Piezoelektrische Materialien – eine verbreitete, aber wenig bekannte Technologie

Neue praktische Anwendungen werden laufend entwickelt. Im Bericht von MarketsandMarkets aus dem Jahr 2022 wurde erwartet, dass der Markt für piezoelektrische Bauteile von rund 30,8 Milliarden Dollar 2022 auf 41 Milliarden 2027 wachsen würde, entsprechend 5,9% pro Jahr. Das war eine Prognose, kein gesichertes Ergebnis für die drei Jahre nach 2023. Die Nachfrage kann die Forschung an amorphen Polymeren und dünnen Filmen fördern.

Was sind piezoelektrische Materialien?

Piezoelektrische Materialien können einen Teil mechanischer Energie in eine elektrische Reaktion umwandeln. Die Brüder Curie entdeckten 1880 den direkten piezoelektrischen Effekt. Er wird heute in zahlreichen Technologien eingesetzt.

Mechanische Spannung verändert in einem geeigneten Material die elektrische Polarisation, wodurch Ladung an den Oberflächen entsteht. Der Effekt hängt mit einer nicht zentrosymmetrischen Struktur oder ausgerichteter polarer Ordnung zusammen. Nicht jeder symmetrische Stoff wird allein durch Zusammendrücken piezoelektrisch.

PVDF-Beta-Phase.

Einige ferroelektrische Piezomaterialien besitzen Domänen elektrischer Polarisation. Diese dürfen nicht mit magnetischen Weiss-Domänen verwechselt werden. Quarz ist piezoelektrisch ohne Ferroelektrizität oder solche Domänen. Elektrische Polarisation und magnetische Ausrichtung sind unterschiedliche Eigenschaften.

Beim inversen piezoelektrischen Effekt verformt ein elektrisches Feld das Material. Der direkte Effekt dient Sensoren und der Energiegewinnung aus Bewegung, der inverse Aktuatoren und der Ultraschallerzeugung. Beide erweitern die Anwendungen, ohne Energie aus dem Nichts zu erzeugen.

Hersteller und Innovatoren

Vor den Anwendungen werden drei im Artikel genannte Elektronikunternehmen vorgestellt. Die Finanzdaten betreffen jeweils das gesamte Unternehmen, nicht nur Umsätze aus piezoelektrischen Produkten.

Der ursprüngliche Artikel verwies auf in Barron’s veröffentlichte Analystenbewertungen wie overweight und buy. Das sind damalige Empfehlungen zur Übergewichtung oder zum Kauf, keine aktuellen Bewertungen oder Renditegarantien.

Stoneridge (SRI)

Laut dem historischen Vergleich des Artikels von Anfang 2023 war die Stoneridge-Aktie (NYSE: SRI) innerhalb eines Jahres um mehr als 30% gestiegen. Nach dem Rückgang während der Pandemie wuchs der Umsatz von 648 Millionen Dollar 2020 auf 770,5 Millionen 2021, rund 18,9%.

Ende 2021 gab es etwa 5.000 Beschäftigte; der Hauptsitz lag in Novi, Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Das an der NYSE notierte Unternehmen Methode Electronics Inc. (MEI ) verzeichnete im damaligen Jahresvergleich einen Kursanstieg von nahezu 15%. Der Artikel nannte für die vier vorhergehenden Jahre jährliche Umsatzsteigerungen von 2,36–10,13%. Im Geschäftsjahr 2022 betrug der Umsatz 1.163,6 Millionen Dollar, gegenüber 1.088 Millionen 2021.

Der Artikel nannte damals mehr als 7.000 Beschäftigte und einen Hauptsitz in Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Das an der Nasdaq notierte Unternehmen Kimball Electronics Inc. (KE ) verzeichnete im historischen Vergleich einen Kursanstieg von über 32%. Der Umsatz wuchs von rund 1,20 Milliarden Dollar im Geschäftsjahr 2020 auf 1,292 Milliarden 2021 und 1,350 Milliarden 2022. Das Wachstum 2022 betrug etwa 4,47%. Umsatzwachstum entspricht nicht notwendigerweise gleichem Gewinnwachstum.

Der Artikel nannte damals mehr als 7.000 Beschäftigte und einen Hauptsitz in Indiana.

Neuere Entwicklungen

Quarz ist ein bekanntes natürliches piezoelektrisches Material. Synthetische Keramiken wurden für unterschiedliche Anforderungen entwickelt. Das in den 1950er-Jahren entwickelte PZT, Blei-Zirkonat-Titanat, liefert eine starke Reaktion. Begrenzte Verformbarkeit, Sprödigkeit, hohe Dichte und der Bleigehalt können einzelne Anwendungen jedoch einschränken.

PVDF, Polyvinylidenfluorid, ist ein teilkristallines Polymer. Heiji Kawai veröffentlichte seine starke piezoelektrische Reaktion 1969, nicht 1964. Sie hängt von polarer Phase, Ausrichtung und Polung ab. Manche Koeffizienten können die von Quarz übersteigen, aber nicht alle Messgrößen und Bedingungen erlauben denselben Vergleich. PVDF ist flexibler als Keramik, doch Wärme und Alterung können die Polarisation schwächen. PZT und PVDF werden weiterentwickelt; ihre Möglichkeiten sind nicht ausgeschöpft.

In den 2000er-Jahren untersuchte GAIKER-IK4 amorphe polare Polymere, etwa Polyimide, für höhere Temperaturen. Amorphen Materialien fehlt die periodische Fernordnung von Kristallen. Das garantiert nicht automatisch höhere Wärmebeständigkeit; chemische Struktur und stabile Polarisation sind ebenfalls wichtig.

Leichte, flexible und robuste Materialien werden entwickelt und können Elektronik sowie Luft- und Raumfahrt unterstützen. Die verlinkte Science-Studie behandelt jedoch große piezoelektrische Reaktionen, die durch die Neuordnung von Sauerstoffleerstellen in zentrosymmetrischen Oxiden induziert werden, nicht amorphe Polymere. Die ursprünglich genannten rund 150°C für Funktionsverlust und 400°C für Zersetzung sind keine universellen Grenzen aller Polymere. Sie müssen für das jeweilige Material und die Versuchsbedingungen bewertet werden.

Weitere Forschungsrichtungen umfassen PVDF, Copolymere und Verbundwerkstoffe. Amorphe Polyimide gehören zu einer anderen Materialfamilie. Nicht alle neuen Polymere basieren allgemein auf PVDF und “PVT”. Ziel ist, nützliche Eigenschaften zu kombinieren und Nachteile zu verringern.

Bei amorphen Polymeren sind Glasübergangstemperatur, molekulare Beweglichkeit und Stabilität der Polarisation wichtig. Nahordnung beschreibt lokale räumliche Struktur. Polyimide werden wegen ihrer mechanischen, dielektrischen und thermischen Eigenschaften untersucht. Die Polung erfordert geeignete elektrische Felder, Temperaturen und Zeiten; Polyimid allein garantiert nicht die Ausrichtung aller Moleküle.

Anwendungen

Etablierte Anwendungen sind Feuerzeuge, Quarzuhren und Sensoren zur Motorsteuerung. Sensoren nutzen den direkten Effekt, Aktuatoren den inversen. Polymere können geringes Gewicht und Flexibilität bieten, Keramiken oft eine stärkere Reaktion. Neue Materialien erweitern die Möglichkeiten, doch keines ist für alles optimal. Die folgenden Beispiele umfassen etablierte Anwendungen und Forschungsideen.

Mobile und am Körper getragene Elektronik

Die Gewinnung von Energie aus Schall oder Bewegung wird für Elektronik untersucht. Normales Sprechen enthält allerdings sehr wenig akustische Energie und belegt keine praktische Möglichkeit, ein Telefon allein durch Reden zu betreiben. Realistischer sind Sensoren und körpernahe Geräte mit sehr niedrigem Verbrauch, bei denen gewonnene Energie die Batterie ergänzt.

Piezoelektrische Elemente werden seit Jahrzehnten in Mikrofonen verwendet, um Schalldruck in elektrische Aufnahmesignale umzuwandeln. Ein Sensorsignal bedeutet nicht ausreichende Leistung zum Laden eines Telefons. Der inverse Effekt kann zur Schallerzeugung dienen.

Dämpfungssysteme

Eine weitere Anwendung ist der Einsatz piezoelektrischer Materialien in Dämpfungssystemen.  Unternehmen wie HEAD haben solche Technologien in Tennisschlägern und Skiern vorgestellt. Je nach Konstruktion kann eine Schaltung die aus Schwingungen entstandene elektrische Energie verbrauchen oder einen Aktuator gegen die Bewegung steuern. Ein separates “inverses Material” ist nicht nötig.

Aktive Schall- und Schwingungsdämpfung wird für Fahrzeuge, Gebäude und Industrieanlagen untersucht. Bitcoin-Mining-Anlagen sind Beispiele für Einrichtungen, deren Nachbarn sich über Lüfter- und Maschinenlärm beschwert haben. Das belegt nicht, dass jede solche Anlage Piezoaktuatoren einsetzt. Passive Dämpfungsmaterialien wandeln mechanische Energie in Wärme um; sie funktionieren nicht alle nur durch Absenkung der Resonanzfrequenz und sind nicht zwangsläufig schwer oder teuer. Die Nutzung piezoelektrischer Eigenschaften ermöglicht aktive und halbaktive Lösungen, deren Wirkung von Konstruktion und Frequenzbereich abhängt.

Reinigungslösungen

Ein Entwicklungsbeispiel zur Reinigung ist die transparente piezoelektrische Folie von Solar PiezoClean, die Staub von Solarmodulen lösen und Wasserverbrauch sowie Wartung reduzieren soll. Das war kein Nachweis verbreiteter kommerzieller Nutzung im Jahr 2023.

Ein wechselndes elektrisches Feld versetzt die Folie in Schwingung. Dadurch kann sich Staub lösen und mit Hilfe der Schwerkraft abfallen. Ziel ist, Wasser und Arbeit zu sparen und den Ertrag zu erhalten. Die Wirksamkeit hängt von Staub, Haftung und Betriebsbedingungen ab; nicht jeder Schmutz fällt automatisch ab.

Eine stärker etablierte Anwendung sind Ultraschallreiniger, beispielsweise für Schmuck.

Luft- und Raumfahrt

Piezoelektrische Sensoren können über elektrische Signale den Zustand von Flugzeugstrukturen und mechanische Belastungen überwachen. Das kann Sicherheit, gezielte Verstärkungen und die Reduktion unnötigen Gewichts unterstützen.

In der Raumfahrt ermöglichen Piezoaktuatoren präzise kleine Bewegungen. Beispielsweise können sie Mikroventile betätigen, die den Treibstofffluss zu Mikrotriebwerken für die Feinsteuerung von Satelliten regeln. Das Material erzeugt nicht selbst reaktionsfreien Antrieb.

Medizinische Geräte

Intravaskulärer Ultraschall (IVUS) verwendet einen kleinen Ultraschallwandler an einem Katheter, um das Innere und die Wände von Blutgefäßen abzubilden, beispielsweise in Herzkranz- und peripheren Arterien. Je nach Konstruktion können piezoelektrische Keramiken oder Einkristalle Ultraschall senden und empfangen. Nicht jedes Gerät erfordert ausschließlich Einkristalle.

Piezoelektrische Ultraschallinstrumente in der Zahnmedizin entfernen Zahnstein und andere Ablagerungen durch elektrisch erzeugte Schwingungen. Das ist eine andere Anwendung als die Reinigung von Solarmodulen, obwohl beide elektromechanische Umwandlung nutzen.

Sonar

Sonar dient der Unterwasserbildgebung und -kommunikation. Beispiele sind die Kartierung des Meeresbodens und das Auffinden von Fischen. Piezoelektrische Wandler können Schallwellen senden sowie Echos oder Kommunikationssignale empfangen.

Sonar hat eine über hundertjährige Geschichte. Verwandte Anwendungen sind Ultraschallsensoren mit kurzer Reichweite zur Park- und Fahrunterstützung. Je nach Fahrzeug werden sie mit Kameras, Radar oder Lidar kombiniert; nicht jedes selbstfahrende Auto nutzt dieselbe Sensoranordnung.

Gewinnung mechanischer Energie

Die Energiegewinnung aus Schritten und Schwingungen wird für Fabriken, Sportplätze, Bahnhöfe und andere stark besuchte Orte untersucht. Der ursprüngliche Artikel nannte eine Quarzprobe mit einem Volumen von 1 cm³, die bei einer Kraft von 175 Pfund, rund 780 Newton, bis zu 4.500 V liefern könne. Das ist kein allgemeines Produktionsversprechen: Die Spannung hängt von Geometrie, Ausrichtung, Belastung und Schaltung ab. Volt messen weder Energie noch Leistung. Eine hohe Leerlaufspannung kann mit sehr geringer Ladung einhergehen und belegt weder große Strommengen noch die Deckung eines wesentlichen Teils des Gebäudeverbrauchs.

Auch in Straßen wird die Energiegewinnung für kleine Verbraucher wie Leuchten und Sensoren vorgeschlagen. Die Energie stammt aus Bewegung und Verformung; zusätzlicher Widerstand kann den Energieverbrauch der Fahrzeuge erhöhen. Es handelt sich nicht um kostenlose Energie.

Das von Electreon entwickelte drahtlose Laden nutzt eine Stromversorgung und induktive Energieübertragung, keinen kostenlosen Strom aus Straßendruck. Pavegen verwendet dagegen elektromagnetische Generatoren in seinen Böden, keine piezoelektrischen Materialien, und nennt etwa 2–4 Joule pro Schritt. Das eignet sich für kleine Verbraucher und interaktive Anwendungen, belegt aber keinen Ersatz für die hauptsächliche Ladeenergie von Elektroautos. Dynamisches drahtloses Laden kann auf geeigneten Strecken kleinere Batterien ermöglichen, ist jedoch eine andere Technologie.

Fazit

Piezoelektrische Materialien sind in Sensoren, Aktuatoren, Ultraschall und Dämpfung etabliert, und neue Zusammensetzungen erweitern die Möglichkeiten. Der photovoltaische Effekt wurde 1839 entdeckt; seine praktischen Anwendungen werden seit Jahrzehnten entwickelt und sind nicht erst jetzt brauchbar geworden. Ebenso verbessert die Forschung an Piezomaterialien Leistung und Haltbarkeit. Bei der Energiegewinnung stammt die Elektrizität aus verfügbarer mechanischer Energie. Die Beispiele hier bilden nur einen Teil des breiten Feldes und unterscheiden sich in Reife und Größenordnung.