Piyoelektrik Malzemeler – En Yaygın Bilinmeyen Enerji Kaynağı

Yeni pratik uygulamalar her gün geliştirilirken, piyoelektrik endüstrisi beklenenden şekilde yaklaşık 3 yıl içinde 41 milyar doları aşması beklenmektedir ve bileşik yıllık büyüme oranı neredeyse %6’dir. Bu büyüme, modern dünyada yüksek teknolojiye sahip amorf ve film tabanlı piyoelektrik polimerlerin daha da geliştirilmesine ve uygulanmasına olanak tanıyacaktır.

Piyoelektrik Malzemeler Nedir?

Piyoelektrik malzemeler, kinetik enerjiyi elektriksel bir şarja dönüştürerek bize enerji elde etme olanağı sağlar. 1880’de Curie kardeşler tarafından tanımlanan Piyoelektriklik, modern teknolojinin temel ilkelerinden biri haline gelmiştir.

Piyoelektriklik, mekanik stres uygulandığında bir maddenin elektriksel bir şarj üretme yeteneğine atıfta bulunur. Bu elektriksel şarj, zorla asimetrinin bir sonucu olarak üretilir. Piyoelektrik malzemelerde, pozitif ve negatif şarjlar birbirlerinden ayrılmış ancak simetrik bir düzen içinde hizalanmıştır. Maddede mekanik stres uygulandığında, bu simetri kaybolur ve elektriksel bir şarj üretilir.

PVDF beta fazı.

Malzemelerin başka bir benzersiz özelliği, Weiss alanlarının (dış manyetik etki olmadan manyetik olarak yönlendirilmiş) rastgele doğası ve varlığıdır.

Daha sonra, bu malzemelerin aynı zamanda elektrik etkisinin doğrudan ters bir özelliğini sergilediği keşfedildi. Bir elektriksel şarjın maddeye uygulanması durumunda, maddenin içinde tekrarlanabilir mekanik bir deformasyon oluştuğu bulundu. Bu keşif, bu malzemelerin kullanımını büyük ölçüde genişletti, çünkü temelde kullanım amaçlarını ikiye katladı.

Üreticiler ve İnovatörler

Gerçek dünya uygulamalarına geçmeden önce, modern elektronikteintegral olan çeşitli ürünlerin üretiminde piyoelektrik malzemeleri kullanan üç lider şirketi tanıyalım.

Barron’s analistleri, şu anda listelenen her bir hisseyi ‘satın al’ veya ‘aşağı’ olarak listelemektedir.

Stoneridge (SRI)

NYSE’de listelenen Stoneridge (SRI), hisse değerinde son bir yıl içinde %30’dan fazla artış gördü. Stoneridge’de gelir, COVID-19 salgınının zirvesinde bir düşüş yaşadı, ancak 2021’de %20’den fazla toparlayarak 770 milyon dolara ulaştı.

Stoneridge, 5.000’den fazla kişiye istihdam sağlamakta ve Michigan eyaletinde faaliyet göstermektedir.

Methode Electronics (MEI)

NYSE’de listelenen Methode Electronics Inc., hisse değerinde son bir yıl içinde %15’ten fazla artış gördü. Son dört yılda Methode Electronics, gelirini her yıl %2,36 ile %10,13 arasında artırmayı başardı. 2022’de gelir 1,16 milyar dolara ulaştı.

Methode Electronics, 7.000’den fazla kişiye istihdam sağlamakta ve Illinois eyaletinde faaliyet göstermektedir.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Nasdaq’da listelenen Kimball Electronics Inc., hisse değerinde son bir yıl içinde %32’den fazla artış gördü. Yukarıda listelenen şirketlerin 2019-2020 yıllarında mücadele ettiği dönemde, Kimball Electronics sürekli artan gelir elde etti. 2022’de toplam gelir 1,35 milyar doları aşarak, bir önceki yıla göre %4,47’lik bir artış gösterdi.

Kimball Electronics, 7.000’den fazla kişiye istihdam sağlamakta ve Indiana eyaletinde faaliyet göstermektedir.

Modern İlerlemeler

Geleneksel olarak, doğal olarak oluşan piyoelektrik maddeler bu etkiyi göstermek için kullanılmıştır. En yaygın olarak kullanılan malzeme kuvarstır. Doğal olarak oluşan maddelerin sınırlarına ulaşıldığında, popüler seçim insan yapımı seramikler oldu. 1952’de tasarlanan ve hala en popüler piyoelektrik seramik olan PZT (kurşun zirkonat titanat), sınırlı deformasyon, kırılganlık ve yüksek kütle yoğunluğu gibi bazı dezavantajlara sahiptir ve bu nedenle her uygulama için ideal değildir.

1964’te PVDF (poli viniliden florür) geliştirildi. PVDF, yarı kristal bir yapıya sahiptir ve kuvarsdan birkaç kat daha fazla şarj üretir. Bu insan yapımı polimer, PZT’nin bazı dezavantajlarını giderdi, ancak kendi dezavantajlarına sahipti – yüksek sıcaklıklarda piyoelektrik arızalar ve bozulma. Son teknolojik ilerlemelerle ve artan taleple, PZT ve PVDF’nin sınırlarına ulaşıldığı düşünülmektedir.

2000’lerin başlarında, GAIKER-IK4 gibi enstitüler amorf piyoelektrik polimerlerin geliştirilmesine başladı. Amorf bir yapı kullanarak, madde daha yüksek sıcaklıklara dayanabilir. Piyoelektrik etkiler, yüksek sıcaklıklarda bozulan kristal yapıya değil, kısa menzilli düzene dayanmaktadır. Bu nedenle, amorf yapılar daha dayanıklı bir polimer sağlar.

Bu amorf polimerler, daha yüksek deformasyon seviyeleri, büyük ağırlık azaltması ve daha fazla dayanıklılık sunmaları nedeniyle geliştirilmektedir. Bu, malzemelerin uygulama alanını genişleterek, havacılık ve elektronik cihazların entegrasyonuna olanak tanır. Yeni amorf piyoelektrik polimerler ve filmler geliştirilirken, yaklaşık 150°C ve üzeri sıcaklıklarda arızalar oluşacaktır. Madde bozulması yaklaşık 400°C’de oluşacaktır. Bu, aşırı koşullarda kullanımını sınırlayabilir, ancak çoğu uygulama uygun bir aralığa düşer.

Çoğu yeni madde gibi, bu polimerler PVDF ve PVT’den temel alınarak geliştirilmektedir. Her malzemenin olumlu özelliklerini korurken, dezavantajlarını elimine etmeye çalışılmaktadır. Bu ürünler yeni polimerler olsa da, mevcut çalışan modellere dayanmaktadır.

Amorf bir yapı kullanarak, optimum cam geçiş sıcakılıkları üzerinde kapsamlı testler yapılmalıdır. Bu değer, malzemenin sahip olacağı piyoelektrik özelliklerin gücüne doğrudan bağlıdır. Amorf yapı, piyoelektrik etki üretmek için kısa menzilli düzene dayanmaktadır. Buna ek olarak, manyetik, dielektrik ve termal özellikleriyle birlikte poliamidleri malzemenin yapısına dahil etmek tercih edilmektedir.

Uygulama Alanları

Piyoelektrik malzemelerin geçmiş ve güncel uygulamaları arasında, çakmaklar, kuvars saatler ve motor yönetim sistemleri gibi birçok görünmez öğe bulunmaktadır. Şu anda en yaygın kullanım alanı, sensörler ve aktuatörlerdir. Uygun piyoelektrik malzemeler bu kullanım alanları için uygulanmıştır, ancak gelecekteki uygulamalar daha çok yönlü bir malzeme talep etmektedir. Geliştirilen piyoelektrik polimerler tam da bunu sunmaktadır – çok yönlülük. Malzeme bilimindeki sürekli ilerlemelerle ve doğrudan ters etkilerini sergileme yetenekleriyle, bu malzemelerin kullanılabileceği uygulama sayısı artmaktadır. Bazı ilginç güncel ve potansiyel gelecekteki uygulamalar arasında,

Mobil ve Giyilebilir Elektronik

Konuşma gücüyle çalışan cep telefonları ve giyilebilir cihazlar. Mikrofon içindeki ses dalgalarına neden olan basıncı kullanarak, piyoelektrik polimerler bir gün cihazın çalışması için gereken enerjiyi üretebilir. Bu kavram, pilin completely kaldırılmasını sağlayamasa da, düşük güç tüketen giyilebilir akıllı cihazlarda pil ömrünü uzatabilir.

Piyoelektrik malzemelerin mikrofonlarda yaklaşık 100 yıldır kullanıldığı unutulmamalıdır. Bu uygulamaların amacı, enerji üretimi değil, kayıt ve oynatma amacıyla ses dalgalarını elektriksel bir şarja dönüştürmektir.

Sönümleme Sistemleri

Piyoelektrik malzemelerin bir başka uygulaması, sönümleme sistemleridir. HEAD gibi şirketler, tenis raketi ve kayaklarda titreşimlerin emilmesi ve sönümlenmesi için bu fikri uygulamıştır. Rakete veya kayakta bir darbe meydana geldiğinde, oluşan elektriksel sinyal, ters bir malzeme tarafından karşıt bir kuvvet oluşturmak üzere kullanılır. Bu, etkili bir sönümleme sistemine yol açar.

Aynı kavram, arabalarda, evlerde ve tehlikeli işyeri ortamlarında gürültü ve titreşim azaltma için uygulanmaktadır. Bitcoin madenleri gibi ortamlar, titreşimlerin elektronik ekipmana zarar vermesinden dolayı bu tür uygulamalara ihtiyaç duyar. Piyoelektrik aktuatörler, bu etkileri sönümlemek için kullanılır. Ses dalgaları, malzemenin titreşimi sonucu arabalarda, evlerde ve makinelerde oluşabilir ve geleneksel yöntemlerle azaltılabilir. Ancak bu malzemeler pasif çalışır ve ağır ve pahalıdır. Piyoelektrik polimerlerin özellikleri, bu problemi daha aktif ve dinamik bir yaklaşım ile çözmektedir.

Temizlik Çözümleri

Piyoelektrik malzemelerin kullanım örneklerinin ne kadar çeşitli olduğunu göstermek için, Solar PiezoClean gibi şirketlerin yaptığı çalışmalara bakılabilir. Bu şirket, güneş panellerine piyoelektrik bir film uygulamaktadır. Amac, güneş panellerini temiz tutmak için düşük bakım gerektiren bir yöntem sunmaktır – verimliliği optimize etmenin kilit noktası.

Bu işlem, filme bir elektriksel şarj uygulamakla başlar, film sonra belirli bir frekans ve perdeyle titreşir, böylece toz ve kir yerçekimi yardımıyla kolayca düşer. Bu, su ve işgücü tasarrufu sağlar ve kaplı panellerin ömrünü uzatır ve verimliliğini artırır. Basit ancak mucizevi bir çözüm, güneş kurulumlarının daha yaygın hale gelmesiyle büyüyen bir soruna.

Piyoelektrik malzemelerin daha yaygın uygulamaları arasında, mücevher temizleyiciler gibi ultrasonik temizleme cihazları bulunmaktadır.

Havacılık

Daha önce havacılık sektöründe piyoelektrik malzemelerin kullanımından bahsetmiştik. Burada, uçaklar yapısal bütünlüğü ve stresleri izlemek için bu malzemeleri kullanabilir – bu, güvenlik ve verimliliği artırabilir. Atmosferin ötesine geçildiğinde, piyoelektrik aktuatörler birçok uyduya güç sağlar. Bu aktuatörlerin çalışması, uyduların konumlandırılması için микro-itme gücü oluşturmasına olanak tanır.

Sağlık Bakımı Tanı Araçları

Cihazların küçültülmesi konusundaki yeteneklerimizin gelişmesiyle, artık sağlık bakımında çeşitli tanı araçlarında piyoelektrik malzemeler kullanıyoruz. Bir örnek, Damarsı Ultrason (IVUS) işlemdir. IVUS, kan damarları içinden görüntüleme oluşturmak için küçük probaların kullanılmasıdır. Bu, piyoelektrik tek kristallerle yapılan ultrason transdüktörleri kullanarak yapılır.

Piyoelektrik malzemeler, bazı diş hekimliği ekipmanlarında da kullanılır. Yukarıda bahsedilen SolarClean tarafından kullanılan temizlik çözümü gibi, bu ekipman da ultrasonik dalgalar üretmek için piyoelektrik malzemelere elektrik akımı uygulanmasına dayanır ve dişlerden plak ve tartar temizler.

Sonar

Sonar (Ses Navigation ve Arama) sistemleri, görüntüleme veya iletişim için kullanılabilir. Görüntüleme örnekleri arasında okyanus tabanının topografik haritalaması veya günlük balık bulucuları bulunur. İletişim, ses dalgalarının oluşturulmasıyla gerçekleştirilir. Bu işlemler, piyoelektrik transdüktörlerin kullanılmasıyla mümkündür.

Sonar, 100 yılı aşkın bir süredir geliştirilmiş olmasına rağmen, bugün hala önemli bir rol oynamaktadır. En son yaygın örnek, self-sürüş araçlarında, çevrelerini izlemek ve yorumlamak için Sonar, LIDAR ve radar kombinasyonunu kullandıkları görülmektedir.

Enerji Hasadı

Son olarak, büyük ölçekli enerji üretimi çok ilginç bir uygulamadır. Piyoelektrik polimerler, çeşitli fabrikalar, spor sahaları, tren istasyonları ve dünya genelindeki diğer yüksek trafikli alanlara yerleştirilmektedir. 1cm³ kuvars, 175 libre kuvvet uygulandığında 4.500V elektrik üretebilir. Bu tür istasyonlarda her adımda oluşan elektrik, büyük miktarda enerji üretilmesine yol açar ve binanın enerji verimliliğini ve maliyetini artırabilir.

Yayaların dışında, birçok kişi, araçların üzerine uygulanan fiziksel kuvvete dayanarak elektrik üretebilecek malzemelerle yolların döşenmesini hayal etmektedir. Elektreon gibi şirketlerin geliştirdiği kablosuz araç şarjı ve Pavegen gibi şirketlerin geliştirdiği güçlendirilmiş yüzeyler, bir gün elektrikli araçların pillerini azaltmaya ve daha verimli ve temiz bir şekilde şarj etmelerine olanak tanıyabilir.

Bu teknolojilerin birleşmesi, araçların daha küçük pillere sahip olmasını ve daha temiz bir şekilde şarj edilmesini sağlayabilir.

Son Söz

Genel olarak, piyoelektrik malzemelerin potansiyeli henüz tam olarak anlaşılmaya başlanmıştır. Güneş enerjisinin mümkün olmasını sağlayan fotovoltaik etkiler, 19. yüzyılın ortalarında keşfedildi ve ancak şimdi yaygın kullanım için pratik hale gelmektedir. Piyoelektrik malzemeler de farklı değildir ve bu malzemeler üzerine yapılan araştırmalar ve geliştirmeler devam ettikçe, verimlilik ve dayanıklılık artmaktadır. Modern bilimsel ilerlemeler, bu enerji kaynağının tam potansiyelini anlamamızı veya en azından anlamaya başlamamızı sağlamaktadır, burada listelenen kullanım örnekleri (elektrik üretimi, ses sönümleme, sonar, sensörler, aktuatörler vb.) sınırsız olanaklardan sadece birkaçıdır.