Piezoelektriksel kuvars kristali ve enerji üretimi

Piezoelektrik kelimesi, basınç ve gizli ısıdan kaynaklanan elektrik anlamına gelir. Kuvars gibi bazı kristaller piezoelektrikseldir. Bunun anlamı, sıkıştırıldıklarında veya vurulduklarında bir elektrik yükü üretirler. Bir piezoelektriksel kristalinden elektrik akımı geçirildiğinde, kristal biraz şekil değiştirir. Bu özellik, piezoelektriksel kristallerini birçok uygulamada kullanışlı hale getirir.

Kuvars kristalleri değerli taşlar grubu içindedir. Yüz elliden fazla değerli taş türü bilinmektedir.  Geçmişten gelen inanışın etkisiyle de günümüzde başta kuvars, zümrüt, beril, turkuaz, safir gibi pek çok süs taşı, güzelliklerinin ötesinde şifalı oldukları inancı ve umuduyla kullanılmaktadır.

Şifalı olduğu düşünülen taşların ‘uğur getirdiği, pozitif enerji verdiği, enerjiyi dengelediği, baş ağrısına iyi geldiği, farklı renkleriyle her birinin farklı bir rahatsızlığa iyi geldiğine’ inanılmaktadır. Değerli taş ya da kıymetli taş diğer adıyla süs taşlarının gerçekten bir şifa kaynağı olmadığı, hastalıkları iyileştirme gibi bir rolü olmayıp, ‘plasebo etkisi’ yani ‘hoşnut etme’ etkisi olduğunu söyleyebiliriz. Ticari pazara zemin hazırlamak, alt yapı oluşturmak için bilimsel temeli olmayan birçok broşür, kitap, materyal ve uygulama bilinçsizce insanların kullanımına sunulmuş olduğunu, değerli doğal taşların şifa kaynağı olduğuyla ilgili anlatımları görmekteyiz. Kendilerini ‘Biyoenerji ve şifalı taşlar uzmanı’ diye tanıtan bazı kişiler, insanların şifa bulma arayışlarını, duygularını, inançlarını sömürerek, taşların bileşimindeki mineralleri farklı anlamlarda yorumlayıp, kullanarak, taşların şifa vereceğinden söz ederek, kendilerine bir çıkar alanı yaratmışlardır.

‘Taşlardan şifa ummak’ başlıklı yazımda bilim dışı hurafelere dayanan bilgilerle hastalıklara iyi geldiğine inanılan ve iddia edilen piyasada ticari amaçlı satışı yapılan taşlardan söz etmiştim. Bunlar arasında piezoelektrik özelliği olan kuvars kristali de bulunmaktaydı. Bu yazıda kuvars kristalinin piezoelektriksel özelliğinden ve enerji üretiminden bahsedeceğim.

Piezoelektrik etki nasıl oluyor?

Doğal halde piezoelektrik malzemelerde yüklü taneciklerin kristal içinde gelişigüzel dağılımı (solda), piezoelektrik malzeme bir elektrik devresine (AC) bağlandığında yapısındaki yüklü taneciklerin kristal içinde düzenli olarak sıralanması ve kutuplaşması (Aşağıda sağda) [1,2].

Polikristal piezoelektrik seramik polarizasyonu. (A) Kutup alanlarının kutuplamadan önce rastgele yönlendirilmesi, (B) Sabit bir elektrik alanı (E) altında kutuplama,(C) Elektrik alanının kaldırılmasından sonra kalan polarizasyon [3].

Piezoelektrik malzemeye bir sıkıştırma kuvveti uygulandığında bir elektrik alanı (AC) elde edilir (solda), piezoelektrik malzeme bir elektrik alana maruz kalırsa malzeme uzar veya kısalır (Aşağıda sağda) [1, 2].

Piezoelektrik özelliği olan malzemeler

Piezoelektrik malzemeler; mekanik enerjiyi elektrik enerjisine, elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren kristal yapıya sahip malzemelerdir. Enerji hasadı uygulamalarında kullanılan piezoelektrik malzemeler 1-Tek kristalli malzeme (kuvars gibi), 2- Piezoseramikler (kurşun zirkonat titanat, PZT’ler gibi), 3-Piezoelektrik yarı iletken (ZnO₂ gibi), 4-Polimer (poliviniliden florür, PVDF gibi), 5-Piezoelektrik kompozitler ve 6-Cam seramikler (Li₂S_i2O₅ ve Ba₂TiSiO₆ gibi). Ek olarak, PZT elyafları reçine ile karıştırılarak makro elyaf kompoziti veya PZT kompoziti oluşturulabilir [1, 2, 3, 4, 5].

Diğerleri, kuvars saatler, elektrooptik cihazlar, ultrasonik görüntüleme, mikrofonlar, mürekkep püskürtmeli yazıcılar, denizaltı sonarlardır. Bir kuvars kristali  (SiO₂), uygulanan stresle orantılı bir voltaj üretebilen bir piezoelektrik malzemedir.

Piezoelektrik enerji hasadı

En yaygın kullanım olanağı bulan uygulamalar ayakkabılar, kalp pilleri, araba tekerleği basınç kontrol sistemi, binalar ve köprülerin anlık durumunu izleyebilen sistemler [1, 3, 4].

Kuvars saatler

Piezoelektriğin en önemli kullanımlarından biri kuvars saatler ve zamanlayıcılardır. Bir kuvars kristali, boyutuna bağlı olarak belirli bir oranda titreşir. Kristal ileri geri titreşirken elektrik darbeleri üretir. Bir kuvars saat, zamanı korumak için kesin bir boyuta kesilmiş küçük bir kristal kullanır. Osilatör adı verilen bir devre, darbelerine elektrik ekleyerek kuvars kristalinin titreşmesini sağlar. Saat, kuvars kristalinin yaptığı darbelerin sayısını sayar ve bunu saniye, dakika ve saatleri ölçmek için temel olarak kullanır [4, 5, 6].

Akustik kullanımlar

Piezoelektrik cihazlar hem sesi yakalamak hem de üretmek için kullanılabilir. Piezoelektrik manyetikler, halk gitarları ve diğer akustik enstrümanlar için yaygın olarak kullanılır. Piezo alıcı, iki tele bağlı bir piezoelektrik malzeme şerididir. Pikap cihaza takılıdır. Enstrüman çalındığında, ses titreşmesini sağlar. Bu titreşimler, piezo toplayıcıda ses olarak kaydedilebilen veya yükseltilebilen bir elektrik akımı oluşturur [3, 4, 5].

Piezoelektrik tabanlı ayakkabılar

Tasarlanan piezoelektrik tabanlı ayakkabılarla sadece bir dakika yürüyüş ile bir cep telefonuna 30 dakika yetecek kadar enerji üretebilmektedir.

Bazı hastalıklarda uygulama

Kalp ve akciğer hareketleri, kasların kasılma ve gevşemesi, kan dolaşımı gibi biyomekanik hareketlerin elektrik enerjisine dönüştürülmesi için insan vücuduna enerji hasatlayıcı esnek piezoelektrik cihazların yerleştirilmesi önemli alanlarıdır [1, 2, 3]. Kalp atışındaki anormallikler, işitme kaybı, Parkinson hastalığı, kronik ağrılar iyileştirmek için kalbin, iç kulağın, beynin belirli bölümlerinin ve omiriliğin piezoelektrik mikrosistemler ile uyarılması uygulamalarıdır [1, 2, 5, 6].

Enerji hasatlayıcı zeminler

Piezoelektrik hasadı uygulamaları cadde ve kaldırımlara piezoeletrik dönüştürücülerin yerleştirilmesidir. Her taşıt geçişinde 0.06 Jul bir enerji üretilmekte, gün boyu üretilen elektrikle cadde gece gündüz aydınlatılmaktadır. Japonya’da Tokyo İstasyonu çıkışında 6 m² piezoelektrik zeminlerde günde 10 kilovatsaat enerji üretilmektedir. Pilot çalışmada 10 m² bir piezoelektrik jeneratör karayolunun altına yerleştirilmiş, elektrik üretim gücü 2 kilovatsaate ulaşan elektrik enerjisi yolun yakınındaki bir bataryada saklanmıştır. Hollanda’da bir dans kulübünde pistin altına yerleştirilen piezoelektrik tabaka üzerine dansçıların uyguladığı kuvvetle elektrik enerjisine dönüşmesi sağlanmıştır [1, 2, 3, 6].

Piezoelektrik getirisi

Piezoelektrik cihazların getirisi dünyada 2017 yılında 37 milyar doları aşmıştır. Piezoelektrik hasadında endüstride vücut sağlığını uzaktan izlenmesi gibi uzaktan sinyal iletimi, şarj edilebilir pillerde kilovat mertebesinde enerji depolanmasıdır [1, 2, 5].

Dr.Eşref Atabey

Jeoloji Yüksek Mühendisi / Tıbbi Jeoloji uzmanı / Yazar

Kaynaklar

[1] Nihal Sarıer. 2018. Piezoelektrik malzemeler ile enerji hasadı. Herkese Bilim Teknoloji, 8 Haziran 2018. Sayı 115.

[2] https://www.americanpiezo.com/blog/energy-harvesting-using-piezoelectric-materials/

[3] Zhengbao Yang, Shengxi Zhou, Jean Zu ve Daniel Inman. 2018. High-Performance Piezoelectric Energy Harvesters and Their Applications. Joule 2, 642–697.

[4] Hao Wang ve Abbas Jasim. 2020. Piezoelectric energy harvesting from pavement. Eco-Efficient Pavement Construction Materials (https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/piezoelectric-material).

[5] Kenji Uchino. 2017. Piezoelectric energy harvesting systems ‒ Essentials to Successful Developments. Energy Technology 6/5.

[6] Isaiah David. What is quartz movement in watches? https://sciencing.com/quartz-movement-watches-6606742.html