Maiken Mikkelsen quer mudar o mundo desenvolvendo um pequeno, câmera hiperespectral barata para permitir práticas agrícolas de precisão em todo o mundo que reduziriam significativamente a água, energia, uso de fertilizantes e pesticidas, aumentando simultaneamente os rendimentos. Embora esse objetivo pareça uma tarefa difícil para uma câmera simples, é um que agora recebeu luz verde da Moore Inventor Fellowship de 2019.

"A Moore Inventor Fellowship está abrindo um novo caminho de pesquisa para mim, "disse Mikkelsen, James N. e Elizabeth H. Barton, Professores Associados de Engenharia Elétrica e de Computação na Duke University. "Está me permitindo explorar novas aplicações para minha tecnologia que podem beneficiar o meio ambiente e a humanidade de maneira profunda, e sou grato que a Fundação Moore me permite persegui-los. "

As câmeras que a maioria das pessoas pensa e usa todos os dias captam apenas a luz visível, que é uma pequena fração do espectro disponível. Outras câmeras podem se especializar em comprimentos de onda infravermelhos ou de raios-X, por exemplo, mas poucos podem capturar luz de pontos díspares ao longo do espectro. E aqueles que podem sofrer de uma miríade de desvantagens, como máquinas complicadas que podem quebrar, velocidades funcionais lentas, volume que pode torná-los difíceis de transportar, manusear manualmente ou colocar em drones, e custos que variam de dezenas a centenas de milhares de dólares.

Mikkelsen, Contudo, está trabalhando em uma abordagem que pode ser implementada em um único chip, pode capturar uma imagem multiespectral em alguns trilionésimos de segundo, e produzido e vendido por apenas dezenas de dólares.

"Não era nada óbvio que poderíamos fazer isso, "disse Mikkelsen." Na verdade, é bastante surpreendente que isso não funcione apenas em experimentos preliminares, mas estamos vendo novos fenômenos físicos que não esperávamos que nos permitirão acelerar a rapidez com que podemos fazer essa detecção em muitas ordens de magnitude. "

O fenômeno físico por trás da tecnologia de Mikkelsen é chamado de plasmônica - o uso de fenômenos físicos em nanoescala para capturar certas frequências de luz.

Mikkelsen e sua equipe modelam cubos de prata com apenas cem nanômetros de largura e os colocam apenas alguns nanômetros acima de uma fina camada de ouro. Quando a luz incidente atinge a superfície de um nanocubo, excita os elétrons da prata, aprisionando a energia da luz - mas apenas em uma determinada frequência.

O tamanho dos nanocubos de prata e sua distância da camada de base de ouro determina essa frequência, enquanto o controle do espaçamento entre as nanopartículas permite ajustar a força da absorção. Adaptando precisamente esses espaçamentos, os pesquisadores podem fazer o sistema responder a qualquer frequência eletromagnética que desejarem.

Para aproveitar esse fenômeno físico fundamental para uma câmera comercial, Mikkelsen e seus colegas demonstraram uma espécie de "superpixel" - um pixel feito de uma grade de nove detectores individuais, cada um sintonizado em uma frequência de luz diferente. Quando qualquer ponto na grade do pixel captura sua frequência específica, aquece, que, por sua vez, cria uma voltagem elétrica em uma camada de material piroelétrico localizado diretamente abaixo dela. Essa tensão é então lida por uma camada inferior de um contato semicondutor de silício, que transmite o sinal a um computador para análise.

"Fotodetectores comerciais foram feitos com esses tipos de materiais piroelétricos antes, mas eles sempre sofreram de duas desvantagens principais - eles não foram capazes de se concentrar em frequências eletromagnéticas específicas e operaram em velocidades muito lentas devido às camadas espessas de material necessárias para absorver luz suficiente, "disse Mikkelsen." Mas nossos detectores plasmônicos podem ser sintonizados em qualquer frequência e reter tanta energia que precisamos apenas de uma fina camada de material piroelétrico, o que acelera muito o processo. "

Enquanto os primeiros experimentos de prova de conceito usarão uma grade de três por três capaz de detectar nove frequências, Mikkelsen planeja aumentar para uma grade de cinco por cinco para um total de 25 frequências. E não faltam aplicativos preparados para tirar proveito de tal dispositivo.

Os cirurgiões podem usar imagens hiperespectrais para dizer a diferença entre o tecido canceroso e o saudável durante a cirurgia. Os inspetores de segurança de alimentos e água podem usá-lo para saber quando um peito de frango está contaminado com bactérias perigosas. Mas a aplicação que Mikkelsen tem em vista é a agricultura de precisão. Embora as plantas possam parecer verdes ou marrons a olho nu, a luz refletida de suas folhas e flores fora do espectro visual contém uma cornucópia de informações valiosas.

"A obtenção de uma 'impressão digital espectral' pode identificar com precisão um material e sua composição, "disse Mikkelsen." Não só pode indicar o tipo de planta, mas também pode determinar sua condição, se precisa de água, está estressado ou tem baixo teor de nitrogênio, indicando a necessidade de fertilizante. É realmente surpreendente o quanto podemos aprender sobre as plantas simplesmente estudando uma imagem espectral delas. "

A imagem hiperespectral pode permitir a agricultura de precisão, permitindo fertilizante, pesticidas, herbicidas e água devem ser aplicados apenas quando necessário. Isso tem o potencial de reduzir a poluição e, ao mesmo tempo, economizar água e dinheiro. Imagine uma câmera hiperespectral montada em um helicóptero ou drone mapeando a condição de um campo e transmitindo essa informação a um trator projetado para fornecer fertilizantes ou pesticidas em taxas variáveis ​​nos campos.

Estima-se que o processo usado atualmente para produzir fertilizantes é responsável por até 2% do consumo global de energia e até 3% das emissões globais de dióxido de carbono. Ao mesmo tempo, os pesquisadores estimam que 50 a 60 por cento do fertilizante produzido é desperdiçado. Contabilizando apenas o fertilizante, a agricultura de precisão possui um enorme potencial para economia de energia e redução de gases de efeito estufa, sem mencionar a economia estimada de US $ 8,5 bilhões a cada ano, de acordo com o Departamento de Agricultura dos Estados Unidos.

Várias empresas já estão perseguindo esses tipos de projetos. Por exemplo, A IBM está conduzindo um projeto na Índia usando imagens de satélite para avaliar as safras dessa maneira. Esta abordagem, Contudo, é muito caro e limitante, é por isso que Mikkelsen prevê um barato, detector portátil que pode gerar imagens de campos de cultivo a partir do solo ou de drones baratos.

“Imagine o impacto não só nos Estados Unidos, mas também em países de baixa e média renda, onde muitas vezes há escassez de fertilizantes, pesticidas e água, "disse Mikkelsen." Sabendo onde aplicar esses recursos esparsos, poderíamos aumentar significativamente o rendimento da colheita e ajudar a reduzir a fome. "

Lançado em 2016 para comemorar o quinquagésimo aniversário da Lei de Moore, a previsão revolucionária que antecipou o crescimento exponencial do poder de computação, o programa abraça o espírito da paixão de Gordon Moore pela ciência e pela tendência para inventar.

Este ano, a fundação considerou mais de 200 indicações na rodada final, dos quais cinco bolsistas foram selecionados para buscar projetos inovadores com o potencial de trazer mudanças significativas. Cada bolsista recebe um total de $ 825, 000 ao longo de três anos, bem como networking e apoio empresarial para levar adiante sua invenção.

"A Moore Inventor Fellowship reconhece a qualidade do indivíduo, bem como a qualidade da ideia, "disse Harvey V. Fineberg, presidente da Fundação Gordon e Betty Moore. "O objetivo final é converter as ideias em invenções que podem mudar o mundo."