foi feita em isopor, por isso, toda a maquete foi coberta com muitas placas e pedaços do mesmo, exceto onde seria o oceano.

Figura 3.3: Topografia feita em isopor

Foram utilizadas 29 placas de isopor de 1,0 x 0,5 m² cada com espessuras variadas e 2 kg de cola de isopor.

Figura 3.4: Para retirar as quinas das placas de isopor, elas foram cortadas com estilete na diagonal e lixadas com lixa de granulometria fina (nº 160).

Para dar resistência mecânica, proporcionando maior durabilidade da maquete, toda ela foi revestida com fibra de vidro aplicada com resina a base d’água (resinas a base de solventes estragariam o isopor). Foram utilizados 4 kg de fibra de vidro e 12 kg de resina. Somente esta etapa consumiu alguns dias de trabalho.

Figura 3.5: Fibra de vidro aplicado com resina em toda a superfície da maquete.

Após aplicação da vibra de vidro a superfície ficou com aspecto liso. Para dar uma rugosidade e assim representar melhor as condições naturais (irregularidades no solo) foi aplicado papel machê – uma mistura de papel macio, tipo guardanapo, com cola branca e água – em toda a superfície, inclusive no oceano, para dar efeito de diferentes profundidades.

 

Figura 3.6: Papel machê aplicada para dar rugosidade á superfície.

Toda a superfície da área seca foi coberta com pó de serra tingido e a superfície do oceano com pequenas pedras de decoração também tingidas. Porém, antes da aplicação desses materiais, toda a superfície foi pintada com tinta acrílica para dar fundo, para que, após a aplicação do pó de serra ou pedras, não fique nenhuma parte branca a mostra.

  

Figura 3.7: Uma espécie de background foi feito com tinta acrílica em toda a superfície.

Repare que, no oceano, por exemplo, após aplicação de papel machê e fundo de tinta acrílica, já começa a dar impressão de profundidades diferentes. O mesmo ocorre nas áreas secas, como montanhas, vulcão e as planícies.

Antes da aplicação do pó de serra e pedras, a montanha recebeu uma atenção especial, pois precisaria de aspectos diferenciados, como as rochas expostas. Dara este efeito aplicamos cimento branco tingido com corante líquido cinza (como usado em construções civis). Este cimento foi ainda pintado com tinta acrílica, dando assim aspecto de rocha. Esta técnica utilizada deu o aspecto dos grandes paredões verticais típicos em grandes montanhas e também deu o aspecto de concreto para a barragem da hidroelétrica. Para as pedras expostas, também típicas em montanhas, foram utilizadas cascas de árvore e algumas britas, todas tingidas com tinta acrílica e aplicado algumas técnicas para dar aspecto de desgastadas pelo tempo.

  

Figura 3.8: Na figura da esquerda é possível ver a parte que foi aplicado cimento branco tingido de cinza para dar aspecto de rocha na montanha e de concreto na barragem. À direita, detalhe da técnica aplicada para dar efeito de pedra.

Nas imagens central e direita da Figura 3.8 estão ilustradas a técnica usada para dar aspecto de desgaste por intempérie nas pedras expostas: após a pintura de tinta acrílica cor gris de paine nas cascas de árvore e britas, foram tingidas também com tinta acrílica marrom diluída com água (proporção aproximada de 1/100, para que fique bem rala, praticamente uma água suja de marrom) para perder o aspecto de cor forte única, pois a natureza dificilmente apresenta cores sólidas; em seguida foi aplicado tinta acrílica branca de maneira suave nas quinas das pedras para dar impressão de desgaste causado pela água da chuva.

Para o efeito de vegetação foi usado pó de serra tingido com anilina e tinta acrílica, ambos de diversas cores. Todo o pó foi peneirado e foram preparadas diversas tonalidades de verde e marrom, para ser possível aplica-los intercaladamente, criando assim uma mudança suave nas mudanças de cor, para que a vegetação não ficasse com uma cor sólida e artificial.

  

Figura 3.9: O pó de serra preparado em vários tons foi espalhado e deixado secar por 24 h. As pedras de decoração foram misturadas em várias cores (como as mostradas na figura central), tingidas e secadas.

Assim como foi feito um background com tinta acrílica sobre o papel machê, foi aplicada também uma primeira camada de pó de serra tingido de marrom sobre toda a superfície, para fazer o background da vegetação.

 

Figura 3.10: Nas regiões de terra seca foi aplicado pó de serra marrom em toda superfície, e em seguida, outras cores por cima. Na região do oceano, algumas camadas do mesmo material, as pedras de decoração misturadas e tingidas. Em ambos os casos a aplicação foi feita com auxílio de uma peneira e com aplicação de cola branca misturada com água com auxílio de um pincel.

Para dar suavidade na mudança nos tons (degradê) de cores que compõe a vegetação, foram aplicadas diversas camadas de pó de serra tingidos com diversas cores, cada uma com uma quantidade e usadas peneiras com granulometrias diferentes em cada região. Esta etapa foi extremamente trabalhosa e demorada. Por exemplo: na aplicação de cada quantidade de cada tom, era necessário aplicar cola com água, peneirar o pó de serra e depois aspirar com um aspirador de pó o excesso. Em cada canto da maquete foram aplicados diversos tons, várias vezes, até se chegar numa mudança de cores que seja agradável e mais parecido possível com o real. Vamos apresentar agora o resultado final desta etapa.

 

 

Figura 3.10: Final da etapa da vegetação e fundo do oceano.

Optamos por usar água real na maquete, diferente do que se tem normalmente, com gel ou resinas para representar a água. Este fato por si só gerou uma grande mão-de-obra devido á dificuldade de vedação. Exemplo disso é que foram gastos muitos dias reparando e modificando algumas coisas do projeto devido a inúmeros vazamentos e infiltrações ocorridos. A maquete conta com um ciclo fechado de água que cria uma ‘nascente’ na montanha, e a água percorre os rios e o lago, chega ao oceano e represa, e retorna para a montanha. São necessários aproximadamente 30 litros de água para encher todo o oceano.

Para completar o circuito hidráulico foram instaladas tubulações com conexões de engate rápido sob a maquete, com uma bomba d’água de máquina de lavar roupas (bomba de aquário precisa trabalhar submersa). Era esperado ter um grande trabalho devido a esta escolha de usar água real, mas isso se deu por dois motivos:

1. Fazer ligação do fato de haver movimento da água com realização de trabalho, pois uma força desloca a água, logo, há energia nos rios e no mar, pois há movimento;
2. A água em movimento é mais um recurso visual que chama a atenção dos alunos.

O item i) acima é muito importante para ajudar a entender a fonte de energia da Hidroelétrica e da usina de Ondas/Marés. Além disso, trás uma associação de movimento com energia na Natureza.

Para fazer a impermeabilização do oceano, rios, lagoa, cachoeira e represa foram usados 3,5 litros de silicone transparente, aplicados em várias camadas.

Durante o projeto da maquete foi planejado que o oceano daria a volta por toda ela. Era de se esperar que isso traria um maior problema na impermeabilização, principalmente pelo fato de a maquete ser feita em duas partes separáveis. Mas a ideia foi executada por um simples fato: a água dando a volta por toda a maquete dá uma impressão de ilha. Na verdade, a ideia é fazer com que a maquete pareça um pequeno mundo, rodeado pelo oceano – e é este o motivo de representarmos uma grande quantidade de realidades geográficas. Isso foi feito para passar a seguinte informação: as pessoas que vivem neste mundo têm que lidar com suas necessidades energéticas sem destruí-lo. Ou seja, tudo o que for produzido ali, tanto de energia quanto de resíduos, tem que ser resolvido ali, naquela ilha, ou neste pequeno mundo.

Além disso, conforme o objetivo vi da maquete, se toda a energia da cidade fosse baseada em apenas uma fonte energética, alguns problemas poderiam ser bastantes expressivos, por exemplo: a) se toda a cidade (ou o mundo, no caso) usasse madeira como fonte energética, sua floresta acabaria sendo toda destruída; b) se fosse toda baseada em Hidroelétrica, em períodos de grande estiagem o fornecimento de energia seria comprometido; c) se fossem usados apenas carvão ou petróleo, por exemplo, os níveis de poluição seriam muito elevados; d) caso a fonte fosse toda solar, o problema de produção de baterias para manter tudo em funcionamento no período noturno seria outro problema. Há muitos argumentos para justificar o objetivo vi da maquete, mas todos convergem para o objetivo vii, que indica que a melhor usina é aquela que se adapta às condições de cada região, como sua Geografia, economia, suas leis, tecnologias disponíveis, entre outros fatores.

Todas as decisões descritas aqui foram tomadas pensando nos objetivos principais da maquete, descritas no início deste tópico.

  

Figura 3.10: Na esquerda, furo sendo feito na montanha para passar tubulação que leva água a nascente; no centro, a bomba de máquina de lavar, que foi pendurada no fundo da maquete por mangueiras de silicone, para não passar vibração para maquete; à direita, parte da tubulação instalada sob a base da maquete.

  

Figura 3.10: Na esquerda, detalhe da nascente; no centro e à esquerda, detalhes de alguns problemas de infiltração que tiveram que ser resolvidos (ocorreram muitos deles).

Os prédios foram feitos de acrílico pois foram instalados LEDs dentro deles, que identificam o seu consumo de energia. Antes de envelopar os prédios, o acrílico foi lixado com lixa fina (nº 200) sob água corrente, para que sua superfície fique levemente fosca. Assim, a luz do LED sai por ele de forma difusa, facilitando a visão por todos os ângulos de visão. Caso as superfícies fossem lisas, a luz sairia praticamente toda numa única direção, no caso, vertical para cima.

A partir da Figura 3.12 faremos algumas observações, da esquerda para direita e de cima para baixo: a) foram feitas duas plantações e com uma colheitadeira em cada, representando uma fonte de energia renovável, o biodiesel e também o uso de energia para realizar sua colheita; b) algumas indústrias foram colocadas próximas ao rio e contam com tubulações ligadas a ele, representando a poluição industrial. Essas da foto, por exemplo, foram propositalmente colocadas próximas à nascente, antes ainda do rio chegar à cidade; c) o gado foi feito para representar biomassa e também está representada uma parte da floresta desmatada para uso de pasto, como ocorre na realidade; d) foi colocado uma espécie de parque industrial, para chamar a atenção do grande uso de energia por parte das indústrias; e) e f) o trem, caminhões e o avião também foram feitos em biscuit, além do posto de gasolina, que foi colocado para representar uso de energia química. Já os carros são feitos de plástico e foram pintados um a um, a mão, os 120 carros utilizados.

Estão representadas na maquete várias indústrias. Além das já citadas no parágrafo acima, que estão aglomeradas numa espécie de parque industrial, existem indústrias como: madeireira, que além de representar fonte de biomassa para a Termoelétrica, representa o desmatamento em alguns locais; indústrias que beneficiam materiais orgânicos, como a do gado e da plantação, que representam fonte de biomassa, bem como de alimentação; mineradora, que também fornece carvão mineral para a Termoelétrica; entre outras. Para representar o uso de energia nos transportes foi colocada uma variedade e quantidade grandes de elementos: carros, caminhões, trem, avião, navios e um bondinho.

Foi tomado um cuidado grande para desfazer a ideia de associar energia quase sempre com energia elétrica, aliás, esse é um dos objetivos da maquete. Pensando nisso, foi feito grande esforço para representar uma grande variedade de transportes e indústrias. Não atoa, representam cerca de 34% e 32% do consumo de energia total do Brasil (dados do BEN 2014).

Todos os elementos criados na maquete foram planejados para representar de alguma forma fontes energéticas, unidades de consumo de energia e, é claro, as usinas de transformação, que são objetos de destaque na maquete.

As usinas foram posicionadas de acordo com as fontes energéticas disponíveis e a Geografia de cada local. Isso foi planejado para evidenciar o objetivo vii da maquete. Apresentaremos agora as 7 usinas de transformação de energia representadas na maquete.

Seguindo a sequência das figuras acima temos: Hidroelétrica, posicionada perto da montanha para aproveitar a queda natural do rio, e longe da cidade, como prevenção de possíveis rompimentos; a Temoelétrica, instalada perto da floresta, gado e plantação, também conta com a linha de trem com carvão mineral passando perto, todos representando suas possíveis fontes energéticas; a Termonuclear, posicionada longe da cidade por questões de segurança em caso de acidentes; a Eólica na região rural, onde há bastante espaço; a Geotérmica ao lado do vulcão; e de Ondas/Marés na praia; e a solar no deserto.

Além do circuito hidráulico já mencionado, a maquete conta também com um sistema elétrico. Esse sistema elétrico alimenta LEDs que representam o funcionamento das usinas de transformação de energia, bem como dos elementos consumidores, tais como os prédios e indústrias. O sistema foi projetado para que cada uma das 7 usinas representadas “alimente” uma certa quantidade de elementos consumidores. A quantidade de elementos que recebe energia por usina foi dividida levando-se em conta dois fatores: i) potencial energético da usina e ii) seu atual uso no mundo, em quantidade. Sendo assim, as usinas que acendem mais unidades consumidoras são: Termoelétrica, Termonuclear e Hidroelétrica. As outras 4 usinas acendem uma quantidade bem menor de unidades.

O sistema elétrico pode todo ser acionado por um controle instalado na lateral da maquete, como mostra a Figura 3.19. Cada usina está identificada neste controle e, ao acionar o botão de uma usina qualquer, é possível identificar quais elementos da maquete estão sendo “alimentados” por tal usina.

Todo o sistema elétrico, assim como o hidráulico foi instalado sob a base da maquete. São ao todo 84 LEDs que identificam o funcionamento de diversos elementos: as 7 usinas, as indústrias, estádio de futebol, portos e aeroportos, e a cidade.

Para instalação dos LEDs foram soldados resistores em serie para limitação de corrente elétrica. Os valores dos resistores foram calculados para que a iluminação apresentasse um brilho intermediário, para que fosse bem visível, porém não desagradável aos olhos. Para iluminação dos prédios, como cada um apresenta altura diferente, os resistores foram calculados de acordo com sua altura: prédios mais altos, resistores com valor de resistência mais baixo. Isso foi feito para que os prédios apresentassem brilho semelhante entre eles.

Há também uma classificação por cores: LEDs vermelhos estão presentes nas usinas de transformação de energia, já nos elementos consumidores foi utilizada iluminação amarela em sua maioria, mas alguns apresentam iluminação branca e outros azul: nos prédios foram instalados LEDs de alto brilho de cor branca, pois eles estão dentro do acrílico, por isso precisam de maior potência luminosa (apesar da cor diferente, na prática os prédios apresentam a cor de seu envelopamento); no estádio de futebol e um prédio que representa o Burj Al Arab - um luxuoso hotel em Dubai que na maquete foi colocado no deserto, representando a região real do hotel - que também receberam iluminação de LEDs de alto brilho cor branca; alguns outros prédios receberam LEDs de alto brilho azul para dar destaque e um diferencial na aparência final - o shopping e os dois maiores prédios da cidade que são idênticos são alguns dos exemplos.

Como o circuito elétrico está todo por baixo da estrutura da maquete, os LEDs com resistores tiveram que atravessar a base de compensado naval e toda a camada de isopor e fibra de vidro e compõe a superfície da maquete. Para isso, em cada local de instalação da iluminação foi necessário um furo, e os LEDs soldados com os resistores precisaram de um isolamento e um reforço mecânico, para penetrarem pelo justo orifício feito para cada um deles. Esse isolamento e reforço foram feitos usando-se termocontrátil – uma espécie de borracha que se contrai ao ser aquecida. Após o posicionamento de cada LED eles foram colados no furo e os fios de ligação presos à base com grampos.

  A etapa de projeto, construção e instalação de todo o sistema elétrico durou cerca de duas semanas, bem diferente dos dois dias que foram planejados.

O efeito dos elementos iluminados quando se apagam as luzes do ambiente onde se encontra a maquete se assemelha á visão aérea de uma cidade, e é um dos momentos mais apreciados pelos alunos que já visitaram a maquete.

Após todos os itens da maquete serem instalados e colados foram ainda foi ainda realizada a última etapa: impermeabilização de toda a superfície. Isso foi feito para que o conjunto tivesse maior durabilidade, além de prevenir contra vazamentos do sistema hidráulico, quedas acidentais de líquido, evitar mofo devido à umidade do ar, para formação de uma fina e transparente película, facilitando a limpeza da superfície, entre outros. Essa etapa foi realizada em dois passos: i) foi preparada uma solução de cola branca com água (uma porção de cola para três de água, aproximadamente) e borrifada por toda a superfície seca da maquete – foram aplicadas muitas camadas e entre cada aplicação era dado um intervalo de algumas horas; ii) aplicação de verniz fosco (o verniz brilhoso poderia dar um efeito muito artificial, criando superfícies brilhosas) em spray – novamente diversas camada foram aplicadas, com intervalo de algumas horas entre aplicações. Para aplicação da cola e verniz as regiões que receberiam água, que estavam cobertas por silicone, foram cobertas para não serem atingidas.

Após esta última etapa, como todos os itens estavam colados e a superfície selada com cola e verniz a maquete estava pronta para ser transportada de sua sala. Daí outra razão para o selamento da superfície: a maquete tem que ser dividida em duas partes e cada parte é transportada na vertical. Por isso os pés foram projetados para serem dobráveis. A Figura 3.22 mostra o processo de transporte. 

Vale lembrar ainda que pelo fato de a maquete ser dividida ao meio, toda a fiação e as tubulações do circuito hidráulico tiveram que contar com sistema de separação que fosse de fácil operação.

Por fim, mais algumas fotos da maquete finalizada. Na próxima seção descrevemos um pouco da experiência do uso da mesma.