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Piezoelement revolutioniert IoT

Für Herzschrittmacher bis Flugzeug - Verzerrter Kristall liefert Strom in ausreichender Menge

Forscher der University of Waterloo und der University of Toronto machen die Stromversorgung von Milliarden Sensoren und Sendern für das Internet der Dinge, die die Daten an eine Steuerzentrale übertragen, sicherer. Das Konzept basiert auf dem piezoelektrischen Prinzip, das zwar seit Langem bekannt ist, aber für anspruchsvollere Anwendungen zu wenig Strom erzeugt. Dieses Manko hat das Team um die Waterloo-Forscher Dayan Ban und Asif Khan nun ausgeräumt.

Das piezoelektrische Prinzip einfach erklärt.

Das piezoelektrische Prinzip ist ein faszinierendes Phänomen, das die Welt der Materialien und Technologie im Sturm erobert hat. Um es in einfachen Worten zu erklären, denken wir an einen Tanz, bei dem Druck und Elektrizität miteinander interagieren.

In der Hauptrolle dieses Tanzes stehen spezielle Materialien, wie zum Beispiel bestimmte Kristalle oder Keramiken, die die Fähigkeit besitzen, ihre Bewegungen in elektrische Signale umzuwandeln und umgekehrt.

Stellen Sie sich vor, Sie drücken auf eines dieser Materialien und es erzeugt Elektrizität - das ist der erste Teil des piezoelektrischen Prinzips. Dies geschieht, weil der Druck, den Sie ausüben, die positive und negative Ladung im Material verschiebt und somit ein elektrisches Feld erzeugt.

Jetzt kommt der zweite Teil des Tanzes ins Spiel: Das Material kann auch in die entgegengesetzte Richtung arbeiten. Wenn Sie eine elektrische Spannung an das Material anlegen, verändert es seine Form oder Größe. Dies kann zum Beispiel bei Lautsprechern oder Ultraschallgeräten genutzt werden, um Schallwellen zu erzeugen.

Das piezoelektrische Prinzip ist also wie ein magischer Tanz, bei dem Druck und Elektrizität miteinander verschmelzen und die Welt der Materialien und Technologie in eine neue Dimension katapultieren.

Elektrische Energie aus Druck

"Unser Durchbruch wird erhebliche soziale und wirtschaftliche Auswirkungen haben, indem wir unsere Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Energiequellen verringern. Wir brauchen diese energieerzeugenden Materialien in diesem Moment dringender als zu irgendeinem anderen Zeitpunkt in der Geschichte", ist Khan überzeugt.

Bei piezoelektrischen Materialien wird Druck in elektrische Energie umgewandelt. Die kanadischen Forscher nutzen keine natürlich vorkommenden Mineralien, die diesen Effekt aufweisen, sondern züchten einen Einkristall, basierend auf Kupferchlorid. Darauf wenden sie ein chemisches Verfahren namens Jahn-Teller-Effekt an, der die schöne gleichmäßige Kristallstruktur verzerrt.

Unordnung, ansonsten oft ungewollt, führt in diesem Fall zum Ziel - eine größere Energieausbeute, auch wenn der Druck nur gering ist. Künftig könnten, so die Wissenschaftler, die Vibrationen eines Flugzeugs dessen sensorischen Überwachungssysteme mit Strom versorgen. Ebenso könnte der Herzschlag Energie für einen Herzschrittmacher liefern.

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Assistenz vom Superkondensator

Bei unregelmäßigen Vibrationen oder Drücken, die beispielsweise bei Maschinen auftreten, die nicht rund um die Uhr laufen, könnte ein Piezoelelement mit einem Superkondensator gekoppelt werden, der in Stillstandszeiten Strom liefert. Der Generator könnte praktisch überall eingesetzt werden, denn mit 2,5 Zentimetern im Quadrat und der Dicke einer Visitenkarte fällt er kaum auf.

Die batterielose Versorgung von Systemen, die im energieintensiven Internet der Dinge eingesetzt werden, ist aus zwei Gründen wichtig. Zum einen schont der Verzicht auf Batterien die Umwelt, zum anderen wird der regelmäßige Austausch von Akkus überflüssig, der äußerst personalintensiv und damit teuer ist.