Los materiales piezoeléctricos son muy prometedores como sensores y como recolectores de energía, pero normalmente son mucho menos efectivos a altas temperaturas. limitando su uso en entornos como motores o exploración espacial. Sin embargo, Un nuevo dispositivo piezoeléctrico desarrollado por un equipo de investigadores de Penn State y QorTek sigue siendo muy eficaz a temperaturas elevadas.

Clive Randall, director del Instituto de Investigación de Materiales (MRI) de Penn State, desarrolló el material y el dispositivo en asociación con investigadores de QorTek, una universidad estatal Compañía con sede en Pensilvania especializada en dispositivos de materiales inteligentes y electrónica de potencia de alta densidad.

"La necesidad de la NASA era cómo alimentar la electrónica en lugares remotos donde las baterías son de difícil acceso para cambiar, "Dijo Randall." También querían sensores autoalimentados que monitoreen sistemas como la estabilidad del motor y que estos dispositivos funcionen durante el lanzamiento de cohetes y otras situaciones de alta temperatura donde los piezoeléctricos actuales fallan debido al calor ".

Los materiales piezoeléctricos generan una carga eléctrica cuando se comprimen rápidamente por una fuerza mecánica durante vibraciones o movimiento. como de una maquinaria o un motor. Esto puede servir como sensor para medir cambios de presión, temperatura, tensión o aceleración. Potencialmente, Los piezoeléctricos podrían alimentar una variedad de dispositivos, desde dispositivos electrónicos personales como dispositivos de pulsera hasta sensores de estabilidad de puente.

El equipo integró el material en una versión de una tecnología de recolección de energía piezoeléctrica llamada bimorfo que permite que el dispositivo actúe como sensor, un recolector de energía o un actuador. Un bimorfo tiene dos capas piezoeléctricas conformadas y ensambladas para maximizar la recolección eficiente de energía. Sensores y recolectores de energía, mientras dobla la estructura bimorfa, generar una señal eléctrica para medir o actuar como fuente de energía.

Desafortunadamente, estas funciones funcionan con menos eficacia en entornos de alta temperatura. Los actuales recolectores de energía piezoeléctrica de última generación están normalmente limitados a un rango de temperatura operativa máxima efectiva de 176 grados Fahrenheit (80 grados Celsius) a 248 grados Fahrenheit (120 grados C).

"Un problema fundamental con los materiales piezoeléctricos es que su rendimiento comienza a caer de manera bastante significativa a temperaturas superiores a 120 C, hasta el punto en que por encima de 200 C (392 F) su rendimiento es insignificante, "Gareth Knowles, director técnico de QorTek, dijo. "Nuestra investigación demuestra una posible solución para eso para la NASA".

La nueva composición de material piezoeléctrico desarrollada por los investigadores mostró un rendimiento eficiente casi constante a temperaturas de hasta 482 F (250 C). Además, mientras que hubo una caída gradual en el rendimiento por encima de 482 F (250 ° C), el material se mantuvo eficaz como recolector de energía o sensor a temperaturas muy por encima de 572 F, informaron los investigadores en el Revista de física aplicada .

"Las composiciones que funcionan tan bien a estas altas temperaturas como lo hacen a temperatura ambiente es una novedad, ya que nadie ha manejado materiales piezoeléctricos que operen efectivamente a temperaturas tan altas, "Dijo Knowles.

Otro beneficio del material fue un nivel inesperadamente alto de producción de electricidad. Mientras que en la actualidad, Los recolectores de energía piezoeléctrica no están al nivel de productores de energía más eficientes, como las células solares, el rendimiento del nuevo material fue lo suficientemente fuerte como para abrir posibilidades para otras aplicaciones, según Randall.

"La parte de producción de energía de esto fue muy impresionante, el material muestra eficiencias de rendimiento récord como recolector de energía piezoeléctrica, "Dijo Randall." Esto potencialmente permitiría un continuo, fuente de alimentación sin batería en entornos oscuros u ocultos, como dentro de un sistema automotriz o incluso en el cuerpo humano ".

Tanto Randall como Knowles señalaron que la asociación entre Penn State y QorTek, que se remonta a más de 20 años, habilitado el desarrollo de la nueva, material piezoeléctrico mejorado al complementar los recursos de cada uno.

"En general, Un gran beneficio de una asociación como esta es que puede aprovechar la gran reserva de conocimiento en el campo que MRI y Penn State tienen y que las pequeñas empresas como la nuestra a veces no lo hacen. ", Dijo Knowles." Otro beneficio es que a menudo las universidades tienen recursos físicos, como equipos que, de nuevo, normalmente no encontrará dentro de una pequeña empresa ".

Randall señaló que dado que QorTek tiene muchos empleados que son ex alumnos de Penn State, existe una familiaridad tanto con el sujeto de investigación como con las personas involucradas.

"Uno de mis investigadores postdoctorales y primer autor del artículo, Wei-Ting Chen, fue contratado por QorTek, por lo que hubo una transferencia de experiencia en ese caso, "Dijo Randall." Además, las habilidades que ofrece QorTek, como la ingeniería mecánica, La experiencia en diseño y medición de dispositivos impulsó el desarrollo a un ritmo mucho más rápido de lo que sería posible dado el presupuesto que nos dieron. Así que la asociación permitió una ampliación realmente fructífera del proyecto ".