المواد الكهروضغطية: تقنية واسعة الاستخدام لكنها أقل شهرة

تتواصل عملية تطوير تطبيقات عملية جديدة. ووفق توقعات تقرير MarketsandMarkets لعام 2022، كان سوق الأجهزة الكهروضغطية مرشحًا للنمو من نحو 30.8 مليار دولار في 2022 إلى 41 مليارًا في 2027، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 5.9%. كان ذلك توقعًا، وليس نتيجة مضمونة خلال ثلاث سنوات من 2023. وقد يدعم الطلب أبحاث البوليمرات غير المتبلورة والأغشية الرقيقة.

ما هي المواد الكهروضغطية؟

تستطيع المواد الكهروضغطية تحويل جزء من الطاقة الميكانيكية إلى استجابة كهربائية. اكتشف الأخوان كوري التأثير الكهروضغطي المباشر عام 1880، وهو مستخدم اليوم في تقنيات عديدة.

عند تعريض مادة مناسبة لإجهاد ميكانيكي، يتغير استقطابها الكهربائي وتظهر شحنات على سطوحها. يرتبط التأثير ببنية غير متناظرة مركزيًا أو بترتيب قطبي موجّه. ولا تصبح كل مادة متناظرة كهروضغطية لمجرد ضغطها.

الطور بيتا لـ PVDF.

تضم بعض المواد الكهروضغطية ذات الخصائص الفيروكهربائية نطاقات استقطاب كهربائي، تختلف عن نطاقات فايس المغناطيسية. ويُظهر الكوارتز الكهروضغطية دون أن يكون فيروكهربائيًا أو أن يمتلك تلك النطاقات. فالاستقطاب الكهربائي والتوجّه المغناطيسي خاصيتان مختلفتان.

في التأثير الكهروضغطي العكسي، يغيّر المجال الكهربائي شكل المادة. ويُستخدم التأثير المباشر في المستشعرات وحصاد الطاقة، والعكسي في المشغلات وتوليد الموجات فوق الصوتية. تتوسع التطبيقات من دون توليد طاقة من العدم.

المصنعون والمبتكرون

قبل التطبيقات، نعرض ثلاث شركات إلكترونيات تناولها المقال. تخص البيانات المالية الشركات كاملة، ولا تقتصر على مبيعات المنتجات الكهروضغطية.

أشار المقال الأصلي إلى تقييمات محللين منشورة في Barron’s مثل overweight وbuy. وهما توصيتان تاريخيتان بزيادة الوزن في المحفظة والشراء، لا تعني الأولى المبالغة في التقييم، ولا تمثلان تقييمًا حاليًا أو ضمانًا للعائد.

Stoneridge (SRI)

وفق مقارنة المقال التاريخية في مطلع 2023، ارتفع سهم Stoneridge المدرج في بورصة نيويورك بالرمز SRI بأكثر من 30% خلال عام. وبعد تراجع الجائحة، ارتفعت الإيرادات من 648 مليون دولار في 2020 إلى 770.5 مليونًا في 2021، أي نحو 18.9%.

بلغ عدد الموظفين نحو 5,000 في نهاية 2021، وكان المقر في نوفي بولاية ميشيغان.

Methode Electronics (MEI)

شركة Methode Electronics Inc. المدرجة في بورصة نيويورك (MEI ) شهدت ارتفاع سهمها بنحو 15% في المقارنة السنوية التاريخية للمقال. وذكر المقال نمو الإيرادات سنويًا بين 2.36% و10.13% في السنوات الأربع السابقة. بلغت إيرادات السنة المالية 2022 نحو 1,163.6 مليون دولار، مقابل 1,088 مليونًا في 2021.

ذكر المقال آنذاك أكثر من 7,000 موظف ومقرًا في إلينوي.

Kimball Electronics Inc. (KE)

شركة Kimball Electronics Inc. المدرجة في ناسداك (KE ) شهدت ارتفاع سهمها بأكثر من 32% في المقارنة التاريخية. نمت الإيرادات من نحو 1.20 مليار دولار في السنة المالية 2020 إلى 1.292 مليار في 2021 و1.350 مليار في 2022. وبلغ نمو 2022 نحو 4.47%. ولا يعني نمو الإيرادات نمو الأرباح بالنسبة نفسها.

ذكر المقال آنذاك أكثر من 7,000 موظف ومقرًا في إنديانا.

التطورات الحديثة

الكوارتز مادة كهروضغطية طبيعية معروفة. وطُورت أيضًا مواد خزفية اصطناعية لاحتياجات مختلفة. ظهر PZT، أي زركونات تيتانات الرصاص، في خمسينيات القرن الماضي ويوفر استجابة قوية. لكن محدودية التشوه والهشاشة والكثافة العالية ومحتوى الرصاص قد تقيد بعض استخداماته.

PVDF، أو بولي فلوريد الفينيليدين، بوليمر شبه متبلور. نشر هيجي كاواي استجابته الكهروضغطية القوية عام 1969، لا 1964. وتعتمد الاستجابة على الطور القطبي والتوجّه والمعالجة الاستقطابية. قد تتجاوز بعض المعاملات نظائرها في الكوارتز، لكن ذلك لا ينطبق على كل المقاييس والظروف. وهو أكثر مرونة من الخزف، إلا أن الحرارة والتقادم قد يضعفان استقطابه. لا تزال أبحاث PZT وPVDF مستمرة، ولم تُستنفد جميع إمكاناتهما.

في العقد الأول من الألفية، بحثت GAIKER-IK4 بوليمرات قطبية غير متبلورة مثل البولي إيميد لتطبيقات أعلى حرارة. تفتقر المواد غير المتبلورة إلى الترتيب الدوري بعيد المدى الموجود في البلورات. ولا يضمن ذلك وحده مقاومة حرارية أعلى؛ فالبنية الكيميائية وثبات الاستقطاب مهمان أيضًا.

يجري تطوير مواد خفيفة ومرنة ومتينة للإلكترونيات والطيران والفضاء. لكن دراسة Science المرتبطة هنا تتناول استجابة كهروضغطية كبيرة مستحثة في أكاسيد متناظرة مركزيًا بإعادة ترتيب فجوات الأكسجين، لا البوليمرات غير المتبلورة. ودرجتا 150°C لفقدان الأداء و400°C للتحلل المذكورتان أصلًا ليستا حدين عامين لكل البوليمرات. يجب تقييمهما بحسب المادة وظروف الاختبار.

تشمل اتجاهات البحث الأخرى PVDF والبوليمرات المشتركة والمواد المركبة. أما البولي إيميدات غير المتبلورة فتنتمي إلى عائلة أخرى. لا توجد قاعدة عامة بأن كل البوليمرات الجديدة تقوم على PVDF و«PVT». والهدف هو الجمع بين الخصائص المفيدة وتقليل العيوب.

تؤثر درجة الانتقال الزجاجي وحركة الجزيئات وثبات الاستقطاب في أداء البوليمرات غير المتبلورة. ويصف الترتيب قصير المدى البنية المكانية المحلية. تُدرس البولي إيميدات لخصائصها الميكانيكية والعازلة والحرارية. وتتطلب المعالجة الاستقطابية مجالًا كهربائيًا ودرجة حرارة ومدة مناسبة؛ فلا يضمن البولي إيميد وحده توجيه جميع الجزيئات.

التطبيقات

تشمل الاستخدامات المستقرة الولاعات وساعات الكوارتز ومستشعرات إدارة المحركات. تستخدم المستشعرات التأثير المباشر، والمشغلات التأثير العكسي. قد توفر البوليمرات الخفة والمرونة، بينما يوفر الخزف غالبًا استجابة أكبر. توسع المواد الجديدة الإمكانات، لكن لا مادة واحدة مثالية لكل استخدام. تشمل الأمثلة التالية تطبيقات مستقرة وأفكارًا قيد البحث.

الإلكترونيات المحمولة والقابلة للارتداء

تُبحث إمكانية حصاد الطاقة من الصوت والحركة للإلكترونيات. لكن الكلام العادي يحتوي على طاقة صوتية ضئيلة جدًا ولا يثبت طريقة عملية لتشغيل الهاتف بمجرد التحدث. والأهداف الأكثر واقعية هي المستشعرات والأجهزة القابلة للارتداء شديدة الانخفاض في استهلاك الطاقة، حيث يمكن للطاقة المحصودة أن تكمل البطارية.

تُستخدم العناصر الكهروضغطية منذ عقود في الميكروفونات لتحويل ضغط الصوت إلى إشارات كهربائية للتسجيل. إنتاج إشارة لا يعني توفير قدرة كافية لشحن الهاتف. ويمكن استخدام التأثير العكسي لإنتاج الصوت.

أنظمة التخميد

تُستخدم المواد الكهروضغطية أيضًا في تخميد الاهتزاز. وقد عرضت شركة HEAD تقنيات من هذا النوع في مضارب التنس والزلاجات. وبحسب التصميم، يمكن للدائرة تبديد الطاقة الكهربائية الناتجة عن الاهتزاز أو التحكم في مشغل يقاوم الحركة. ولا يلزم وجود «مادة عكسية» منفصلة.

يُبحث التحكم النشط في الضوضاء والاهتزاز للمركبات والمباني والمعدات الصناعية. وتُذكر منشآت تعدين البيتكوين مثالًا لمواقع أخذ سكان جوارها يشتكون من ضجيج المراوح والآلات. لا يثبت ذلك استخدام كل منشأة لمشغلات كهروضغطية. تحول مواد التخميد السلبية الطاقة الميكانيكية إلى حرارة؛ ولا تعمل كلها بمجرد خفض تردد الرنين، وليست كلها ثقيلة أو باهظة. استغلال الخصائص الكهروضغطية يتيح حلولًا نشطة وشبه نشطة، تعتمد فعاليتها على التصميم ونطاق الترددات.

حلول التنظيف

من أمثلة تقنيات التنظيف قيد التطوير الغشاء الشفاف الذي تعمل عليه Solar PiezoClean لإزالة الغبار من الألواح الشمسية وتقليل الحاجة إلى الماء والصيانة. لم يكن ذلك دليلًا على انتشار تجاري واسع في 2023.

يجعل المجال الكهربائي المتناوب الغشاء يهتز، ما قد يفكك التصاق الغبار ويساعد على سقوطه بالجاذبية. والهدف توفير الماء والعمل والمحافظة على إنتاج الألواح. تعتمد الفعالية على الغبار والتصاقه وظروف التشغيل؛ فلا تسقط كل الأوساخ تلقائيًا.

تشمل التطبيقات الأكثر رسوخًا أجهزة التنظيف بالموجات فوق الصوتية، مثل منظفات المجوهرات.

الطيران والفضاء

يمكن لمستشعرات كهروضغطية في الطائرات مراقبة حالة الهياكل والإجهاد الميكانيكي عبر إشارات كهربائية. وقد يدعم ذلك السلامة والتعزيز الموجّه وتقليل الوزن غير الضروري.

في تقنية الفضاء، تتحكم المشغلات الكهروضغطية في حركات صغيرة دقيقة. فقد تشغّل صمامات دقيقة تنظم تدفق مادة الدفع في محركات دفع صغيرة لضبط الأقمار الصناعية. ولا تولّد المادة بذاتها دفعًا بلا رد فعل.

الأجهزة الطبية

يستخدم التصوير بالموجات فوق الصوتية داخل الأوعية الدموية (IVUS) محولًا صغيرًا على قسطرة لتصوير داخل الأوعية وجدرانها، مثل الشرايين التاجية والطرفية. وبحسب التصميم، يمكن للخزف الكهروضغطي أو البلورات المفردة إرسال الموجات واستقبالها؛ لا تتطلب كل الأجهزة البلورات المفردة وحدها.

وتستخدم أدوات الأسنان الكهروضغطية اهتزازات فوق صوتية مولدة كهربائيًا لإزالة الجير والترسبات الأخرى. وهذا تطبيق مختلف عن تنظيف الألواح الشمسية، وإن كان كلاهما يعتمد على التحويل الكهروميكانيكي.

السونار

يُستخدم السونار للتصوير والاتصال تحت الماء. ومن أمثلته رسم خرائط قاع البحر وتحديد مواقع الأسماك. تستطيع المحولات الكهروضغطية إرسال موجات صوتية واستقبال أصدائها أو إشارات الاتصال.

للسونار تاريخ يتجاوز مئة عام. ومن التطبيقات ذات الصلة المستشعرات فوق الصوتية قصيرة المدى للمساعدة في ركن المركبات والقيادة. قد تُدمج مع كاميرات أو رادار أو ليدار بحسب المركبة؛ فلا تستخدم كل السيارات ذاتية القيادة المجموعة نفسها.

حصاد الطاقة الميكانيكية

تُبحث إمكانية حصاد الطاقة من الخطوات والاهتزازات في المصانع والملاعب والمحطات والأماكن المزدحمة. ذكر المقال الأصلي عينة كوارتز حجمها 1 سم³ قد توفر حتى 4,500 فولت تحت قوة قدرها 175 رطلًا، أي نحو 780 نيوتن.

هذه ليست نتيجة عامة مضمونة؛ فالجهد يعتمد على الشكل والاتجاه والحمل والدائرة. الفولت لا يقيس الطاقة أو القدرة. وقد يقترن الجهد العالي في الدائرة المفتوحة بشحنة ضئيلة، فلا يثبت إنتاج كميات كبيرة من الكهرباء أو تغطية جزء مهم من استهلاك المبنى.

اقتُرح أيضًا حصاد الطاقة من الطرق لأحمال صغيرة كالإضاءة والمستشعرات. تأتي الطاقة من الحركة والتشوه؛ وقد تزيد المقاومة الإضافية استهلاك المركبة للطاقة. وليست طاقة مجانية.

الشحن اللاسلكي للمركبات الذي تطوره Electreon يعتمد على مصدر كهربائي ونقل الطاقة بالحث، لا على كهرباء مجانية من الضغط على الطريق. أما Pavegen فتستخدم مولدات كهرومغناطيسية في أرضياتها، لا مواد كهروضغطية، وتذكر نحو 2–4 جول لكل خطوة. يلائم ذلك الأحمال الصغيرة والتطبيقات التفاعلية، ولا يثبت استبدال الطاقة الرئيسية لشحن السيارات الكهربائية. وقد يتيح الشحن اللاسلكي أثناء السير بطاريات أصغر على مسارات مناسبة، لكنه تقنية مختلفة.

خاتمة

للمواد الكهروضغطية استخدامات مستقرة في المستشعرات والمشغلات والموجات فوق الصوتية والتخميد، وتوسع التركيبات الجديدة إمكاناتها. اكتُشف التأثير الكهروضوئي عام 1839، وتطورت تطبيقاته العملية عبر عقود؛ فلم يصبح مفيدًا الآن فقط. وبالمثل، تحسن أبحاث المواد الكهروضغطية الأداء والمتانة. في حصاد الطاقة، تأتي الكهرباء من الطاقة الميكانيكية المتاحة. الأمثلة هنا جزء من مجال واسع، وتختلف في نضجها وحجمها.