Em meio ao grande consumo de energia elétrica, fica cada vez mais evidente que se deve buscar novos meios de obter energia limpa, sustentável e de baixo custo. As formas de geração de energia atuais estão causando grandes impactos ambientais, além de ter um custo elevado como, por exemplo, as usinas nucleares e hidroelétricas. Com isso, o conceito de sustentabilidade busca soluções para resolver ou minimizar os impactos ambientais.
Segundo a Conferência das Nações Unidas sobre o Homem e o Meio Ambiente (1972), diz que a necessidade de critérios e princípios comuns que ofereça aos povos inspiração para preservar e melhorar o ambiente em que vive, faz do homem ao mesmo tempo obra e construtor do meio ambiente, e uma das soluções é a busca por novas formas de obter energias renováveis e sustentáveis, uma opção seria a utilização da piezoeletricidade.
HISTÓRIA
A história da piezoeletricidade começou no ano de 1880 quando ela foi descoberta pelos irmãos Pierre e Jacques Curie, sendo que sua primeira utilização prática foi feita por Paul Langevin no desenvolvimento de sonares durante a primeira guerra mundial. Utilizando cristais de quartzo acoplados a massas metálicas (inventado o transdutor tipo Langevin) para gerar ultrassom na faixa de algumas dezenas de kHz’s. Devido a dificuldade de estimular a fabricação de transdutores (dispositivo que transforma um tipo de energia em outro) feitos de quartzo, por dependerem de geradores de alta tensão, após a primeira guerra mundial começou uma busca por desenvolvimento de matérias piezoelétricos sintéticos. A URSS e o Japão desenvolveram durante a década de 40 e 50 as cerâmicas piezoelétricas de Titanato de Bário (BaTiO3), os EUA desenvolveram as cerâmicas piezoelétricas de Titanato Zirconato de Chumbo, ou PZT’s, (em abreviação a sua formula química (Pb[Zrx Ti1-x]O3 ), isto é, eles consistem em cristais mistos de zirconato de chumbo (PbZrO3) e titanato de chumbo (PbTiO3)), sendo esta, a mais utilizada nos tempos atuais, devido suas diversas variações.
DESENVOLVIMENTO
O desenvolvimento das cerâmicas piezoelétricas foi revolucionário. Além de apresentarem melhores propriedades que os cristais após “polarizadas”, também oferecem geometrias e dimensões flexíveis por serem fabricadas através da sinterização de pós cerâmicos conformados via prensagem ou extrusão. Em qualquer escala de frequência ou potência, o elemento ativo e núcleo da maioria dos transdutores ultrassônicos é um material piezoelétrico, que pode pertencer a um dos seguintes grupos:
- Cristais de quartzo.
- Cristais hidrossolúveis.
- Monocristais piezoelétricos.
- Semicondutores piezoelétricos.
- Cerâmicas piezoelétricas.
- Polímeros piezoelétricos.
- Compósitos piezoelétricos.
Destes grupos, as cerâmicas piezoelétricas são o que apresenta a maior flexibilidade de formato e de propriedades, sendo muito utilizadas na construção de equipamentos industriais, que vão desde sistemas de limpeza até sistemas de solda por ultrassom.
O efeito piezoelétrico é utilizado em áreas como medicina (aparelho de ultrassom, eletroterapia), música (amplificadores sonoros), balanças, como elementos de sensores e/ou atuadores em amplificações tecnológicas, transformadores, na produção de energia, em detonadores de impacto, geradores de faíscas, atuadores, e em diversas outras aplicações onde o efeito piezoelétrico é útil.
A piezoeletricidade baseia-se na habilidade que alguns cristais têm de gerar carga elétrica quando carregada mecanicamente com pressão ou tensão, o que é denominado como o efeito piezo direto. Mas também exibem o efeito reverso, onde há geração interna de uma tensão mecânica resultante de um campo elétrico aplicado. Por exemplo, os cristais de titanato zirconato de chumbo irão gerar piezoeletricidade mensurável quando a sua estrutura estática é deformada por cerca de 0,1% da dimensão inicial. Por outro lado, esses mesmos cristais mudam cerca de 0,1% da sua dimensão estática quando um campo elétrico externo é aplicado ao material. Como exemplo, o efeito piezoelétrico inverso é usado na produção de ondas de ultrassom.
Desconsiderando a simetria do material, o efeito piezoelétrico pode ser representado pelas seguintes equações:
D = dT + ε E (modo direto) (1)
S = sT + d E (modo inverso) (2)
D – vetor deslocamento elétrico
d – coeficiente piezoelétrico
T– Tensão mecânica
ε – permissividade dielétrica
E – campo elétrico
S – Deformação
s – coeficiente elástico
De acordo com a equação 1 a piezoeletricidade apresenta relação entre propriedades elétricas (E, D) e na equação 2 propriedades mecânicas (S, T).
As cerâmicas piezoelétricas são formadas por inúmeros cristais ferroelétricos (materiais dielétricos e que não conduz corrente elétrica) microscópios, sendo denominados como policristalinos, em particular nas cerâmicas PLT (em abreviação a sua formula química (Pb1-xLax)TiO3) que possui cristais com estrutura cristalina do tipo Perovskita que possui simetria tetragonal romboédrica ou cúbica simples dependendo da temperatura em que a matéria esta. Estando em uma temperatura abaixo da critica onde a estrutura cristalina do material sofre a transição de fase de simetria tetragonal para cúbica, (temperatura de Curie), a Perovskita apresenta simetria tetragonal em que a simetria das cargas elétricas positivas não coincide com o centro de simetria das cargas negativas, dando origem a um dipolo elétrico.
Figuras 1.a e 1.b: Estrutura Perovskita das cerâmicas piezoelétricas tipo PZT: Abaixo da temperatura de Curie e acima da temperatura de Curie, respectivamente.
A existência desse dipolo faz com que a estrutura cristalina se deforme quando submetida a uma presença de campo elétrico e gere um deslocamento elétrico quando submetida a uma deformação mecânica, dando origem ao efeito piezoelétrico inverso e direto respectivamente.
A deformação mecânica ou a variação do dipolo elétrico da estrutura cristalina da cerâmica não implica necessariamente em efeitos macroscópicos. Para que ocorram essas manifestações é necessária uma orientação preferencial destes domínios, conhecida como polarização. Inclusive esta polarização se esvaece com o tempo e uso, inutilizando o material para a transformação de energia elétrica em mecânica.
Estão abaixo listados alguns cristais que sofrem o efeito piezoeletricidade:
- Boracita
- Turmalina
- Quartzo
- Carbonato de Zinco (ZnCO3).
- Calamina
- Topázio.
- Açúcar.
- Sal Rochelle.
- Sal de Seignette (KNaC4H4O64H2O), que são cristais hemiédricos com eixos de simetria polares.
Como outros exemplos de materiais temos:
- Titanato de Bário,( BaTiO3 ).
- Titanato Zirconato de chumbo (PZT, PbZrO3 ).
- Polivinilo de Flúor (PVDF -(C2H2F2)n-), que se trata de um polímero flexível.
Dentre esses citados acima, o PZT é um dos mais eficientes e pode converter até 80% da energia mecânica em elétrica. Segundo o cientista Michael McAlpine o PZT chega a ser 100 vezes mais eficiente do que o quartzo.
É possível também, produzir materiais que terão o mesmo comportamento: as chamadas de cerâmicas piezoelétricas. Uma das vantagens na fabricação destas cerâmicas é a varias formas e tamanhos possíveis.
Mas os avanços em tecnologias estão possibilitando aperfeiçoar cada vez mais essas cerâmicas piezoelétricas, aumentado ainda mais suas aplicações. O conhecimento das propriedades e aplicações das cerâmicas possibilita a melhor escolha do material a ser usado, tendo conhecimento destas características, é possível conhecer suas principais limitações, dos quais pode-se citar essas três:
- Envelhecimento natural e acelerado pelas condições de uso.
- Instabilidade das propriedades em função de variações de temperatura.
- Limites de excitação elétricos e mecânicos, sendo a temperatura e suas variações as principais protagonistas destas limitações.
Espera-se que essas limitações possam servir de motivação para o desenvolvimento e aprimoramento de novas tecnologias que eliminem essas desvantagens, aumentando ainda mais suas aplicações.
Segundo informou a EFE, esta tecnologia é resultante de pesquisas extensas do Instituto de Tecnologia de Israel, em parceria com a empresa tecnológica Innowattech. O processo se dá da seguinte forma: unidades geradoras são postas nas camadas que ficam sob as estradas. A partir de então, a energia acumulada por sua deformação é armazenada em baterias ao longo da calçada para, posteriormente, ser transferida à rede nacional.
Com placas geradoras colocadas ao longo de 1 quilômetro (km) foi possível gerar energia elétrica suficiente para abastecer 2.500 casas. O teste foi realizado sem o conhecimento dos motoristas. Para executá-lo foi usado um pavimento adaptado de 13 metros – o acúmulo energético iluminou a extensão elétrica de um trecho da via. De acordo com a cientista Edery-Azulay, cada pista pode produzir cerca de 200 quilowatts/hora por quilômetro.
“Nossos cálculos de otimização preferem estradas de uso massivo, pelas quais passem por hora cerca de 600 veículos pesados, ou seja, de caminhonetes para cima. O peso é decisivo para a quantidade de energia a ser gerada e, no que diz respeito ao motorista, é uma estrada absolutamente normal que não produz consumo extra de combustível ou causa desgaste algum ao veículo”, explicou a pesquisadora à agência EFE.
Uma das principais vantagens da energia elétrica gerada através da pressão do fluxo de veículos diz respeito à independência em relação à meteorologia, fator de desvantagem nos casos das fontes eólica e solar, por exemplo. O custo operacional e ambiental do sistema também é levado em conta, já que ele dispensa grandes obras – a instalação dos geradores é feita com 5 cm de profundidade. O objetivo agora é ampliar a superfície geradora para 1 km, antes de passar para a fabricação em massa de aparelhos geradores às empresas elétricas.
Edery-Azulay informou que “já há pedidos de todo o mundo”, no entanto, confessou que a tecnologia inovadora ainda está longe de substituir a grande demanda pelos combustíveis fósseis. “Estamos ainda muito longe de poder nos desvincular das usinas elétricas convencionais”.
CONCLUSÃO
Com o grande consumo da energia elétrica, consequentemente, resultando no esgotamento de recursos naturais, faz-se necessário buscar meios alternativos para suprir essa demanda de consumo, mas que causem o menor impacto ambiental possível. Na natureza descobriu-se que há certos cristais que conseguem através de meios específicos obterem energia elétrica limpa e de baixo custo, usando o efeito piezoelétrico.
Com os avanços tecnológicos foram criadas as cerâmicas piezoelétricas com uma vasta área de aplicações e moldes, além de ser uma excelente área de estudo que poderá trazer grandes progressos no futuro da engenharia. Visando a produção de energia, é uma aplicação que pode ser implementado em qualquer lugar, onde haja fluxo, seja de pessoas ou automóveis, utilizando a energia dissipada no solo pelo simples fato das pessoas caminharem ou os automóveis rodarem nas ruas, podendo através dessas cerâmicas piezoelétricas aproveitar essa energia mecânica convertendo-a em elétrica, minimizando assim os impactos ambientais que uma usina pode causar no meio ambiente.
Com os avanços tecnológicos foram criadas as cerâmicas piezoelétricas com uma vasta área de aplicações e moldes, além de ser uma excelente área de estudo que poderá trazer grandes progressos no futuro da engenharia. Visando a produção de energia, é uma aplicação que pode ser implementado em qualquer lugar, onde haja fluxo, seja de pessoas ou automóveis, utilizando a energia dissipada no solo pelo simples fato das pessoas caminharem ou os automóveis rodarem nas ruas, podendo através dessas cerâmicas piezoelétricas aproveitar essa energia mecânica convertendo-a em elétrica, minimizando assim os impactos ambientais que uma usina pode causar no meio ambiente.
Interessantíssimo o assunto e achei muito especial a tecnologia, espero de certo as inovações sobre os materiais e isso vire realidade em grande escala...
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