Materialwissenschaft
Piezoelektrische Polymere – Nutzung von Vibrationen und strukturellen Belastungen für kostenlose Energie
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Ein Forscherteam hat einen Polymerfilm entwickelt, der mit einem Chalkogenid‑Perowskit‑Verbundstoff gefüllt ist und bei Belastung Strom erzeugt. Dieses Phänomen ist als piezoelektrischer Effekt bekannt, der im Wesentlichen die Fähigkeit bestimmter Materialien beschreibt, bei mechanischer Belastung eine elektrische Ladung zu erzeugen.
Der piezoelektrische Effekt tritt in Materialien auf, denen die kristalline Struktursymmetrie fehlt. Kristalle, Keramiken, Polymere und biologisches Material wie Knochen, DNA und verschiedene Proteine sind unterschiedliche Arten von piezoelektrischen Materialien.
Solche Materialien haben das Potenzial, die Energie mechanischer Vibrationen zu sammeln. Das Beste an dieser Energieform ist, dass sie überall um uns herum in großer Menge vorhanden und von Natur aus erneuerbar ist.
Allerdings zeigen die neuesten Forschungsnotizen, dass piezoelektrische Materialien, die die beste Leistung erbringen, tendenziell das chemische Element Blei (Pb) enthalten, das Krebs verursachen, das Risiko von Hirntumoren erhöhen und die DNA‑Reparatur behindern kann.
Materialien, die Blei enthalten, sind gefährlich, und Regulierungsbehörden haben deren Verwendung eingeschränkt, um die Umwelt zu schützen.
Angesichts der Giftigkeit von Blei, einem schweren, formbaren, natürlich vorkommenden Metall mit relativ niedrigem Schmelzpunkt, wird es zunehmend aus Materialien und Geräten herausgefahren.
Daher war das Ziel des Teams, ein bleifreies Material zu schaffen, das kostengünstig aus in der Natur häufig vorkommenden Elementen hergestellt werden kann.
So nutzte das Team des Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) ein Material, das nicht nur kein Blei enthält, sondern auch zu den wenigen Hochleistungsmaterialien gehört. Daher ist es ein hervorragender Kandidat für den Einsatz in biomedizinischen Anwendungen, Maschinen und Infrastrukturen.
Das vom Team verwendete bleifreie Material gehört zur Familie der Chalkogenid‑Perowskite, die piezoelektrisch sind. BaZrS3 war die in der Studie eingesetzte Zusammensetzung, von der berichtet wird, dass sie eine ausgeprägte piezoelektrische Reaktion zeigt.
Chalkogenid‑Perowskite erhalten in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit und Fortschritte. Diese Verbindungsklasse ist mit Perowskit‑Strukturen verwandt, die zahlreiche vorteilhafte Eigenschaften besitzen, wie geringe Toxizität, hohe Stabilität, direkte Bandlücken, gute Ladungsträgertransportfähigkeiten und starke Lichtabsorption.
Diese Eigenschaften lassen Perowskite in Anwendungen wie Photovoltaik, Fotodetektoren, Leuchtdioden und Photokatalysatoren besonders hervorstechen.
Interessanterweise sind die meisten Hochleistungspiezoelektrika nicht zentrisch symmetrisch und zeigen daher von Natur aus eine hohe Polarisation. Viele Oxid‑Perowskite, einschließlich des in der Studie verwendeten, besitzen jedoch eine zentrisch symmetrische Kristallstruktur, die in ihrer reinen Form schwach piezoelektrisch ist. Diese Verbindungen sind tatsächlich nicht polar, da ihnen ein Nettodipolmoment fehlt.
Das Dipolmoment ist die wissenschaftliche Bezeichnung für die Art und Weise, wie piezoelektrische Materialien unter Belastung funktionieren, also einer Verformung, bei der positive und negative Ionen im Material getrennt werden. Dieses Dipolmoment kann genutzt und in einen elektrischen Strom umgewandelt werden.
Aber ohne ein Nettodipolmoment – wie hat das Team dann die Piezoelektrizität erreicht? Sie nutzten die lockere Packung innerhalb der Chalkogenid‑Perowskit‑Struktur, um das Problem zu überwinden.
Skalierung der Technologie für grüne Energieanwendungen
Die neueste Studie zeigt, dass bleifreie Chalkogenid‑Perowskit‑Materialien trotz ihrer zentrisch symmetrischen Struktur sehr schnell polarisiert werden, wenn sie verformt werden. Dies liegt an einer locker gepackten Elementarzelle, die viel freien Raum aufweist.
Dieses erhebliche Volumen an Leerraum ermöglicht eine ausgedehnte Verschiebung der Ionen, was wiederum zu einer Reduktion der Symmetrie führt und ein verstärktes, durch Verschiebung vermitteltes Dipolmoment zur Folge hat.
Das Team führte eine Piezoresponse‑Force‑Microscopy (PFM) an BaZrS3 durch, um die Piezoelektrizität des Materials zu bestätigen.
PFM ist ein funktionales Atomic‑Force‑Microscopy‑Modell (AFM), das für die einzigartigen Informationen, die es über die elektromechanischen Eigenschaften verschiedener Materialien im Nanometerskalenbereich liefert, anerkannt ist.
Die strukturelle Symmetrie im Chalkogenid‑Perowskit‑Material kann laut Team unter Belastung leicht gebrochen werden, was zu einer verstärkten piezoelektrischen Reaktion führt. Nach der Bestätigung entwickelte das Team Composite‑Materialien aus BaZrS3‑Partikeln, die in Polycaprolacton dispergiert sind.
Das neu synthetisierte Material enthält Barium, Zirkonium und Schwefel, die anschließend zur Energiegewinnung aus menschlichen Körperbewegungen und zur Stromversorgung elektrochemischer und elektronischer Geräte verwendet wurden.
Das Team prüfte die Fähigkeit des Materials, Strom zu erzeugen, indem es körperlichen Bewegungen wie Laufen, Gehen, Fingertippen und Klatschen ausgesetzt wurde. Der während des Experiments erzeugte Strom reichte aus, um LED‑Anordnungen zu betreiben, die RPI buchstabierten.
„Wir sind begeistert und ermutigt durch unsere Ergebnisse und ihr Potenzial, den Übergang zu grüner Energie zu unterstützen.“
– Nikhil Koratkar, Studienmitautor
Das Material wandelt laut ihm mechanische Energie in elektrische Energie um. Laut Koratkar:
„Je größer die aufgebrachte Drucklast und je größer die Fläche, über die der Druck wirkt, desto stärker ist der Effekt.“
Der vom Team entwickelte Energieerntungsfilm ist nur 0,3 Millimeter dick und kann in verschiedene Maschinen, Geräte und Strukturen wie Gebäude und Autobahnen integriert werden, um Strom zu erzeugen, wenn sie vibrieren oder Fahrzeuge darüber fahren.
Die vom Team durchgeführten Tests zeigen zudem, dass die Technologie auf vielfältige Weise nützlich sein kann, etwa in einem von Radfahrern oder Läufern getragenen Gerät, das Helme beleuchtet oder Anzeigen aktiviert, um die Sichtbarkeit zu erhöhen.
Allerdings ist es derzeit nur ein Machbarkeitsnachweis. Das Team hofft, dass dieses Material „schließlich in großem Maßstab umgesetzt wird, wo es einen echten Unterschied in der Energieproduktion machen kann“, sagte Koratkar.
Im nächsten Schritt werden die Forscher die gesamte Familie der Chalkogenid‑Perowskit‑Verbindungen untersuchen, um ein Material zu finden, das einen stärkeren piezoelektrischen Effekt zeigt. Dafür wird das Team Künstliche Intelligenz (KI) und Maschinelles Lernen (ML) einsetzen.
„Nachhaltige Energieproduktion ist für unsere Zukunft von entscheidender Bedeutung“, sagte Shekhar Garde, Ph.D., Dekan der RPI School of Engineering, und lobte die Anstrengungen des RPI‑Teams bei der Materialentdeckung, die seiner Meinung nach „dazu beitragen können, ein globales Problem zu lösen“.
Der transformative Einfluss der Piezoelektrizität
Die Piezoelektrizität wurde 1880 von Jacques und Pierre Curie erstmals entdeckt und wird heute in zahlreichen realen Anwendungen eingesetzt. Ihre Fähigkeit, elektrische und mechanische Energie direkt umzuwandeln, macht sie für Anwendungen wie Energieerntungsgeräte äußerst attraktiv.
Eines der häufigsten Beispiele für Piezoelektrizität sind elektrische Feuerzeuge. Wenn Sie einen Knopf drücken, trifft der Hebel der Feder piezoelektrische Kristalle, und dieser mechanische Stress erzeugt einen elektrischen Strom, der dann als Flamme das Gas entzündet. Beispiele für Piezoelektrizität finden Sie überall im täglichen Leben.
Wie wir in unserem vorherigen Artikel ausführlich beschrieben haben, ist Piezoelektrizität zu einem grundlegenden Prinzip geworden, das in moderner Technologie verwendet wird, von Handys und Wearables über Dämpfungssysteme und Reinigungslösungen bis hin zu Luft- und Raumfahrt, Sonar, medizinischen Diagnosegeräten und Aktuatoren.
Angesichts seiner breiten Anwendung hat es in diesem Bereich mehrere Fortschritte gegeben. Alles begann vor etwa einem halben Jahrhundert mit der Entwicklung des populären piezoelektrischen Keramiks PZT (Blei‑Zirkon‑Titanat) und später 1964 mit Polyvinylidenfluorid (PVDF).
Seitdem arbeiten Forscher an der Entwicklung neuer Materialien und Technologien, um die Effizienz und Vielseitigkeit piezoelektrischer Geräte zu verbessern. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf umweltfreundlichen Alternativen zu bleihaltigen Keramiken wie PZT, da die Blei‑Toxizität, wie in der oben genannten Studie gezeigt, zunehmend Bedenken hervorruft.
Forscher untersuchen dafür Materialien wie Bariumtitanat (BaTiO₃) und Kalium‑Natrium‑Niobat (KNN), die piezoelektrische Eigenschaften ohne die schädlichen Umweltauswirkungen von Blei bieten.
Zusätzlich haben Fortschritte bei polymerbasierten piezoelektrischen Materialien wie PVDF und dessen Copolymeren deren Integration in intelligente Textilien, Sensoren und medizinische Implantate ermöglicht.
Piezoelektrische Polymere wurden intensiv für die Energieerzeugung untersucht, da ihre intrinsische Flexibilität und Nachgiebigkeit sie für Anwendungen geeignet macht, bei denen das Gerät stark gebogen werden muss, um in Wearables integriert zu werden.
Wearable‑Elektronik stellt die Innovation traditioneller starrer Elektronik dar und bietet revolutionäre Lösungen in den Bereichen Gesundheitswesen, Energie, Neurowissenschaften, Metaverse und Nachhaltigkeit. Der Einsatz von Piezoelektrizität in diesen Geräten ermöglicht es Unternehmen, den Bedarf an häufigem Aufladen und Batterien zu reduzieren und den Nutzern die Bequemlichkeit eines tragbaren Geräts bei verbesserter Sicherheit zu bieten.
Neueste Entwicklungen in der Nanotechnologie haben zudem die Herstellung nanostrukturierter piezoelektrischer Materialien ermöglicht, die bei verkleinerten Abmessungen eine verbesserte Leistung bieten.
Beispielsweise werden Quantenpunkte, Nanodrähte und Graphen auf ihr Potenzial hin untersucht, die Empfindlichkeit und Effizienz piezoelektrischer Systeme deutlich zu verbessern, was sie in Anwendungen wie flexibler Elektronik und nächsten Generationen von Bildgebungstechnologien besonders nützlich macht.
All diese Innovationen bei piezoelektrischen Materialien haben neue Möglichkeiten in verschiedenen Branchen eröffnet, und während diese Fortschritte weitergehen, wird der globale Markt für piezoelektrische Materialien voraussichtlich ein signifikantes Wachstum verzeichnen.
Ein enormes Wachstum steht bevor
Beim globalen Markt für piezoelektrische Materialien wird ein Wachstum von 1,52 Milliarden $ im Jahr 2024 auf 2,19 Milliarden $ bis 2032 erwartet.
Während eingeschränkte Aktivitäten in wichtigen Endverbrauchermärkten wie der Elektronik- und Automobilbranche die Nachfrage nach piezoelektrischen Materialien stark beeinträchtigten, führte COVID‑19 zu einem Nachfrageanstieg nach Geräten wie Oximetern, Pyrometern, elektronischen Thermometern und automatischen Beatmungsgeräten, die piezoelektrische Materialien zur Umwandlung einer Energieform in eine andere nutzen. Dies beeinflusste die Nachfrage nach diesen Materialien während der Krise, wie der Bericht zum Markt für piezoelektrische Materialien feststellt.
Regional wird insbesondere der US‑Markt voraussichtlich stark wachsen und in den nächsten acht Jahren einen geschätzten Wert von 248,48 Milliarden $ erreichen, angetrieben durch die steigende Produktion in den Bereichen Elektronik, IT und Telekommunikation. Das umfangreiche Weltraumprogramm des Landes wird ebenfalls zu diesem Wachstum beitragen.
Inzwischen beträgt die Marktgröße im asiatisch‑pazifischen Raum 0,99 Milliarden $, mit einem Marktanteil von 68,28 % im Jahr 2023. Diese Dominanz ist darauf zurückzuführen, dass Asien‑Pazifik sich als Fertigungszentrum für Elektronik und Konsumgüter etabliert hat, wobei China, Japan, Taiwan, Indien und Südkorea ihre Produktionskapazitäten ausbauen.
Während der Markt für piezoelektrische Materialien in Lateinamerika noch in den Kinderschuhen steckt, wurde in Nahost und Afrika aufgrund des wachsenden Gesundheits- und Elektroniksektors eine steigende Nachfrage beobachtet.
Bezüglich der Anwendung wird der Markt für piezoelektrische Materialien in Sensoren, Resonatoren, Generatoren & Transformatoren, Aktuatoren, Wandler, SONAR, akustische Geräte, Motoren und Sonstige segmentiert.
Unter diesen wird erwartet, dass der Sensorsektor aufgrund der Anwendung der Technologie in verschiedenen Bereichen, darunter Unterhaltungselektronik, Fertigungsstraßen und autonome Fahrzeuge, mit einer erheblichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) expandiert.
Inzwischen werden Aktuatoren, die elektrische Signale des Systems in mechanische Energie zur Steuerung umwandeln, um eine bestimmte Aktion auszuführen, voraussichtlich den größten Marktanteil bei piezoelektrischen Materialien ausmachen, angetrieben durch ihre Anwendung in Roboterarmen, der präzisen Steuerung industrieller Werkzeugmaschinen sowie Brems- und Beschleunigungssystemen von Fahrzeugen.
Verbrauchsgüter wie Mikrowellen, Fernseher, Waschmaschinen und ferngesteuerte Spielzeuge, die piezoelektrische Materialien zur Steuerung und zum Betrieb dieser Produkte nutzen, werden voraussichtlich ihre Führungsposition im globalen Markt beibehalten. Dahinter liegt die Automobilindustrie, die ein stabiles CAGR-Wachstum verzeichnen soll.
Unternehmen, die piezoelektrische Technologien nutzen
Wenn es um Unternehmen geht, die dieses Feld vorantreiben, haben wir USound, dessen MEMS‑Lautsprecher den piezoelektrischen Effekt nutzen, und Noliac, das Piezo‑Aktuatoren, Generatoren und Transformatoren entwickelt.
Kinetic Ceramics ist ein weiteres Unternehmen, dessen Spezialgebiete piezoelektrische Aktuatoren, piezoelektrische Ventile, Festkörperpumpen, Präzisionsbearbeitung, intelligente Systeme und Bewegungssteuerungssysteme umfassen.
Amphenol Corporation’s Piezo Technologies (APH ) spezialisiert sich ebenfalls auf piezoelektrische Keramikmaterialien und Ultraschallwandler. Zu den Produkten gehören außerdem Geräte, Baugruppen und Systeme, die in Luft‑ und Raumfahrt, Verteidigung, Automobilindustrie, Verkehr und im Bauwesen eingesetzt werden.
CTS Corporation (CTS ) stellt piezoelektrische Produkte für die Med‑Tech-, Luft‑ und Raumfahrt‑ sowie Industriesektoren her. Das Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 1,43 Milliarden $ wird derzeit zu 47,21 $ gehandelt, ein Anstieg von 7,93 % seit Jahresbeginn (YTD). Es weist ein EPS (TTM) von 1,77 und ein KGV (TTM) von 26,66 auf, während es eine Dividendenrendite von 0,34 % zahlt.
CTS Preisdiagramm
L3Harris Technologies
Dieses Unternehmen bietet End‑to‑End‑Technologielösungen, die Luft, Raum, Land, See und Cyber‑Domänen verbinden. Es entwirft zudem piezoelektrische Keramikformen für verschiedene Anwendungen in den Bereichen militärischer Sonar und Akustik, medizinische Bildgebung, Krebstherapie und Energieerzeugung. L3Harris kann auf über 70 Jahre Materialwissenschaftsexpertise bei der Formulierung hochleistungsfähiger piezoelektrischer Keramiken, einschließlich PZT-, PT- und PMN‑Materialien für militärische und kommerzielle Kunden, zurückblicken.
Die piezoelektrischen Keramikpulverformeln des Unternehmens sind einheitlich, hochleistungsfähig, feinkörnig und hochdicht, was sie für ein breites Anwendungsspektrum geeignet macht, einschließlich Wandlern und stark kundenspezifischen Materialien, die die Krebstherapie, Medikamentenabgabe, Bildgebung und Wundversorgung unterstützen. Piezoelektrische Keramiken von L3Harris gewinnen Energie aus Druck oder Vibration, die sonst verloren gehen würde, und tragen so dazu bei, die Abhängigkeit von Batterien zu reduzieren, indem sie drahtlosen Sensornetzwerken Strom liefern.
LHX Preisdiagramm
Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels wurden LHX‑Aktien zu 248,15 $ gehandelt, ein Anstieg von 17,82 % im laufenden Jahr, was einer Marktkapitalisierung von 47 Milliarden $ entspricht. Das EPS (TTM) des Unternehmens beträgt 6,25 und das KGV (TTM) 39,72, bei einer Dividendenrendite von 1,87 %. Während L3Harris Technologies (LHX ) in den kommenden Tagen seine Q3‑2024‑Finanzergebnisse veröffentlichen wird, meldete das Unternehmen für das 2Q24 einen Umsatz von 4,5 Milliarden $, ein Anstieg von 13 %, während die operative Marge 9 % betrug.
„Wir haben ein weiteres starkes Quartal mit verbesserten Margen erzielt, was unser Engagement für operative Exzellenz und unseren unermüdlichen Fokus auf die Umsetzung widerspiegelt, die unseren Kunden und Aktionären Mehrwert liefert.“
– CEO Christopher E. Kubasik
Fazit
Von durch den Verkehr betriebenen Straßenlaternen über Böden, die die Beleuchtung eines Gebäudes versorgen, bis hin zu Reifen, die ein Fahrzeug aufladen – piezoelektrische Materialien haben das Potenzial, den Bereich der sauberen Energie zu revolutionieren. Dennoch sind auch diese Materialien nicht ohne Herausforderungen, weshalb die Entwicklung bleifreier piezoelektrischer Materialien erforderlich ist.
Diese neuen Materialien, wie Chalkogenid‑Perowskite, stellen einen bedeutenden Fortschritt in nachhaltigen Energieerntungstechnologien dar. Durch ihre geringe Toxizität, hohe Stabilität und verbesserte piezoelektrische Reaktion unter Belastung können sie das Potenzial piezoelektrischer Materialien wirklich realisieren und die Energieerzeugung revolutionieren. Und während Forscher diese neuen Materialien weiter mit Hilfe von KI erforschen, kann dieses Feld den Weg für Innovationen in biomedizinischen Geräten, Infrastrukturen und Wearable‑Technologien auf nachhaltige Weise ebnen.
