Os materiais piezoelétricos são muito promissores como sensores e coletores de energia, mas normalmente são muito menos eficazes em altas temperaturas, limitar seu uso em ambientes como motores ou exploração espacial. Contudo, um novo dispositivo piezoelétrico desenvolvido por uma equipe de pesquisadores da Penn State e QorTek permanece altamente eficaz em temperaturas elevadas.

Clive Randall, diretor do Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State (MRI), desenvolveu o material e o dispositivo em parceria com pesquisadores da QorTek, uma faculdade estadual, Empresa sediada na Pensilvânia, especializada em dispositivos de materiais inteligentes e eletrônicos de alta densidade.

"A necessidade da NASA era como alimentar eletrônicos em locais remotos onde as baterias são difíceis de acessar para troca, "Randall disse." Eles também queriam sensores de autoalimentação que monitorassem sistemas como a estabilidade do motor e fizessem esses dispositivos funcionarem durante o lançamento de foguetes e outras situações de alta temperatura onde os piezoelétricos atuais falham devido ao calor. "

Materiais piezoelétricos geram uma carga elétrica quando rapidamente comprimidos por uma força mecânica durante vibrações ou movimento, como de máquinas ou um motor. Isso pode servir como um sensor para medir as mudanças na pressão, temperatura, tensão ou aceleração. Potencialmente, os piezoelétricos podem alimentar uma variedade de dispositivos, desde eletrônicos pessoais, como dispositivos de pulseira, até sensores de estabilidade de ponte.

A equipe integrou o material em uma versão de uma tecnologia de coleta de energia piezoelétrica chamada bimorfo que permite que o dispositivo atue como um sensor, um coletor de energia ou um atuador. Um bimorfo tem duas camadas piezoelétricas moldadas e montadas para maximizar a coleta eficiente de energia. Sensores e coletores de energia, enquanto dobra a estrutura bimorfa, gerar um sinal elétrico para medição ou atuar como uma fonte de energia.

Infelizmente, essas funções funcionam com menos eficácia em ambientes de alta temperatura. Os coletores de energia piezoelétricos de última geração são normalmente limitados a uma faixa máxima de temperatura operacional efetiva de 176 graus Fahrenheit (80 graus Celsius) a 248 graus Fahrenheit (120 graus C).

"Um problema fundamental com materiais piezoelétricos é que seu desempenho começa a cair significativamente em temperaturas acima de 120 ° C, ao ponto onde acima de 200 C (392 F) seu desempenho é insignificante, "Gareth Knowles, diretor técnico da QorTek, disse. "Nossa pesquisa demonstra uma possível solução para isso para a NASA."

A nova composição do material piezoelétrico desenvolvida pelos pesquisadores mostrou um desempenho eficiente quase constante em temperaturas de até 482 F (250 C). Além disso, enquanto houve uma queda gradual no desempenho acima de 482 F (250 ° C), o material permaneceu eficaz como um coletor de energia ou sensor em temperaturas bem acima de 572 F que os pesquisadores relataram no Journal of Applied Physics .

"As composições apresentam um desempenho tão bom nessas altas temperaturas quanto na temperatura ambiente, é a primeira vez, como ninguém jamais administrou materiais piezoelétricos que operam efetivamente em tais altas temperaturas, "Disse Knowles.

Outro benefício do material foi um nível inesperadamente alto de produção de eletricidade. Enquanto no presente, coletores de energia piezoelétricos não estão no nível de produtores de energia mais eficientes, como células solares, o desempenho do novo material foi forte o suficiente para abrir possibilidades para outras aplicações, de acordo com Randall.

"A parte de produção de energia disso foi muito impressionante, o material mostra eficiências de desempenho recorde como um coletor de energia piezoelétrico, "Randall disse." Isso potencialmente permitiria um contínuo, fonte de alimentação sem bateria em ambientes escuros ou ocultos, como dentro de um sistema automotivo ou até mesmo no corpo humano. "

Randall e Knowles observaram que a parceria entre a Penn State e a QorTek, que remonta a mais de 20 anos, permitiu o desenvolvimento do novo, material piezoelétrico aprimorado, complementando os recursos uns dos outros.

"Em geral, um grande benefício de uma parceria como essa é que você pode aproveitar o grande reservatório de conhecimento no campo que a MRI e a Penn State têm e que pequenas empresas como a nossa às vezes não têm, "Disse Knowles." Outro benefício é que muitas vezes as universidades têm recursos físicos, como equipamentos que, novamente, você normalmente não encontrará dentro de uma pequena empresa. "

Randall observou que, como o QorTek tem muitos funcionários que são ex-alunos da Penn State, há familiaridade tanto com o sujeito da pesquisa quanto com as pessoas envolvidas.

"Um dos meus pesquisadores de pós-doutorado e primeiro autor do artigo, Wei-Ting Chen, foi contratado pela QorTek, portanto, houve uma transferência de experiência nesse caso, "Randall disse." Além disso, os conjuntos de habilidades oferecidos pelo QorTek, como engenharia mecânica, o design do dispositivo e a experiência em medição impulsionaram o desenvolvimento a um ritmo muito mais rápido do que seria possível com o orçamento que recebemos. Assim, a parceria permitiu uma ampliação realmente frutífera do projeto. ”