I materiali piezoelettrici sono molto promettenti come sensori e come raccoglitori di energia, ma normalmente sono molto meno efficaci alle alte temperature, limitandone l'uso in ambienti come motori o esplorazioni spaziali. Però, un nuovo dispositivo piezoelettrico sviluppato da un team di ricercatori di Penn State e QorTek rimane altamente efficace a temperature elevate.

Clive Randall, direttore del Materials Research Institute (MRI) di Penn State, ha sviluppato il materiale e il dispositivo in collaborazione con i ricercatori di QorTek, un collegio statale, Azienda con sede in Pennsylvania specializzata in dispositivi con materiali intelligenti ed elettronica di potenza ad alta densità.

"La necessità della NASA era come alimentare l'elettronica in luoghi remoti in cui le batterie sono difficili da raggiungere per la sostituzione, "Ha detto Randall. "Volevano anche sensori autoalimentati che monitorassero sistemi come la stabilità del motore e facessero funzionare questi dispositivi durante i lanci di razzi e altre situazioni ad alta temperatura in cui gli attuali piezoelettrici si guastano a causa del calore".

I materiali piezoelettrici generano una carica elettrica quando vengono rapidamente compressi da una forza meccanica durante vibrazioni o movimenti, come un macchinario o un motore. Questo può servire come sensore per misurare le variazioni di pressione, temperatura, deformazione o accelerazione. potenzialmente, i piezoelettrici potrebbero alimentare una gamma di dispositivi dall'elettronica personale come i dispositivi da polso ai sensori di stabilità del ponte.

Il team ha integrato il materiale in una versione di una tecnologia di raccolta dell'energia piezoelettrica chiamata bimorfo che consente al dispositivo di agire come sensore, un raccoglitore di energia o un attuatore. Un bimorfo ha due strati piezoelettrici sagomati e assemblati per massimizzare la raccolta di energia efficiente. Sensori e raccoglitori di energia, piegando la struttura bimorfa, generare un segnale elettrico per la misurazione o fungere da fonte di alimentazione.

Sfortunatamente, queste funzioni funzionano in modo meno efficace in ambienti ad alta temperatura. Gli attuali raccoglitori di energia piezoelettrici all'avanguardia sono normalmente limitati a un intervallo di temperatura operativa massima effettiva da 176 gradi Fahrenheit (80 gradi Celsius) a 248 gradi Fahrenheit (120 gradi C).

"Un problema fondamentale con i materiali piezoelettrici è che le loro prestazioni iniziano a diminuire in modo piuttosto significativo a temperature superiori a 120 C, al punto in cui sopra i 200 C (392 F) la loro prestazione è trascurabile, " Gareth Knowles, direttore tecnico di QorTek, disse. "La nostra ricerca dimostra una possibile soluzione per questo per la NASA".

La nuova composizione del materiale piezoelettrico sviluppata dai ricercatori ha mostrato prestazioni efficienti quasi costanti a temperature fino a 482 F (250 C). Inoltre, mentre si è verificato un graduale calo delle prestazioni al di sopra di 482 F (250°C), il materiale è rimasto efficace come raccoglitore di energia o sensore a temperature ben al di sopra di 572 F i ricercatori hanno riportato nel Rivista di fisica applicata .

"Le composizioni che si comportano altrettanto bene a queste alte temperature come a temperatura ambiente sono le prime, poiché nessuno ha mai gestito materiali piezoelettrici che funzionano efficacemente a temperature così elevate, ", ha detto Knowles.

Un altro vantaggio del materiale è stato un livello inaspettatamente alto di produzione di elettricità. Mentre attualmente, i raccoglitori di energia piezoelettrici non sono al livello dei produttori di energia più efficienti come le celle solari, le prestazioni del nuovo materiale erano abbastanza forti da aprire possibilità per altre applicazioni, secondo Randall.

"La parte relativa alla produzione di energia è stata molto impressionante, il materiale mostra efficienze prestazionali record come raccoglitore di energia piezoelettrico, " Randall ha detto. "Questo potenzialmente consentirebbe un continuo, alimentazione senza batteria in ambienti bui o nascosti come all'interno di un sistema automobilistico o persino nel corpo umano."

Sia Randall che Knowles hanno notato che la partnership tra Penn State e QorTek, che risale a oltre 20 anni, consentito lo sviluppo del nuovo, materiale piezoelettrico migliorato integrando le risorse reciproche.

"Generalmente, un grande vantaggio di una partnership come questa è che puoi attingere al grande serbatoio di conoscenze nel campo che hanno la risonanza magnetica e la Penn State e che le piccole aziende come la nostra a volte non lo fanno, " Knowles ha detto. "Un altro vantaggio è che spesso le università hanno risorse fisiche come attrezzature che, ancora una volta, che normalmente non troverai all'interno di una piccola azienda."

Randall ha osservato che poiché QorTek ha molti dipendenti che sono ex studenti della Penn State, c'è una familiarità sia con il soggetto di ricerca che con le persone coinvolte.

"Uno dei miei ricercatori post-dottorato e primo autore del documento, Wei-Ting Chen, è stato assunto da QorTek quindi c'è stato un trasferimento di competenze in quel caso, " Randall ha detto. "Inoltre, le competenze offerte da QorTek come ingegneria meccanica, la progettazione dei dispositivi e l'esperienza nella misurazione hanno spinto lo sviluppo a un ritmo molto più rapido di quanto sarebbe stato possibile dato il budget che ci era stato assegnato. Quindi la partnership ha permesso un'amplificazione davvero fruttuosa del progetto".