Piezoelektrische Materialien – Die häufigste unbekannte Energiequelle

With new practical applications being developed every day, the piezoelectric industry is erwartet 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.

Was sind piezoelektrische Materialien?

Piezoelektrische Materialien ermöglichen es uns, kinetische Energie zu nutzen, indem sie Kraft in eine elektrische Ladung umwandeln.  Erst definiert von den Brüdern Curie im Jahr 1880, ist die Piezoelektrizität zu einem grundlegenden Prinzip geworden, das in der modernen Technologie ausgenutzt wird.

Piezoelektrizität bezieht sich auf die Fähigkeit einer Substanz, eine elektrische Ladung zu erzeugen, wenn mechanischer Stress angelegt wird. Diese elektrische Ladung entsteht durch erzwungene Asymmetrie.  In piezoelektrischen Materialien werden positive und negative Ladungen voneinander getrennt, während sie in einem symmetrischen Muster ausgerichtet bleiben.  Wird mechanischer Stress auf die Substanz ausgeübt, geht diese Symmetrie verloren, was zur Erzeugung einer elektrischen Ladung führt.

PVDF-Beta-Phase.

Eine weitere einzigartige Eigenschaft der Materialien ist die zufällige Natur und das Vorhandensein von Weiss‑Domänen (magnetisch ausgerichtet ohne äußeren magnetischen Einfluss).

Später wurde entdeckt, dass dieselben Materialien eine direkte inverse Eigenschaft zum elektrischen Effekt zeigten.  Es wurde festgestellt, dass, wenn eine elektrische Ladung auf das Material angewendet wird, wiederholbare mechanische Verformungen im Material auftreten.  Diese Entdeckung verlieh solchen Materialien großen Nutzen, da sie im Wesentlichen ihre potenziellen Anwendungsfälle verdoppelten.

Hersteller und Innovatoren

Bevor wir zu Beispielen aus der Praxis übergehen, sind nachfolgend drei führende Unternehmen aufgeführt, die piezoelektrische Materialien in einer Vielzahl von Produkten, die für moderne Elektronik unverzichtbar sind, einsetzen.

Bemerkenswerterweise führen Analysten von Barron’s die folgenden Aktien derzeit entweder als ‘übergewichten’ oder ‘Kauf’ auf.

Stoneridge (SRI)

An der NYSE notiert, hat Stoneridge (SRI) seine Aktienkurse zum Zeitpunkt dieses Schreibens im vergangenen Jahr um mehr als 30 % steigen sehen.  Während der Umsatz von Stoneridge während des Höhepunkts von COVID einen Rückschlag erlitt, verzeichnete das Jahr 2021 eine fast 20 %ige Erholung auf 770 Mio. $.
Stoneridge beschäftigt über 5.000 Mitarbeitende und hat seinen Sitz im Bundesstaat Michigan.

Methode Electronics (MEI)

An der NYSE notiert, hat Methode Electronics Inc. seine Aktienkurse zum Zeitpunkt dieses Schreibens im vergangenen Jahr um fast 15 % steigen sehen.  In den letzten vier Jahren hat Methode Electronics es geschafft, den Umsatz jährlich um 2,36 % bis 10,13 % zu steigern.  Für das Jahr 2022 überstieg der Umsatz 1,16 Mrd. $.
Methode Electronics beschäftigt über 7.000 Mitarbeitende und hat seinen Sitz im Bundesstaat Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

An der Nasdaq notiert, hat Kimball Electronics Inc. seine Aktienkurse zum Zeitpunkt dieses Schreibens im vergangenen Jahr um mehr als 32 % steigen sehen.  Während die oben genannten Unternehmen von 2019 bis 2020 Schwierigkeiten hatten, konnte Kimball Electronics kontinuierlich steigende Umsätze verzeichnen.  Mit einem Gesamtumsatz von 1,35 Mrd. $ für 2022 entspricht das einer Steigerung von 4,47 % gegenüber 2021.
Kimball Electronics beschäftigt über 7.000 Mitarbeitende und hat seinen Sitz im Bundesstaat Indiana.

Moderne Fortschritte

Traditionell wurden natürlich vorkommende piezoelektrische Substanzen verwendet, um den Effekt zu demonstrieren.  Am häufigsten war Quarz das bevorzugte Material.  Als die Grenzen der natürlich vorkommenden Substanzen erreicht waren, wurden künstliche Keramiken zur populären Wahl.  Entworfen im Jahr 1952 und bis heute eine der beliebtesten piezoelektrischen Keramiken ist PZT (Bleizirkonat‑Titanat).  Allerdings ist PZT aufgrund von Nachteilen wie begrenzter Verformbarkeit, Zerbrechlichkeit und hoher Massendichte nicht für jede Anwendung ideal.
1964 wurde PVDF (Polyvinylidenfluorid) entwickelt.  PVDF besitzt eine halbkristalline Struktur und erzeugt Ladungen, die mehrere Male größer sind als bei Quarz.  Obwohl dieses künstliche Polymer viele der Nachteile von PZT beseitigte, brachte es eigene Probleme mit – piezoelektrische Durchschläge bei hohen Temperaturen und Degradation.  Mit den jüngsten technologischen Fortschritten und steigenden Anforderungen könnten PZT und PVDF ihre Grenzen erreicht haben.
In den frühen 2000er‑Jahren begannen Institute wie GAIKER‑IK4, sogenannte amorphe piezoelektrische Polymere zu entwickeln.  Durch die Nutzung einer amorphen Struktur kann die Substanz deutlich höhere Temperaturen vertragen.  Da die piezoelektrischen Effekte nicht von der kristallinen Struktur abhängen, die bei höheren Temperaturen zerfällt, ermöglichen amorphe Strukturen ein wesentlich robusteres Polymer.
Diese amorphen Polymere werden entwickelt, weil sie höhere Verformungsgrade, große Gewichtsreduktion und größere Robustheit bieten.  Durch diese Errungenschaften erweitert sich das Anwendungsfeld der Materialien nun um die Integration in Luft- und Raumfahrt‑ sowie Elektronikgeräte.  Mit den neu entwickelten amorphen piezoelektrischen Polymeren und Folien tritt ein Versagen während des Gebrauchs bei Temperaturen von etwa 150 °C und höher auf.  Die Degradation der Substanz erfolgt bei etwa 400 °C.  Obwohl dies ihre Nutzung unter extremen Bedingungen einschränken kann, liegen die meisten Anwendungen innerhalb eines geeigneten Bereichs.
Wie bei vielen neuen Substanzen werden diese Polymere unter Verwendung von PVDF und PVT als Grundlagen entwickelt.  Es wird versucht, die positiven Eigenschaften jedes Materials zu erhalten und gleichzeitig möglichst viele Nachteile zu eliminieren.  Obwohl es sich bei diesen Produkten um neuere Polymere handelt, basieren sie auf den derzeit funktionierenden Modellen.
Durch die Nutzung einer amorphen Struktur muss umfangreich getestet werden, um optimale glasartige Übergangstemperaturen zu bestimmen.  Dieser Wert steht in direktem Zusammenhang mit der Stärke der piezoelektrischen Eigenschaften, die das Material besitzen wird.  Die amorphe Struktur demonstriert und nutzt stattdessen Kurzbereichsordnung, um einen piezoelektrischen Effekt zu erzeugen, im Gegensatz zur Langbereichsordnung, wie sie in kristallinen Strukturen zu sehen ist.  Zusätzlich entscheiden sich viele dafür, Polyimide in die Struktur der Materialien zu integrieren, aufgrund ihrer mechanischen, dielektrischen und thermischen Eigenschaften, wobei die Polyimide die Orientierung der Moleküle unabhängig von ihrer Position sicherstellen.

Anwendungsfälle

Frühere und aktuelle Anwendungen piezoelektrischer Materialien umfassen viele unauffällige Gegenstände wie Feuerzeuge, Quarzuhren und sogar Motorsteuerungen.  Derzeit ist ihr häufigster Einsatz in Sensoren und Aktuatoren.  Während geeignete piezoelektrische Materialien bereits für diese Anwendungsfälle verwendet wurden, erfordern zukünftige Anwendungen ein vielseitigeres Material.  Glücklicherweise sind die sich entwickelnden piezoelektrischen Polymere genau das – vielseitig.  Durch ständige Fortschritte in unserem Verständnis der Materialwissenschaften und ihrer Fähigkeit, direkte inverse Effekte zu zeigen, steigt die Zahl der Einsatzmöglichkeiten weiter an.  Einige faszinierende aktuelle und potenzielle zukünftige Anwendungen umfassen:

Mobile und tragbare Elektronik

Sprachgesteuerte Mobiltelefone und tragbare Geräte.  Durch die Nutzung des im Mikrofon durch Schallwellen erzeugten Drucks können piezoelektrische Polymere hoffentlich eines Tages genug Energie erzeugen, um das Telefon zu betreiben.  Obwohl es unwahrscheinlich ist, dass dieses Konzept den Batteriebedarf in naher Zukunft vollständig eliminiert, eröffnet es die Möglichkeit, die Batterielaufzeit bei wenig stromverbrauchenden tragbaren Smart‑Devices zu verlängern.
Es sollte beachtet werden, dass piezoelektrische Materialien bereits seit fast 100 Jahren in Mikrofonen eingesetzt werden.  Statt das Endziel zu verfolgen, ein Gerät zu laden, ermöglichen diese Anwendungen die Umwandlung von Schallwellen in Elektrizität zum Zweck der Aufnahme und Wiedergabe auf kosteneffiziente Weise.

Dämpfungssysteme

Eine weitere Anwendung ist der Einsatz piezoelektrischer Materialien in Dämpfungssystemen.  Unternehmen wie HEAD haben diese Idee in ihre Tennisschläger und Skier integriert, um Vibrationen zu absorbieren/zu dämpfen.  Wenn ein Aufprall auf den Schläger oder das Ski erfolgt, wird der Gegenwirkungseffekt genutzt, indem das erzeugte elektrische Signal an ein inverses Material gesendet wird, das eine entgegengesetzte Kraft liefert.  Dies führt zu einem effektiven Dämpfungssystem.
Dasselbe Konzept wird zur Geräusch- und Vibrationsreduzierung in Autos, Häusern und in gefährlichen Arbeitsumgebungen angewendet.  Ein Beispiel für eine solche Umgebung sind Bitcoin‑Mining‑Farmen.  Nicht nur schaden Vibrationen der Elektronik auf lange Sicht, es gab verschiedene Fälle von umliegenden Gemeinden, in denen diese Betriebe stattfinden, beschweren über den resultierenden Lärm und die Vibrationen, die durch den Einsatz von ASIC‑Geräten entstehen.  In vielen ähnlichen Szenarien werden piezo‑basierte Aktuatoren als Lösung zur Dämpfung dieser Effekte eingesetzt.  Da Schallwellen in Autos, Häusern und Maschinen durch schwingende Materialien erzeugt werden, kann dieses Geräusch ebenfalls eliminiert oder zumindest reduziert werden, mit herkömmlichen Methoden wie einem klebenden Dämpfungsmaterial.  Diese Materialien wirken passiv, sind jedoch sehr schwer und teuer.  Sie funktionieren typischerweise, indem sie die Resonanzfrequenz eines Materials senken.  Ausnutzen die Eigenschaften von piezoelektrischen Polymeren löst dieses Problem, indem der aktivere und dynamischere Ansatz, wie oben beschrieben, gewählt wird.

Reinigungslösungen

Um zu zeigen, wie vielseitig die Anwendungsfälle für piezoelektrische Materialien sind, betrachten wir die Arbeit von Unternehmen wie Solar PiezoClean.  In diesem Fall beschichtet das Unternehmen Solarpaneele mit einem piezoelektrischen Film.  Der Zweck besteht darin, eine wartungsarme Methode zu bieten, um Solarpaneele sauber zu halten – ein Schlüssel zur Gewährleistung optimaler Effizienz.
Dieser Prozess beinhaltet das Anlegen einer elektrischen Ladung an den Film, der dann mit einer spezifischen Frequenz und Tonhöhe vibriert, sodass Staub und Schmutz einfach durch die Schwerkraft abfallen können.  Das bedeutet Einsparungen bei Wasser und Personal, während die Lebensdauer und Effizienz der beschichteten Paneele erhöht wird.  Eine einfache, aber geniale Lösung für ein Problem, das mit der zunehmenden Verbreitung von Solaranlagen immer größer wird.
Häufigere Implementierungen piezoelektrischer Materialien in dieser Weise umfassen Ultraschallreinigungsgeräte wie Schmuckreiniger.

Luft- und Raumfahrt

Zuvor erwähnten wir den Einsatz piezoelektrischer Materialien im Luft‑ und Raumfahrtsektor.  Hier können Flugzeuge solche Materialien nutzen, um die strukturelle Integrität und Belastungen durch Messung der erzeugten elektrischen Ladungen zu überwachen – ein Anwendungsfall, der nicht nur die Sicherheit erhöht, sondern auch größere Effizienz ermöglicht, indem Ingenieuren gleichzeitig ermöglicht wird, Gewicht zu reduzieren und Strukturen dort zu verstärken, wo es nötig ist.
Jenseits unserer Atmosphäre werden piezoelektrische Aktuatoren in vielen Satelliten eingesetzt.  Die Fähigkeit, mit extremer Präzision zu arbeiten, ermöglicht es solchen Aktuatoren, Mikro‑Thruster zu erzeugen, die eine korrekte Satellitenpositionierung ermöglichen.

Diagnostische Werkzeuge im Gesundheitswesen

Da unsere Fähigkeit, immer kleinere Geräte zu erstellen, sich verbessert, verwenden wir piezoelektrische Materialien nun in verschiedenen diagnostischen Werkzeugen im Gesundheitswesen.  Ein Beispiel dafür ist die intravaskuläre Ultraschalluntersuchung (IVUS).  IVUS ist ein Verfahren, das winzigen Sonden ermöglicht, Bildgebung aus dem Inneren von Blutgefäßen zu erzeugen.  Dies geschieht durch den Einsatz von Ultraschallwandlern, die aus piezoelektrischen Einkristallen gebaut sind.
Piezoelektrische Materialien werden auch in bestimmten zahnmedizinischen Geräten verwendet.  Ähnlich wie die oben beschriebene Reinigungslösung von SolarClean beruht diese Ausrüstung auf Ultraschallwellen, die durch Anlegen eines elektrischen Stroms an die piezoelektrischen Materialien erzeugt werden, um Plaque von Zähnen zu reinigen/zu entfernen.

Sonar

Sonar‑Systeme (Sound Navigation and Ranging) können zur Bildgebung oder zur Kommunikation verwendet werden.  Beispiele für Bildgebung sind die topografische Kartierung von Meeresböden oder alltägliche Fischfinder.  Die Kommunikation kann hingegen durch die Erzeugung von Schallwellen erreicht werden.  Jeder dieser Prozesse wird durch den Einsatz piezoelektrischer Wandler ermöglicht.
Trotz ihrer Entwicklung vor über 100 Jahren spielt Sonar heute weiterhin eine wichtige Rolle.  Das jüngste weit verbreitete Beispiel dafür ist ihre Implementierung in selbstfahrenden Autos, die typischerweise eine Kombination aus Sonar, LIDAR und Radar verwenden, um die Umgebung zu erfassen und zu interpretieren.

Energiegewinnung

Schließlich wäre eine sehr faszinierende Anwendung die großskalige Energieerzeugung.  Piezoelektrische Polymere werden entwickelt, um in stark frequentierten Bereichen eingesetzt zu werden, darunter verschiedene Fabriken, Sportplätze, Bahnhöfe und weitere Standorte weltweit.  Ein 1 cm³-Stück Quarz kann bei einer Kraft von 175 lb bis zu 4.500 V Elektrizität erzeugen.  Mit jedem Schritt, der in solchen Stationen den Boden trifft und diese Elektrizität erzeugt, besteht das Potenzial, täglich enorme Mengen zu nutzen – was die Effizienz und die Stromkosten für das Gebäude erheblich steigert.
Jenseits des Fußgängerverkehrs haben viele eine Zukunft envisioniert, in der Straßen mit solchen Materialien durchdrungen sind, die Strom erzeugen, um Straßenlaternen und Schilder zu betreiben, während Autos physische Kraft auf sie ausüben.
Wenn sie kombiniert werden, könnten zukünftige Technologien wie das von Electreon entwickelte drahtlose Laden von Autos und von Unternehmen wie Pavegen bereitgestellte stromerzeugende Oberflächen eines Tages dazu führen, dass die Batteriekapazität in Fahrzeugen reduziert wird und eine viel effizientere und sauberere Möglichkeit entsteht, Elektrofahrzeuge zu laden.

Abschließendes Wort

Insgesamt beginnt das Potenzial piezoelektrischer Materialien gerade erst, realisiert zu werden.  Photovoltaische Effekte, die Solarenergie ermöglichen, wurden Mitte des 19. Jahrhunderts entdeckt und werden erst jetzt praktisch für den breiten Einsatz.  Piezoelektrische Materialien sind nicht anders, und während Forschung und Entwicklung an diesen Materialien weiter voranschreiten, folgen Verbesserungen bei Effizienz und Haltbarkeit.  Moderne wissenschaftliche Fortschritte ermöglichen es uns erst jetzt, das volle Potenzial dieser Energiequelle zu erkennen oder zumindest zu verstehen, wobei die hier aufgeführten Anwendungsfälle (Stromerzeugung, Schalldämpfung, Sonar, Sensoren, Aktuatoren usw.) nur eine Auswahl aus unzähligen Möglichkeiten darstellen.