Piëzo-elektrisch effect: hoe druk elektriciteit wordt
Knijp in een kristal en er ontstaat een elektrische spanning. Dat is in de kern het piëzo-elektrisch effect: bepaalde materialen zetten mechanische druk of vervorming direct om in elektrische lading, en andersom. Het woord "piëzo" komt van het Griekse piezein, wat "drukken" betekent.
Een simpele analogie: denk aan een aansteker met een klik-ontsteking. Als je op de knop drukt, tikt er intern een klein kristal hard tegen een metalen plaatje. Die klap perst het kristal samen, waardoor er heel kort een hoge spanning ontstaat — genoeg om een vonk over te laten springen die het gas ontsteekt. Geen batterij, geen stroomkabel, alleen mechanische druk die direct elektriciteit wordt.
Wat is het precies?
Het effect werd in 1880 ontdekt door de Franse broers Pierre en Jacques Curie, die experimenteerden met kristallen als kwarts, toermalijn en Rochellezout (een zout van wijnsteenzuur). Zij zagen dat het samendrukken van deze kristallen een elektrische lading opwekte op het oppervlak, evenredig aan de uitgeoefende druk.
De verklaring zit in de kristalstructuur. In de meeste materialen zijn atomen zo gerangschikt dat hun ladingen elkaar precies opheffen: het kristalrooster heeft een symmetriecentrum. Piëzo-elektrische materialen missen die symmetrie. Als je zo'n kristal vervormt, schuiven de positieve en negatieve ladingen binnen de kristalstructuur iets ten opzichte van elkaar. Daardoor ontstaat aan de ene kant van het materiaal een lichte plus-lading en aan de andere kant een min-lading: een elektrische spanning.
Dit heet het directe piëzo-elektrisch effect: mechanische druk levert elektrische lading op. Het werkt ook omgekeerd, het omgekeerde (of inverse) piëzo-elektrisch effect: leg een elektrische spanning aan op zo'n kristal, en het vervormt lichtjes. Dat maakt piëzomaterialen niet alleen bruikbaar als sensor (drukregistratie), maar ook als actuator (heel precieze, kleine bewegingen aansturen).
Naast natuurlijke kristallen zoals kwarts gebruikt de industrie tegenwoordig vooral synthetische keramische materialen, met PZT (lood-zirkonaat-titanaat) als bekendste voorbeeld. PZT-keramiek is goedkoper te produceren, sterker piëzo-elektrisch en beter te vormen naar wens dan natuurlijke kristallen.
Wat wil men ermee bereiken?
Piëzo-elektrische materialen zijn aantrekkelijk omdat ze mechanische en elektrische signalen zonder tussenstappen aan elkaar koppelen: geen motor, geen batterij nodig om een kleine beweging te registreren of te maken. Dat levert compacte, robuuste en vaak zeer precieze componenten op.
Een belangrijke toepassing is frequentiestabiliteit. Een kwartskristal trilt, als je er een spanning op zet, met een extreem constante frequentie. Die eigenschap ligt aan de basis van kwartshorloges en van de kloksignalen in vrijwel elke computerchip.
Een tweede drijfveer is precisiebesturing: piëzo-actuatoren kunnen bewegingen maken in de orde van nanometers (miljardsten van een meter), wat onmisbaar is in microscopen en fijnmechanische apparatuur.
Een derde, nog relatief jong onderzoeksdoel is "energy harvesting": het oogsten van kleine beetjes energie uit trillingen, voetstappen of verkeer, om er bijvoorbeeld sensoren mee te voeden zonder batterij te hoeven vervangen.
Voorbeelden uit de praktijk
Kwartshorloges zijn het bekendste, meest verspreide voorbeeld. Sinds Seiko in 1969 het eerste commerciële kwartshorloge op de markt bracht, gebruiken vrijwel alle horloges een trillend kwartskristalletje om de tijd nauwkeurig bij te houden.
In dieselmotoren gebruiken fabrikanten als Bosch en Siemens al sinds begin jaren 2000 piëzo-elektrische common-rail-injectoren. Een piëzo-element opent en sluit de brandstofklep met een precisie en snelheid die met een elektromagnetische spoel niet haalbaar was, wat brandstofverbruik en uitstoot verbetert.
In de gezondheidszorg vormt PZT-keramiek het hart van echografie-apparatuur: de transducer zendt via het omgekeerde piëzo-effect hoogfrequente geluidsgolven het lichaam in en zet de terugkaatsende golven via het directe effect weer om in een elektrisch signaal dat een beeld oplevert.
Het Britse bedrijf Pavegen ontwikkelde vanaf 2012 vloertegels die de druk van voetstappen omzetten in elektriciteit, onder meer geïnstalleerd tijdens de Olympische Spelen van Londen. De hoeveelheid opgewekte energie per stap is echter klein, en de tegels worden vooral ingezet voor demonstraties, verlichting of het voeden van sensoren, niet als serieuze energiebron.
Onderzoekers verkennen ook piëzo-elektrisch wegdek: het Israëlische bedrijf Innowattech testte rond 2009 wegsegmenten met ingebouwde piëzogeneratoren die energie uit passerend verkeer zouden moeten halen. Dergelijke projecten zijn tot dusver niet doorgegroeid naar grootschalige toepassing, vooral vanwege de beperkte energieopbrengst in verhouding tot de kosten.
Hoe ver is de techniek?
Voor sensoren, actuatoren, kwartsoscillators en medische beeldvorming is de piëzo-elektrische techniek volledig volwassen en al decennia commercieel inzetbaar; dit zijn gevestigde industrieën, geen toekomstbeloften.
Grootschalige energie-opwekking via piëzo-elektrische materialen staat er heel anders voor. Het rendement is laag: de hoeveelheid elektriciteit die uit een voetstap of een passerende auto te halen is, is doorgaans voldoende voor een sensor of een lampje, niet voor iets in de orde van huishoudelijk stroomverbruik. Projecten als piëzo-wegdek en energievloeren blijven daardoor grotendeels demonstratie- of nichetoepassingen.
Een ander obstakel is het materiaal zelf: het meest gebruikte piëzo-keramiek, PZT, bevat lood, wat vanuit milieu- en gezondheidsoogpunt ongewenst is. Onderzoekers zoeken al langere tijd naar loodvrije alternatieven met vergelijkbare prestaties, zoals kaliumnatriumniobaat, maar die evenaren de eigenschappen van PZT nog niet volledig. Ook materiaalvermoeidheid — het geleidelijk afnemen van de piëzo-elektrische respons na herhaalde belasting — blijft een aandachtspunt bij langdurig intensief gebruik, zoals in wegdek.
Wie werken eraan?
De markt voor piëzo-componenten wordt gedomineerd door gespecialiseerde industriële spelers. Het Japanse Murata is een van 's werelds grootste producenten van piëzo-elektrische onderdelen, van kleine zoemers tot sensoren. In Duitsland is PI Ceramic (onderdeel van Physik Instrumente) gespecialiseerd in piëzo-keramiek voor precisie-actuatoren.
Bosch past piëzo-technologie toe in brandstofinjectoren en sensoren voor de auto-industrie. Amerikaanse bedrijven als CTS Corporation en APC International leveren piëzo-materialen en -componenten voor onder meer medische en industriële toepassingen.
Op onderzoeksgebied is het Georgia Institute of Technology bekend van het werk van materiaalwetenschapper Zhong Lin Wang, die sinds circa 2006 pionierswerk verricht aan nanogeneratoren op basis van zinkoxide-nanodraden. Ook Penn State University, met zijn Materials Research Institute, geldt als een belangrijk centrum voor piëzo-elektrisch materiaalonderzoek. Op het gebied van energy harvesting uit menselijke beweging is het Britse Pavegen de bekendste commerciële partij.