Elektrische microladingen gegenereerd dankzij polymelkzuur

Het Bioharv-onderzoeksprogramma, met Franse en Belgische onderzoekers, bestudeert de piëzo-elektrische eigenschappen van polymelkzuur (PLA). Dit polymeer blijkt voor een lage kostprijs energie te kunnen produceren voor connected objects met een laag vermogen.

Bron: RT Flash, Recherche et Technologie, Des micro-charges électriques générées grâce à l’acide polylactique, 9 juli 2020 door Georges Simmonds

10 sep. 2020

#

Met een groei van 20% per jaar kent het internet der dingen, ook wel IoT of Internet of Things genoemd, wereldwijd een sterke ontwikkeling. In 2020 zou de markt goed moeten zijn voor ongeveer 5000 miljard dollar. De communicerende sensoren in deze voorwerpen moeten elektrische stroom krijgen om te werken.

Een grensoverschrijdend onderzoeksprogramma met Franse en Belgische onderzoekers – Bioharv genaamd – wil de energieonafhankelijkheid van deze voorwerpen optimaliseren en ze zo weinig mogelijk laten afhangen van batterijen op basis van lithium. Met dit programma, dat wordt geleid door het IMT Lille Douai, wil men de piëzo-elektrische eigenschappen van een polymeer materiaal bestuderen en optimaliseren: polymelkzuur (PLA voor Polylactic acid).

Men spreekt van piëzo-elektriciteit wanneer een materiaal elektrische stroom kan produceren op basis van een mechanische spanning, zoals een torsie, een trilling of een samendrukking. “Bij mijn weten zijn er, behalve bij een Japans team, geen andere onderzoeksprojecten rond de piëzo-elektriciteit van PLA’s,” verklaart Cédric Samuel, docent-onderzoeker aan het IMT Lille Douai en coördinator van het Bioharv-project.

Historisch gezien werden de microgeneratoren met piëzo-elektrisch effect ontwikkeld op basis van keramische materialen van het type LZT (loodzirconaat-titanaat). In de jaren tachtig bogen de onderzoekers zich over fluorpolymeren, om de vele voordelen die ze bieden op het vlak van mechanische flexibiliteit en gebruiksgemak. Vooral één daarvan, PVDF (polyvinylideenfluoride), werd veel gebruikt, omdat het het beste elektromechanische rendement oplevert. De fabricatieprocedure daarentegen is relatief complex, waardoor het een redelijk duur materiaal is. “PLA heeft het voordeel dat het spontaan piëzo-elektriciteit produceert, en dus kunnen er microgeneratoren mee ontworpen worden die voor een lage kostprijs energie opleveren,” legt de onderzoeker uit. “De methodes die worden toegepast opdat in het polymeer piëzo-elektriciteit ontstaat, zijn vrij bijzonder en relatief makkelijk te controleren, waardoor het een enigszins apart materiaal vormt in de wereld van de piëzo-elektrische polymeren.”

Bovendien is PLA biologisch afbreekbaar: in eerste instantie wordt het vervaardigd dankzij de transformatie van melkzuur dat wordt geproduceerd doordat voedingssuikers afkomstig van mais, biet, tapioca en suikerriet gisten. Opdat het piëzo-elektrische eigenschappen krijgt, moet het zijn toestand veranderen en een semi-kristallijne vorm aannemen. Om dat te bekomen wordt het verwarmd tot een temperatuur hoger dan de glasovergangstemperatuur – ongeveer 60 à 80 graden – en dan uitgerekt tot een georiënteerd materiaal.

Aan een hoge frequentie (20 Hz) blijkt PLA in staat om een vermogen van 0,5 µW/cm² te produceren. Een veel minder goede prestatie dan die van PVDF (40 µW/cm²), maar toch voldoende om connected objects die maar weinig energie nodig hebben, van stroom te voorzien. En het is vooral veel goedkoper: de kostprijs zou wel eens tien keer lager kunnen liggen dan die van PVDF.

De onderzoekers proberen de piëzo-elektrische eigenschappen van PLA nog te verbeteren, zonder dat de fabricagekosten oplopen. Net zoals bij elk piëzo-elektrisch materiaal wordt des te meer energie geproduceerd naarmate de trillingsfrequentie hoog is. De zo gegenereerde elektriciteit zou het kwadraat kunnen bedragen van de vervormingsfrequentie, volgens theoretische modellen die nog in een experimentele fase zijn en dus nog gevalideerd moeten worden.

Het Bioharv-project werd in het najaar van 2016 gelanceerd en zou in februari 2021 aflopen. De onderzoekers willen het echter na die termijn voortzetten, om een proof-of-concept te kunnen voorleggen. Op basis van PLA willen ze een communicerende temperatuursensor met eigen voeding ontwikkelen; de potentiële markt voor dit soort werkmiddel is immers zeer groot, want heel wat connected objects zijn ermee uitgerust.

“We zouden bijvoorbeeld graag sensoren ontwerpen om in werkelijke tijd de temperatuur van een weg op te volgen”, legt Cédric Samuel uit. “Deze metingen zijn interessant om te weten in hoeverre het asfalt op start- en landingsbanen, bruggen of andere belangrijke werken beschadigd is. De temperatuursensoren zouden hun eigen voeding hebben, door de trillingen van het asfalt die door vliegtuigen of voertuigen teweeggebracht worden. Nog een voorbeeld: we zouden een sensor willen ontwikkelen om de temperatuur van industriële motoren te meten, om hun staat op te volgen. De sensor zou voor zijn eigen voeding zorgen door de trillingen van de motor.”