الطاقة
المواد الكهروضغطية – أكثر مصدر طاقة غير معروف شائع
With new practical applications being developed every day, the piezoelectric industry is متوقعة to reach roughly $41 billion within the coming three years, with a compound annual growth rate of nearly 6%. This boom will allow for the further development and implementation of high-tech amorphous and film-based piezoelectric polymers in the modern world.
ما هي المواد الكهروضغطية؟
Piezoelectric materials allow for us to harness kinetic energy, by transforming force into an electric charge. First defined by the Curie brothers in 1880, Piezoelectricity has become a fundamental principle exploited in modern technology.
تشير الكهروضغطية إلى قدرة المادة على إنتاج شحنة كهربائية عندما يُطبق إجهاد ميكانيكي. تُنتج هذه الشحنة الكهربائية نتيجة للتماثل القسري. في المواد الكهروضغطية، تُفصل الشحنات الموجبة والسالبة عن بعضها البعض، مع بقائها مرتبة بنمط متماثل. عندما يُطبق إجهاد ميكانيكي على المادة، يُفقد هذا التماثل، مما يؤدي إلى إنتاج شحنة كهربائية.
الطور بيتا لـ PVDF.
خاصية فريدة أخرى للمواد هي الطبيعة العشوائية ووجود نطاقات وايس (موجهة مغناطيسياً دون تأثير مغناطيسي خارجي).
اُكتشف لاحقاً أن هذه المواد نفسها تُظهر خاصية عكسية مباشرة للتأثير الكهربائي. وُجد أنه إذا تم تطبيق شحنة كهربائية على المادة، فإن تشوهًا ميكانيكيًا قابلًا للتكرار سيحدث داخل المادة. قدم هذا الاكتشاف فائدة كبيرة لهذه المواد، حيث ضاعف تقريبًا من حالات استخدامها المحتملة.
المصنعون والمبتكرون
قبل أن نتعمق في أمثلة حالات الاستخدام الواقعية، إليكم ثلاث شركات رائدة تستفيد من المواد الكهروضغطية عبر مجموعة متنوعة من المنتجات الأساسية في الإلكترونيات الحديثة.
ومن الجدير بالذكر أن محللي Barr’s يصنفون كل من الأسهم التالية إما كـ ‘مبالغ فيها’ أو ‘شراء’.
Stoneridge (SRI)
مدرجة في بورصة نيويورك، شهدت أسهم Stoneridge (SRI) زيادة في القيمة بأكثر من 30٪ خلال العام الماضي وقت كتابة هذا المقال. بينما تضرّرت إيرادات Stoneridge خلال ذروة جائحة كوفيد، شهد عام 2021 انتعاشًا بنحو 20٪ تقريبًا إلى 770 مليون دولار.
Stoneridge توظّف أكثر من 5,000 موظف، وتعمل من ولاية ميشيغان.
Methode Electronics (MEI)
مدرجة في بورصة نيويورك، شهدت أسهم Methode Electronics Inc. زيادة في القيمة بنحو 15٪ تقريبًا خلال العام الماضي وقت كتابة هذا المقال. خلال السنوات الأربع الماضية، نجحت Methode Electronics في استمرار نمو إيراداتها بين 2.36٪ و10.13٪ سنويًا. بالنسبة لعام 2022، تجاوزت الإيرادات 1.16 مليار دولار.
Methode Electronics توظّف أكثر من 7,000 موظف، وتعمل من ولاية إلينوي.
Kimball Electronics Inc. (KE)
مدرجة في ناسداك، شهدت أسهم Kimball Electronics Inc. زيادة في القيمة بأكثر من 32٪ خلال العام الماضي وقت كتابة هذا المقال. بينما عانت الشركات المذكورة أعلاه من 2019 إلى 2020، نجحت Kimball Electronics في الاستمرار بزيادة إيراداتها. حيث بلغت إيراداتها 1.35 مليار دولار لعام 2022، ما يمثل زيادة بنسبة 4.47٪ عن عام 2021.
Kimball Electronics توظّف أكثر من 7,000 موظف، وتعمل من ولاية إنديانا.
التطورات الحديثة
تقليديًا، كانت المواد الكهروضغطية الطبيعية تُستخدم لإظهار التأثير. كان الكوارتز هو المادة الأكثر شيوعًا. عندما وصلت حدود المواد الطبيعية، أصبحت السيراميك المصنوع يدويًا هو الخيار الشائع. تم تصميم PZT (رصاص زركونات التيتانات) في عام 1952، ولا يزال أحد أكثر السيراميك الكهروضغطي شهرة اليوم. ومع ذلك، بسبب عيوب مثل التشوه المحدود، الهشاشة، والكثافة الكتلية العالية، لا يُعد PZT مثاليًا لكل تطبيق.
في عام 1964 تم تطوير PVDF (بوليفينيليدين فلوريد). يتمتع PVDF ببنية شبه بلورية ويولد شحنات أكبر بكمية عدة مرات مقارنة بالكوارتز. على الرغم من أن هذا البوليمر الصناعي عالج العديد من عيوب PZT، إلا أنه يمتلك عيوبًا خاصة به – انهيارات كهروضغطية عند درجات حرارة عالية، وتدهور. مع التقدم التكنولوجي الأخير والطلب المتزايد، قد تكون كل من PZT و PVDF قد وصلتا إلى حدودهما.
في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، بدأت مؤسسات مثل GAIKER-IK4 في تطوير ما يُعرف بالبوليمرات الكهروضغطية غير المتبلورة. من خلال الاستفادة من بنية غير متبلورة، يمكن للمادة تحمل درجات حرارة أعلى بكثير. نظرًا لأن التأثيرات الكهروضغطية لا تعتمد على البنية البلورية التي تتدهور عند درجات حرارة مرتفعة، فإن البنى غير المتبلورة تُنتج بوليمرًا أكثر صلابة.
يتم تطوير هذه البوليمرات غير المتبلورة لأنها توفر مستويات أعلى من التشوه، تخفيض كبير في الوزن، ومتانة أكبر. من خلال تحقيق ذلك، يتيح مجال تطبيقات هذه المواد الآن دمجها في قطاع الفضاء والأجهزة الإلكترونية. مع البوليمرات والأفلام الكهروضغطية غير المتبلورة الجديدة التي يتم تطويرها، سيحدث الفشل أثناء الاستخدام عند درجات حرارة تقارب 150°C وما فوق. سيتدهور المادة عند حوالي 400°C. بينما قد يحد ذلك من استخدامها في الظروف القصوى، فإن الغالبية العظمى من التطبيقات تقع ضمن نطاق مناسب.
مثل العديد من المواد الجديدة، يتم تطوير هذه البوليمرات باستخدام PVDF و PVT كأساسيات. يتم السعي للحفاظ على الخصائص الإيجابية لكل مادة مع القضاء على أكبر عدد ممكن من العيوب. على الرغم من أن هذه المنتجات هي بوليمرات أحدث، إلا أنها مستندة إلى النماذج الحالية العاملة.
باستخدام بنية غير متبلورة، يجب إجراء اختبارات مكثفة على درجات حرارة الانتقال الزجاجي المثلى. هذه القيمة مرتبطة مباشرة بقوة الخصائص الكهروضغطية التي ستمتلكها المادة. تُظهر البنية غير المتبلورة وتعتمد على ترتيب قصير المدى لإنتاج تأثير كهروضغطي، بدلاً من الترتيب طويل المدى كما هو الحال في البنى البلورية. بالإضافة إلى ذلك، يختار الكثيرون دمج البولي إيميدات في بنية المواد بسبب خصائصها الميكانيكية، العازلة، والحرارية، حيث تضمن البولي إيميدات توجيه الجزيئات بغض النظر عن موقعها.
حالات الاستخدام
تشمل التطبيقات السابقة والحالية للمواد الكهروضغطية العديد من العناصر غير الملحوظة مثل الولاعات، وساعات الكوارتز، وحتى أنظمة إدارة المحركات. الاستخدام الأكثر شيوعًا لها حاليًا هو في المستشعرات والمحركات. بينما تم تطبيق المواد الكهروضغطية المناسبة لهذه الاستخدامات، تتطلب التطبيقات المستقبلية مادة أكثر تنوعًا. لحسن الحظ، البوليمرات الكهروضغطية المطورة هي بالضبط ذلك – متعددة الاستخدامات. مع التقدم المستمر في فهمنا لعلم المواد، وقدرتها على إظهار تأثيرات عكسية مباشرة، يزداد عدد التطبيقات التي يمكن استخدامها فيها. تشمل بعض التطبيقات الحالية والمستقبلية المثيرة للاهتمام ما يلي،
الإلكترونيات المحمولة والقابلة للارتداء
الهواتف المحمولة والأجهزة القابلة للارتداء التي تعمل بالصوت. من خلال الاستفادة من الضغط المتولد داخل الميكروفون نتيجة الموجات الصوتية، يمكن للبوليمرات الكهروضغطية أن تخلق يومًا ما طاقة كافية لتشغيل الهاتف. على الرغم من أنه من غير المرجح أن يلغي هذا المفهوم الحاجة إلى بطارية تمامًا في أي وقت قريب، إلا أنه يخلق إمكانية إطالة عمر البطارية في الأجهزة الذكية القابلة للارتداء ذات الاستهلاك المنخفض.
من الجدير بالذكر أن المواد الكهروضغطية تُستخدم في الميكروفونات منذ ما يقرب من 100 عام حتى الآن. بدلاً من أن يكون الهدف النهائي شحن جهاز، تسمح هذه التطبيقات بتحويل الموجات الصوتية إلى كهرباء لغرض التسجيل والتشغيل بطريقة اقتصادية.
أنظمة التخميد
تطبيق آخر هو استخدام المواد الكهروضغطية في أنظمة التخميد. قامت شركات مثل HEAD بدمج هذه الفكرة في مضارب التنس والزلاجات الخاصة بها في محاولة لامتصاص/تخميد الاهتزازات. عندما يحدث تأثير على المضرب أو الزلاجة، يتم استغلال التأثير المتبادل عن طريق إرسال الإشارة الكهربائية المتولدة إلى مادة عكسية توفر قوة معاكسة. ينتج عن ذلك نظام تخميد فعال.
يتم تطبيق نفس المفهوم لتقليل الضوضاء والاهتزاز في السيارات، المنازل، وفي بيئات العمل الخطرة. مثال على ذلك هو مزارع تعدين البيتكوين. ليست الاهتزازات ضارة بالمعدات الإلكترونية على المدى الطويل فحسب، بل هناك حالات متعددة لمجتمعات محيطة بهذه العمليات تشتكي من الضوضاء والاهتزازات الناتجة عن استخدام أجهزة ASIC. في العديد من السيناريوهات المشابهة، تُستخدم المشغلات القائمة على البيزو كحل لتخميد كل هذه التأثيرات. مع توليد موجات صوتية في السيارات، المنازل، والآلات بسبب ارتداد المواد، يمكن أيضًا القضاء على هذا الضوضاء، أو على الأقل تقليلها، باستخدام طرق تقليدية مثل مادة تخميد لاصقة. هذه المواد تعمل بشكل سلبي، وهي ثقيلة ومكلفة. عادةً ما تعمل عن طريق خفض تردد الرنين للمادة. استغلال خصائص البوليمرات الكهروضغطية يحل هذه المشكلة من خلال اتخاذ النهج النشط والديناميكي المذكور أعلاه.
حلول التنظيف
لإظهار مدى تنوع حالات استخدام المواد الكهروضغطية، انظر إلى الأعمال التي تقوم بها شركات مثل Solar PiezoClean. في هذه الحالة، تقوم الشركة بطلاء الألواح الشمسية بفيلم كهروضغطي. الهدف هو تقديم وسيلة صيانة منخفضة للحفاظ على نظافة الألواح الشمسية – وهو أمر أساسي لضمان الكفاءة المثلى.
تتضمن هذه العملية تطبيق شحنة كهربائية على الفيلم، مما يجعله يهتز بتردد ونغمة محددة تسمح للغبار والأوساخ بالسقوط بسهولة بمساعدة الجاذبية. ما يعنيه ذلك هو توفير في الماء واليد العاملة، مع زيادة طول عمر وكفاءة الألواح المطليّة. حل بسيط، لكنه عبقري لمشكلة تتزايد مع انتشار تركيبات الطاقة الشمسية.
تشمل التطبيقات الشائعة للمواد الكهروضغطية بهذه الطريقة أجهزة التنظيف بالموجات فوق الصوتية مثل منظفات المجوهرات.
الفضاء الجوي
سبق وأن ذكرنا استخدام المواد الكهروضغطية في قطاع الفضاء الجوي. هنا، يمكن للطائرات الاستفادة من هذه المواد لمراقبة سلامة الهيكل والعوامل الضاغطة من خلال قياس الشحنات الكهربائية المتولدة – وهو استخدام يمكن أن يتيح ليس فقط زيادة السلامة، بل أيضًا كفاءات أكبر من خلال تمكين المهندسين من تقليل الوزن وتعزيز الهياكل حسب الحاجة.
عند الخروج من غلافنا الجوي، تُستخدم المشغلات الكهروضغطية في العديد من الأقمار الصناعية. تمكن القدرة على العمل بدقة عالية هذه المشغلات من إنشاء محركات دفع دقيقة قادرة على تموضع الأقمار الصناعية بشكل صحيح.
أدوات التشخيص في الرعاية الصحية
مع تحسين قدرتنا على إنشاء أجهزة أصغر فأصغر، نستخدم الآن المواد الكهروضغطية في أدوات تشخيصية مختلفة ضمن الرعاية الصحية. مثال على ذلك هو الموجات فوق الصوتية داخل الأوعية الدموية (IVUS). يتيح IVUS عملية تسمح للمجسات الصغيرة بإنتاج صور من داخل الأوعية الدموية. يتم ذلك من خلال استخدام محولات صوتية فوق صوتية مبنية على بلورات كهروضغطية مفردة.
تُستخدم المواد الكهروضغطية أيضًا في بعض معدات طب الأسنان. مشابهًا لحل التنظيف الذي تستخدمه SolarClean المذكور أعلاه، تعتمد هذه المعدات على الموجات فوق الصوتية، التي تُنتج عند تطبيق تيار كهربائي على المواد الكهروضغطية، لتنظيف وإزالة البلاك من الأسنان.
السونار
يمكن استخدام أنظمة السونار (الملاحة الصوتية وتحديد المدى) لتوفير التصوير أو للاتصالات. تشمل أمثلة التصوير رسم خرائط طوبوغرافية لقاع المحيطات أو أجهزة العثور على الأسماك اليومية. في حين يمكن تحقيق الاتصالات من خلال إنشاء موجات صوتية. كل هذه العمليات ممكنة بفضل استخدام محولات كهروضغطية.
على الرغم من تطويره قبل أكثر من 100 عام، لا يزال السونار يلعب دورًا مهمًا اليوم. أحدث مثال واسع الانتشار هو تطبيقه في السيارات ذاتية القيادة، التي عادةً ما تستخدم مزيجًا من السونار، والليدار، والرادار لتتبع وتفسير البيئة المحيطة.
استخلاص الطاقة
أخيرًا، تطبيق مثير للغاية هو إنتاج الطاقة على نطاق واسع. يتم تطوير البوليمرات الكهروضغطية لتوضع في مناطق ذات حركة مرور عالية، بما في ذلك مختلف المصانع، الملاعب الرياضية، محطات القطارات، وأكثر حول العالم. قطعة من الكوارتز بحجم 1 سم3 قادرة على إنتاج ما يصل إلى 4,500 فولت من الكهرباء عند تطبيق قوة قدرها 175 رطلاً.
مع كل خطوة قدم تضرب الأرض في هذه المحطات، يتم توليد هذه الكهرباء، مما يتيح إمكانية استغلال كميات هائلة منها يوميًا – مما يزيد بشكل كبير من كفاءة وتكاليف الكهرباء للمبنى.
بعيدًا عن حركة الأقدام، تخيل الكثيرون مستقبلًا تُدمج فيه الطرق بهذه المواد، لتوليد الكهرباء لتشغيل أضواء الشوارع واللافتات عندما تمارس السيارات قوةً فيزيائية عليها.
عند الجمع بينها، من المتوقع أن تسمح تقنيات المستقبل مثل الشحن اللاسلكي للسيارات التي تطورها Electreon، والأسطح المزوّدة بالطاقة التي تقدمها شركات مثل Pavegen، يومًا ما بتقليل حجم البطاريات في المركبات، وتوفير طريقة أكثر كفاءة ونظافة لشحن المركبات الكهربائية.
الكلمة الختامية
بشكل عام، لا يزال إمكانات المواد الكهروضغطية في بدايتها لتُدرك. تم اكتشاف تأثيرات الفوتوفولطية التي تجعل الطاقة الشمسية ممكنة في منتصف القرن التاسع عشر، وهي الآن فقط تصبح عملية للاستخدام الواسع. المواد الكهروضغطية ليست استثناءً، ومع استمرار البحث والتطوير في هذه المواد، تتزايد الكفاءة والمتانة تباعًا. إن التقدم العلمي الحديث يتيح لنا الآن إدراك، أو على الأقل فهم، الإمكانات الكاملة لهذا المصدر للطاقة، حيث أن حالات الاستخدام المذكورة هنا (توليد الكهرباء، تخميد الصوت، السونار، المستشعرات، المشغلات، إلخ) هي مجرد عدد قليل من بين إمكانات لا حصر لها.
