Fundamentos da exploração de petróleo e gás natural e análise geoeconômica da matriz energética brasileira atual e projeções futuras

A análise da matriz energética mundial, assim como a brasileira, nos mostra que o gás natural representará em breve um importante insumo energético favorecendo a balança de pagamentos nacional, visto que o gás poderá ser usado tanto para consumo interno, quanto para exportação. O aumento das reservas nacionais de hidrocarbonetos se deve ao desenvolvimento de tecnologias, que favoreceram o conhecimento das bacias brasileiras quanto ao seu potencial produtor de combustíveis fósseis, permitindo a descoberta de novas jazidas. O amadurecimento do mercado nacional quanto ao consumo de gás natural passa pela construção de uma infraestrutura robusta, eficiente e que possibilite a captação, o armazenamento e distribuição do mesmo. O Brasil tem todos os requisitos necessários para adentrar ao seleto grupo de países exportadores de hidrocarbonetos, a descoberta do Pré-sal tende a incrementar a importância do gás natural para o país. Ao final do trabalho são descritos cenários futuros (quanto o consumo de energéticos), onde se vê que o consumo de energia para os próximos anos crescerá a taxas superiores as das duas últimas décadas. Análise destes cenários permite antecipar o interesse de futuros investimentos no desenvolvimento do conhecimento geológico para áreas promissoras.

Damping and saturation of a second order electron plasma wave echo

A description is given of experimental work on the damping of a second order electron plasma wave echo due to velocity space diffusion in a low temperature magnetoplasma. Sufficient precision was obtained to verify the theoretically predicted cubic rather than quadratic or quartic dependence of the damping on exciter separation. Compared to the damping predicted for Coulomb collisions in a thermal plasma in an infinite magnetic field, the magnitude of the damping was approximately as predicted, while the velocity dependence of the damping was weaker than predicted. The discrepancy is consistent with the actual non-Maxwellian electron distribution of the plasma.

In conjunction with the damping work, echo amplitude saturation was measured as a function of the velocity of the electrons contributing to the echo. Good agreement was obtained with the predicted J₁ Bessel function amplitude dependence, as well as a demonstration that saturation did not influence the damping results.

Fluctuations in a tokamak plasma

An experimental investigation of low frequency floating potential fluctuations (f ≤ 200 kHz) in a research tokamak plasma using two spatially separated electrostatic probes has been performed. The spectra, correlation length, and the phase velocity of the fluctuations in both the radial and azimuthal direction have been determined. The propagation velocity in the toroidal direction was also measured and was found to be in the direction of electron current flow. The waves traveled azimuthally in the ion diamagnetic drift direction, even after the usual E x B rotation was taken into account. The electron density fluctuations associated with these oscillations were large, δn/n ≃ 0.35 - 0.50.

The spectra were found to have regularly spaced peaks which seemed to be related to specific azimuthal modes (m =1,2,3,...,etc. ) A parametric study was made to determine what effect plasma parameters had on these peaks. During periods of high electron density in the first 2 msec of the plasma lifetime, strong sawtooth type oscillations were observed. These oscillations typically had frequencies of approximately 10 kHz and were also present when large amounts of neutral gas were added during the discharge by a process called "gas puffing."

The results are compared with experimental observations made on other plasma devices with electric and magnetic probes and with microwave and CO₂ laser scattering techniques. (The scattering measurements are complimentary to the probe measurements since, in the former case, the wavelength is fixed by the scattering angle, but the oscillations could not be spatially localized.) The oscillations in the Caltech torus were probably related to a drift-tearing type instability which is thought to play a major role in the anomalous particle and energy flux observed in tokamaks. Comparisons are made between current theory and the experimental results. However, the theory for the observed oscillations is still in a rudimentary stage of development, and it is hoped that the present investigation will stimulate future analytical work.

Radiation from a short electric dipole antenna in a hot uniaxial plasma

The effects of electron temperature on the radiation fields and the resistance of a short dipole antenna embedded in a uniaxial plasma have been studied. It is found that for ω < ω_p the antenna excites two waves, a slow wave and a fast wave. These waves propagate only within a cone whose axis is parallel to the biasing magnetostatic field B_o and whose semicone angle is slightly less than sin ^(-1) (ω/ω_p). In the case of ω > ω_p the antenna excites two separate modes of radiation. One of the modes is the electromagnetic mode, while the other mode is of hot plasma origin. A characteristic interference structure is noted in the angular distribution of the field. The far fields are evaluated by asymptotic methods, while the near fields are calculated numerically. The effects of antenna length ℓ, electron thermal speed, collisional and Landau damping on the near field patterns have been studied.

The input and the radiation resistances are calculated and are shown to remain finite for nonzero electron thermal velocities. The effect of Landau damping and the antenna length on the input and radiation resistances has been considered.

The radiation condition for solving Maxwell's equations is discussed and the phase and group velocities for propagation given. It is found that for ω < ω_p in the radial direction (cylindrical coordinates) the power flow is in the opposite direction to that of the phase propagation. For ω > ω_p the hot plasma mode has similar characteristics.

Upper hybrid resonance absorption and scattering from a plasma column

The electromagnetic scattering and absorption properties of small (kr~1/2) inhomogeneous magnetoplasma columns are calculated via the full set of Maxwell's equations with tensor dielectric constitutive relation. The cold plasma model with collisional damping is used to describe the column. The equations are solved numerically, subject to boundary conditions appropriate to an infinite parallel strip line and to an incident plane wave. The results are similar for several density profiles and exhibit semiquantitative agreement with measurements in waveguide. The absorption is spatially limited, especially for small collision frequency, to a narrow hybrid resonant layer and is essentially zero when there is no hybrid layer in the column. The reflection is also enhanced when the hybrid layer is present, but the value of the reflection coefficient is strongly modified by the presence of the glass tube. The nature of the solutions and an extensive discussion of the conditions under which the cold collisional model should yield valid results is presented.

Avaliação das alterações morfológicas, anatômicas e fitoquímicas em folhas de Mentha x Villosa (LAMIACEAE) cultivada em solo contaminado com petróleo e potencial de uso na fitorremediação.

A exploração, processamento, transporte, armazenamento e utilização do petróleo e seus derivados têm resultado em acidentes e vazamentos de proporções variadas e existe uma demanda crescente por soluções técnica, ambiental e economicamente viáveis. É nesse contexto que a fitorremediação ganha evidência e se mostra adequada por aliar um custo-benefício atraente. A fitorremediação utiliza espécies vegetais para extrair, conter, imobilizar ou degradar contaminantes do solo e da água. Além disso, a possibilidade de crescer espécies de valor comercial em solos contaminados que, de outra forma, não teriam qualquer uso, torna-se uma alternativa atraente. O presente trabalho tem por objetivo avaliar a capacidade de fitorremediação de Mentha x Villosa e as alterações fisiológicas e morfológicas em decorrência da contaminação dos solos por petróleo em quatro concentrações (0%, 2%, 4% e 6% p/p) com seis repetições. As variáveis analisadas foram: taxa de sobrevivência, biomassa total seca e fresca, dimensão foliar, densidade de estômatos e densidade de tricomas. Foram feitas análises de hidrcarbonetos totais de petróleo - HTPs presntes no solo no início do experimento e após 90 dias de cultivo. As plantas crescidas em solo contaminado tiveram uma taxa de sobrevivência de 100%. Houve uma tendência ao xeromorfismo nas plantas mantidas em solo contaminado. De acordo com a análise one-way ANOVA (Tukey, I.C. 95%), houve redução significativa da biomassa fresca em plantas crescidas na presença de petróleo em qualquer concentração quando compradas ao controle e, também, redução significativa entre as concentrações 2% versus 4% e 2% versus 6%. Entretanto plantas crescidas em 4% e em 6% não diferiam entre si. Como não houve diferença significativa da biomassa seca para nenhum par, conclui-se que as diferenças observadas em biomassa fresca decorrem da menor absorção e/ou retenção de água por plantas crescidas na presença de petróleo. A presença do petróleo em qualquer concentração resultou em aumento significativo da densidade dos estômatos quando comparada ao controle (0%), particularmente aos 90 dias. Entretanto, não houve diferença significativa entre as plantas crescidas em petróleo nas diferentes concentrações. Aos 30 dias observou-se aumento significativo da densidade dos tricomas apenas em plantas na concentração 6%, comparadas ao controle (0%) e às demais concentrações (2% e 4%). Aos 60 dias, um aumento significativo da densidade de tricomas foi observado em plantas crescidas em todas as concentrações de petróleo (2%, 4% e 6%), quando comparadas ao controle e aos 90 dias, tais diferenças foram mantidas. Mentha x Villosa mostrou ser uma planta com potencial para crescer em solo contaminado com petróleo, sendo que aos 90 dias foi observada uma remoção de 99,90% de HTPs no solo contaminado a 2% (p/p) e de 99,98% de remoção de HTPs no solo contaminado a 4% (p/p).

A via L-arginina-óxido nítrico no transtorno depressivo e sua associação com a função plaquetária e o estresse oxidativo

O transtorno depressivo (TD) é um fator de risco cardiovascular independente que apresenta elevada morbi-mortalidade. Recentes evidências sugerem a participação do óxido nítrico (NO), potente vasodilatador e anti-agregante plaquetário, na patogênese de doenças cardiovasculares e psiquiátricas. A síntese do NO ocorre através da conversão do aminoácido L-arginina em L-citrulina e NO, pela ação da enzima NO sintase (NOS). Esta tese aborda o papel da via L-arginina-NO em plaquetas de pacientes com TD e sua associação com a função plaquetária e estresse oxidativo. Para análise comportamental da depressão em modelo animal, foi utilizado o modelo de estresse pós-natal de separação única (SMU). Os animais foram divididos em quatro grupos para a realização do estudo: Grupo Controle Sedentário (GCS), Grupo Controle Exercício (GCE), Grupo SMU Sedentário (SMUS) e Grupo SMU Exercício (SMUE). O treinamento físico (TF) dos animais englobou 8 semanas, com duração de 30 minutos e uma velocidade de treinamento estabelecida pelo teste máximo (TE). Para o estudo em humanos, 10 pacientes com TD com score Hamilton: 201, (média de idade: 384anos), foram pareados com 10 indivíduos saudáveis (média de idade: 383anos). Os estudos em humanos e animais foram aprovados pelos Comitês de Ética: 1436 - CEP/HUPE e CEUA/047/2010, respectivamente. Foi mensurado em humanos e em animais: transporte de L-arginina, concentração GMPc, atividade das enzimas NOS e superóxido dismutase (SOD) em plaquetas e cortisol sistêmico. Experimentos realizados somente em humanos: expressão das enzimas NOS, arginase e guanilato ciclase através de Western Blotting. A agregação plaquetária foi induzida por colágeno e foi realizada análise sistêmica de proteína C-reativa, fibrinogênio e L-arginina. Para o tratamento estatístico utilizou-se três testes estatísticos para avaliar as diferenças das curvas de sobrevida: Kaplan-Meier, e os testes de Tarone-Ware e Peto-Prentice. Em humanos, houve uma redução do transporte de L-arginina, da atividade das enzimas NOS e SOD, e da concentração de GMPc em plaquetas, e nas concentrações plasmáticas de L-arginina no grupo com TD em relação ao grupo controle. Foi observado um aumento dos níveis plasmáticos de fibrinogênio no TD. Esses resultados demonstram uma inibição da via L-arginina-NO-GMPc e da enzima anti-oxidante SOD em pacientes com TD sem afetar a função plaquetária. Em relação ao TF, para o modelo animal, foram encontradas alterações iniciais quanto à distância percorrida e tempo de execução do TE entre os grupos controles e o grupos SMUs, apresentando estes últimos menores valores para o TE. Após 8 semanas de TF, verificou-se um maior influxo no transporte de L-arginina para o SMUE em comparação ao grupo SMUS. As diferenças observadas para o tempo e a distância percorrida no TE inicial entre os grupos controle e no modelo de estresse foram revertidas após as 8 semanas de TF, demonstrando o efeito benéfico do exercício físico na capacidade cardiorespiratória em modelos de depressão.

Bioestímulo e bioaumento na remediação de solo contaminado com óleo lubrificante usado escala piloto

O óleo lubrificante mineral é amplamente utilizado no cenário mundial no funcionamento de máquinas e motores. No entanto, o ciclo de vida deste petro-derivado resulta na geração de um resíduo (óleo lubrificante usado), o qual é nocivo ao meio ambiente quando não descartado adequadamente ou reciclado. No Brasil, apesar das normas que tratam especificamente do armazenamento, recolhimento e destino de óleo lubrificante usado, grande parte do mesmo ainda é despejado diretamente no meio ambiente, sem qualquer tratamento, sendo de grande importância estudos que visem o entendimento dos processos e o desenvolvimento de tecnologias de remediação de áreas contaminadas por esse resíduo. O objetivo geral do presente trabalho foi conduzir estudos de tratabilidade de solo arenoso contaminado experimentalmente com 5% (m m-1 seco) de óleo lubrificante usado, através de duas diferentes estratégias de biorremediação: bioestímulo e bioaumento. Foram conduzidos dois experimentos. No primeiro, foi avaliada a atividade microbiana aeróbia na biodegradação do OLU através do método respirométrico de Bartha. No segundo, foram montados três biorreatores de fase sólida simulando biopilhas estáticas com aeração forçada, cada um contendo 125 kg de solo e 5% (m m-1 seco) de óleo lubrificante automotivo usado, os quais receberam como tratamento: bioestímulo por ajuste de pH e umidade (BIOSca); bioestímulo por ajuste de pH e umidade associado ao bioaumento com a adição de composto maduro (BIOA1ca) ; e bioestímulo por ajuste de pH e umidade associado ao bioaumento com a adição de composto jovem (BIOA2ca). Foram também montados três biorreatores de bancada simulando biopilhas estáticas sem aeração forçada, cada um contendo 3 kg de solo e 5% (m m-1) do mesmo contaminante, sendo que o primeiro continha solo sem contaminação - CONTsa, o segundo, solo contaminado com ajuste de pH BIOSsa e o terceiro, solo contaminado com adição de 0,3% de azida sódica - ABIOsa. Os tratamentos foram avaliados pela remoção de hidrocarbonetos totais de petróleo (HTPs) e após 120 dias de experimento obteve-se remoções de HTPs de 84,75%, 99,99% e 99,99%, com BIOS, BIOA1 e BIOA2, respectivamente, demonstrando que a estratégia de bioestímulo associada ao bioaumento foram promissoras na remediação do solo contaminado pelo óleo lubrificante usado. Os tratamentos que receberam composto (BIOA1 e BIOA2) não apresentaram diferenças quanto à remoção de HTPs, evidenciando que a fase de maturação dos compostos não apresentou influência na eficiência do processo. No entanto, verificou-se uma eficiência nos tratamentos que receberam composto quando comparado ao tratamento sem adição de composto

Efeitos cardiovasculares da transferência adotiva de linfócitos T reguladores em camundongos submetidos à infusão crônica de angiotensina II e de aldosterona

A angiotensina (Ang) II e aldosterona induzem hipertensão arterial por mecanismos em parte mediados pela imunidade adaptativa, envolvendo linfócitos T auxiliares respondedores (Tresp). Os linfócitos T reguladores (Treg) são capazes de suprimir os efeitos próinflamatórios do sistema imune. O presente estudo avaliou se a transferência adotiva de Treg é capaz de prevenir a hipertensão e a lesão vascular induzidas pela Ang II ou pela aldosterona, em dois protocolos distintos. No protocolo com Ang II, camundongos machos C57BL/6 sofreram a injeção endovenosa de Treg ou Tresp, sendo depois infundidos com Ang II (1μg/kg/min), ou salina (grupo controle) por 14 dias. No protocolo com aldosterona, um outro conjunto de animais sofreu injeções de Treg ou Tresp, sendo depois infundido com aldosterona (600μg/kg/d) ou salina (grupo controle), pelo mesmo intervalo de tempo. O grupo tratado com aldosterona recebeu salina 1% na água. Tanto o grupo Ang II como aldosterona apresentaram elevação da pressão arterial sistólica (43% e 31% respectivamente), da atividade da NADPH oxidase na aorta (1,5 e 1,9 vezes, respectivamente) e no coração (1,8 e 2,4 vezes, respectivamente) e uma redução da resposta vasodilatadora à acetilcolina (de 70% e 56%, respectivamente), quando comparados com os respectivos controles (P<0,05). Adicionalmente, a administração de Ang II proporcionou um aumento rigidez vascular (P<0,001), na expressão de VCAM-1 nas artérias mesentéricas (P<0,05), na infiltração aórtica de macrófagos e linfócitos T (P<0,001) e nos níveis plasmáticos das citocinas inflamatórias interferon (INF)-γ, interleucina (IL)-6, Tumor necrosis factor (TNF)-α e IL-10 (P<0,05). Ang II causou uma queda de 43% no número de células Foxp3+ no córtex renal, enquanto que a transferência adotiva de Treg aumentou as células Foxp3+ em duas vezes em comparação com o controle. A administração de Treg preveniu o remodelamento vascular induzido pela aldosterona, observado na relação média/lúmen e na área transversal da média das artérias mesentéricas (P<0,05). Todos os parâmetros acima foram prevenidos com a administração de Treg, mas não de Tresp. Estes resultados demonstram que Treg são capazes de impedir a lesão vascular e a hipertensão mediadas por Ang II ou por aldosterona, em parte através de ações antiinflamatórias. Em conclusão, uma abordagem imuno-modulatória pode prevenir o aumento da pressão arterial, o estresse oxidativo vascular, a inflamação e a disfunção endotelial induzidos por Ang II ou aldosterona.

Experimental, Numerical and Analytical Studies of the MHD-driven plasma jet, instabilities and waves

This thesis describes a series of experimental, numerical, and analytical studies involving the Caltech magnetohydrodynamically (MHD)-driven plasma jet experiment. The plasma jet is created via a capacitor discharge that powers a magnetized coaxial planar electrodes system. The jet is collimated and accelerated by the MHD forces.

We present three-dimensional ideal MHD finite-volume simulations of the plasma jet experiment using an astrophysical magnetic tower as the baseline model. A compact magnetic energy/helicity injection is exploited in the simulation analogous to both the experiment and to astrophysical situations. Detailed analysis provides a comprehensive description of the interplay of magnetic force, pressure, and flow effects. We delineate both the jet structure and the transition process that converts the injected magnetic energy to other forms.

When the experimental jet is sufficiently long, it undergoes a global kink instability and then a secondary local Rayleigh-Taylor instability caused by lateral acceleration of the kink instability. We present an MHD theory of the Rayleigh-Taylor instability on the cylindrical surface of a plasma flux rope in the presence of a lateral external gravity. The Rayleigh-Taylor instability is found to couple to the classic current-driven instability, resulting in a new type of hybrid instability. The coupled instability, produced by combination of helical magnetic field, curvature of the cylindrical geometry, and lateral gravity, is fundamentally different from the classic magnetic Rayleigh-Taylor instability occurring at a two-dimensional planar interface.

In the experiment, this instability cascade from macro-scale to micro-scale eventually leads to the failure of MHD. When the Rayleigh-Taylor instability becomes nonlinear, it compresses and pinches the plasma jet to a scale smaller than the ion skin depth and triggers a fast magnetic reconnection. We built a specially designed high-speed 3D magnetic probe and successfully detected the high frequency magnetic fluctuations of broadband whistler waves associated with the fast reconnection. The magnetic fluctuations exhibit power-law spectra. The magnetic components of single-frequency whistler waves are found to be circularly polarized regardless of the angle between the wave propagation direction and the background magnetic field.

Plasma loop and strapping field dynamics: reproducing solar eruptions in the laboratory

Coronal mass ejections (CMEs) are dramatic eruptions of large, plasma structures from the Sun. These eruptions are important because they can harm astronauts, damage electrical infrastructure, and cause auroras. A mysterious feature of these eruptions is that plasma-filled solar flux tubes first evolve slowly, but then suddenly erupt. One model, torus instability, predicts an explosive-like transition from slow expansion to fast acceleration, if the spatial decay of the ambient magnetic field exceeds a threshold.

We create arched, plasma filled, magnetic flux ropes similar to CMEs. Small, independently-powered auxiliary coils placed inside the vacuum chamber produce magnetic fields above the decay threshold that are strong enough to act on the plasma. When the strapping field is not too strong and not too weak, expansion force build up while the flux rope is in the strapping field region. When the flux rope moves to a critical height, the plasma accelerates quickly, corresponding to the observed slow-rise to fast-acceleration of most solar eruptions. This behavior is in agreement with the predictions of torus instability.

Historically, eruptions have been separated into gradual CMEs and impulsive CMEs, depending on the acceleration profile. Recent numerical studies question this separation. One study varies the strapping field profile to produce gradual eruptions and impulsive eruptions, while another study varies the temporal profile of the voltage applied to the flux tube footpoints to produce the two eruption types. Our experiment reproduced these different eruptions by changing the strapping field magnitude, and the temporal profile of the current trace. This suggests that the same physics underlies both types of CME and that the separation between impulsive and gradual classes of eruption is artificial.

Optimized condition for etching fused-silica phase gratings with inductively coupled plasma technology

Polymer deposition is a serious problem associated with the etching of fused silica by use of inductively coupled plasma (ICP) technology, and it usually prevents further etching. We report an optimized etching condition under which no polymer deposition will occur for etching fused silica with ICP technology. Under the optimized etching condition, surfaces of the fabricated fused silica gratings are smooth and clean. Etch rate of fused silica is relatively high, and it demonstrates a linear relation between etched depth and working time. Results of the diffraction of gratings fabricated under the optimized etching condition match theoretical results well. (c) 2005 Optical Society of America.

Emprego de microscopia de fluorescência para a quantificação microbiana em amostras salinas da indústria do petróleo

Os micro-organismos constituem um grande problema em termos econômicos para a indústria petrolífera. Estes são responsáveis pela produção de substâncias corrosivas e a formação de biofilmes, que causam deterioração dos materiais metálicos. Os principais grupos microbianos presentes em amostras ambientais da indústria do petróleo são as bactérias anaeróbias heterotróficas totais (BANHT) e as bactérias redutoras de sulfato (BRS). Atualmente, a quantificação desses grupos microbianos é realizada através da técnica do Número Mais Provável (NMP) que estima o resultado em aproximadamente 28 dias. Neste trabalho foi otimizada uma metodologia para a microscopia de fluorescência de amostras salinas provenientes de tanques de armazenamento de água/óleo. As condições testadas foram o tipo de óleo de imersão, o tipo de diluente, o volume do corante, o volume da amostra corada e a concentração do fixador (glutaraldeído) numa tentativa de correlacionar com resultados de quantificação de BANHT e BRS através da técnica convencional do NMP. Nesse caso, as células totais foram quantificadas por microscopia de fluorescência utilizando o corante fluorescente laranja de acridina (AO). Verificou-se que houve uma correlação entre os resultados da quantificação de células totais por microscopia de fluorescência e os resultados de BANHT pela técnica do NMP, devido a pouca variação de valores expressos em ambas as quantificações. Entretanto, não foi possível correlacionar os resultados da quantificação de células totais com os resultados de BRS por NMP devido à grande variação dos valores de quantificação de BRS. Na microscopia de fluorescência, foi possível, quantificar os micro-organismos em aproximadamente 30 minutos e através das fotografias, verificou-se ainda que as amostras apresentaram-se nítidas e os micro-organismos com uma boa fluorescência

Fabrication of fused silica phase gratings with inductively coupled plasma technology

Inductively coupled plasma (ICP) technology is a new advanced version of dry-etching technology compared with the widely used method of reactive ion etching (RIE). Plasma processing of the ICP technology is complicated due to the mixed reactions among discharge physics, chemistry and surface chemistry. Extensive experiments have been done and microoptical elements have been fabricated successfully, which proved that the ICP technology is very effective in dry etching of microoptical elements. In this paper, we present the detailed fabrication of microoptical fused silica phase gratings with ICP technology. Optimized condition has been found to control the etching process of ICP technology and to improve the etching quality of microoptical elements greatly. With the optimized condition, we have fabricated lots of good gratings with different periods, depths, and duty cycles. The fabricated gratings are very useful in fields such as spectrometer, high-efficient filter in wavelength-division-multiplexing system, etc..