Os materiais piezoelétricos são muito promissores como sensores e coletores de energia, mas normalmente são muito menos eficazes em altas temperaturas, limitando seu uso em ambientes como motores ou exploração espacial. No entanto, 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 empresa com sede em State College, Pensilvânia, especializada em dispositivos de materiais inteligentes e eletrônica de alta densidade.
“A necessidade da NASA era como fornecer energia aos eletrônicos em locais remotos onde as baterias são difíceis de acessar para troca”, disse Randall. “Eles também queriam sensores de autoalimentação que monitorassem sistemas como a estabilidade do motor e que esses dispositivos funcionassem durante o lançamento de foguetes e outras situações de alta temperatura em que os atuais piezoelétricos falham devido ao calor.”
Os materiais piezoelétricos geram uma carga elétrica quando rapidamente comprimidos por uma força mecânica durante vibrações ou movimentos, como de máquinas ou motores. Isso pode servir como um sensor para medir mudanças na pressão, temperatura, deformação 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 coletor 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 dobram a estrutura bimorfa, geram um sinal elétrico para medição ou atuam como uma fonte de energia.
Infelizmente, essas funções funcionam com menos eficácia em ambientes de alta temperatura. Os atuais coletores de energia piezoelétricos de última geração são normalmente limitados a uma faixa máxima de temperatura operacional efetiva de 80 a 120°C.
“Um problema fundamental com materiais piezoelétricos é que seu desempenho começa a cair significativamente em temperaturas acima de 120°C, ao ponto em que acima de 200°C seu desempenho é insignificante”, disse Gareth Knowles, diretor técnico da QorTek. “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 250°C. Além disso, embora tenha havido uma queda gradual no desempenho acima de 250°C, o material permaneceu eficaz como um coletor de energia ou sensor em temperaturas bem acima de 300°C que os pesquisadores relataram no Journal of Applied Physics.
“As composições têm um desempenho tão bom nessas altas temperaturas quanto na temperatura ambiente é a primeira vez, já que ninguém jamais conseguiu materiais piezoelétricos que operam efetivamente em tais altas temperaturas”, disse Knowles.
Outro benefício do material foi um nível inesperadamente alto de produção de eletricidade. Embora atualmente os coletores de energia piezoelétricos não estejam 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”, disse Randall. “Isso potencialmente permitiria um fornecimento de energia contínuo e sem bateria em ambientes escuros ou ocultos, como dentro de um sistema automotivo ou 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 de um novo material piezoelétrico aprimorado, complementando os recursos um do outro.
“Em geral, um grande benefício de uma parceria como essa é que você pode explorar o grande reservatório de conhecimento no campo que 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 não encontrará normalmente dentro de uma pequena empresa.”
Randall observou que, como o QorTek tem muitos funcionários que são ex-alunos da Penn State, há uma 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 pelo QorTek, então houve uma transferência de experiência nesse caso”, disse Randall. “Além disso, os conjuntos de habilidades oferecidos pelo QorTek, como engenharia mecânica, design de dispositivos e experiência em medição impulsionaram o desenvolvimento em um ritmo muito mais rápido do que seria possível com o orçamento que recebemos. Portanto, a parceria permitiu uma amplificação realmente frutífera do projeto.
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