Piëzo-elektrische energie in de praktijk

Op vrijdag 14 februari heeft de Rijksuniversiteit Groningen (RUG) een piëzo-proeftuin in gebruik genomen in het Stationspark in Zuidhorn. Piëzo-elektriciteit is energie die wordt opgewekt door trilling. Christien Boomsma schreef 9 april voor Ukrant.nl onderstaand artikel.

Mónica Acuautla Meneses droomt van medische gereedschappen die van vorm veranderen ín een patiënt. Van kleren met slimme laagjes die je telefoon opladen. En van tegels die energie produceren als je erop loopt, zelfs al zijn de straten een tikje leeg vanwege het coronavirus.

Het ziet er eigenlijk niet eens zo indrukwekkend uit. Gewoon een paar rode bakstenen in de stoep die van de spoorwegovergang in Zuidhorn naar de bushalte leiden. Het enige dat verraadt dat hier iets ongewoons aan de hand is, is het feit dat er nauwelijks vuil tussen zit. En wél een klein ledlampje dat normaal gesproken dit plekje zou verlichten, maar nu donker blijft.

Mechatronica-ingenieur Mónica Acuautla Meneses fronst en kijkt naar het ene zonnepaneel dat boven de tegels hangt. ‘Het zou moeten werken’, zegt ze. ‘Het ledlampje krijgt z’n energie van het zonnepaneel. Misschien is het gewoon niet zonnig genoeg.’

Gelukkig werkt de computer die ook door het paneel wordt aangedreven wel. Hij geeft nog steeds data door aan een tweede computer, in Nijenborgh 4, over hoeveel mensen hier lopen, wanneer en met welke snelheid.

Klein wonder
Deze losse bakstenen ogen misschien niet bijzonder, maar eronder bevinden zich twee kleine wondertjes van techniek. Twee piëzo-elektrische tegels, die energie opwekken uit de druk die mensen uitoefenen als ze er overheen lopen. Acuautla heeft ze gemaakt.

Het idee achter de tegels is eenvoudig. Ze maken gebruik van een wetenschappelijk principe dat in de negentiende eeuw ontdekt werd: het piëzo-elektrische effect, waarmee mechanische energie omgezet wordt in elektriciteit. ‘Bepaalde materialen, zoals kwarts of andere kristallen, vervormen makkelijk als je er druk op uitoefent. Als je die druk weer wegneemt, nemen ze hun oorspronkelijke vorm weer aan. Maar tijdens dat proces ontstaat een heel zwak elektrisch veld.’

Wat als je een pacemaker kon aandrijven via het pompen van je hart?

In zekere zin gebruiken we dit effect als decennia. Wie heeft er nog nooit een wegwerpaansteker gebruikt? Als je het knopje indrukt, duw je op een minuscuul kristalletje. Dat veroorzaakt een elektrische vonk waarmee het gas wordt aangestoken. Piëzo-elektrische elementen vind je ook in de drukknoppen van elektrische apparaten, of de pick-up van je platenspeler.

‘Het is een makkelijke manier om energie op te wekken en schoner dan zonnepanelen en windmolens. Maar het probleem is dat het veld heel zwak is. We hebben het over micro- en milliwatts, dus we kunnen het alleen gebruiken voor sensoren die heel weinig kracht vragen’, zegt Acuautla. ‘De toepassingen zijn dan beperkt.’

Power plant
Maar komt snel verandering in. Neem het Internet of Things, dat in rap tempo onderdeel van ons dagelijks leven aan het worden is. Al die elektrische apparaten hebben kleine sensoren die gegevens registreren. Ze moeten opgeladen worden, maar het liefst wel uit het zicht.

Dus wat als je je eigen mini-energiebedrijfje in huis zou kunnen hebben? In je kleren bijvoorbeeld, met dank aan de energie die je bewegingen opwekken? Of in een dun laagje onder de vloer, zodat je energie creëert elke keer dat je van de koelkast naar de bank loopt?

‘Er zoveel mogelijkheden’, zegt Acuautla. ‘We werken aan biomedische apparaten die flexibele elektronica nodig hebben. Wat als je een pacemaker zou kunnen aandrijven door er een dun filmpje piëzo-elektrisch materiaal aan toe te voegen dat zijn energie haalt uit het pompen van je hart of de trilling van je voetstappen?’ Dan zouden operaties om de batterij te vervangen, zoals die nu uitgevoerd worden, onnodig zijn.  

‘We werken zelfs aan vervormende materialen’, legt Acuautla uit. ‘Denk aan een chirurg die een biomedisch apparaat gebruikt dat van vorm kan veranderen als het in de patiënt zit.’ Het is mogelijk. Er wordt al aan gewerkt, maar ze hebben de slimme energiebronnen nodig die piëzo-elektriciteit kan leveren.

Praktische toepassing
Acuautla en haar onderzoeksgroep steken daarom al hun energie, enthousiasme en creativiteit in het ontwikkelen van nieuwe materialen en apparaten die dat effect kunnen optimaliseren en een praktische toepassing kunnen geven. De tegels in Zuidhorn zijn pas het begin.

Je kunt niet aan mensen vragen om met een specifieke frequentie te lopen

Maar het is een lange weg van theorie naar de praktijk. Neem de tegels in Zuidhorn, die op dit moment enkel nog gegevens verzamelen over het aantal mensen dat eroverheen loopt. Het eerste obstakel voor Acuautla was dat ze de output van haar apparaatjes moest maximaliseren.

‘De meeste piëzo-elektrische materialen werken het beste als er sprake is van een hoge frequentie’, zegt ze. ‘De trillingsfrequentie van lopende mensen is al snel te laag. Maar je kunt mensen niet vragen om met een bepaalde frequentie te lopen!’

Ze moest er dus voor zorgen dat de tegels hun maximale energie leveren bij een lagere frequentie. Daarnaast moest het materiaal robuust zijn: het moet er tegen kunnen dat er constant mensen overheen lopen. En tenslotte moet het taai zijn: dus telkens terugveren naar zijn oorspronkelijke vorm, zelfs als het vele duizenden keren ingedrukt wordt.

Erg giftig
Acuautla en haar collega’s van andere RUG-instituten zoals ZIAM, ENTEG en CogniGron ontdekten dat PZT – loodzirkonaattitanaat – veel van de eigenschappen heeft waar ze naar op zoek was. ‘Maar PZT bevat lood, wat natuurlijk erg giftig is.’ 

Ze moest er dus voor zorgen dat het lood ingekapseld wordt, zodat haar tegels het milieu niet vervuilen. Ze voegde zirkoniumdeeltjes toe aan de PZT, zodat het goed presteerde als er iemand op ging staan. En tot slot verrijkte ze het materiaal met niobium, een kristallijn, vervormbaar materiaal, om voor een hoge energie-output te zorgen.

Met de hulp van bachelor- en masterstudenten van verschillende opleidingen testte ze een eindeloze hoeveelheid combinaties van de verschillende materialen. De ontwikkeling van het prototype dat nu onder de stenen in Zuidhorn ligt, duurde drie jaar. En zelfs nu werkt ze nog aan het perfectioneren van het materiaal, want de omstandigheden in het lab zijn nooit hetzelfde als in de echte wereld.

‘De grond in Zuidhorn is vrij los’, ontdekte ze. ‘De tegels liggen niet zo recht als zou moeten.’ En dan is er nog de regen, die meer invloed heeft op de tegels dan verwacht. ‘We moeten een manier zien te vinden om dat op te lossen.’

Meer energie
Op dit moment wordt er nog een andere tegel gemaakt. Die werkt een beetje anders: hij heeft niet alleen elementen die ingedrukt worden, maar Acuautla maakte ook een kleine cantilever die gaat trillen en zo 50 procent meer energie levert.

Het succes van het experiment in Zuidhorn gaf bovendien aanleiding tot plannen voor meer praktijktests. ‘Er zijn plannen om ze bij een kinderopvang in de stad te installeren’, zegt ze. ‘Dat is natuurlijk een compleet andere situatie. Ik ben enorm blij dat ik dingen mag maken die in de echte wereld werken, dat ik iets maak dat nuttig is.’

Ik ben enorm blij dat ik iets mag maken dat in de echte wereld werkt

De volgende stap is het opslaan van de energie in een batterij voor de straatverlichting in de omgeving, of voor het systeem dat de spoorwegovergang monitort. ‘Maar voor je dat kunt doen, moeten de apparaten honderd procent betrouwbaar zijn, natuurlijk.’

Vooralsnog neemt ze genoegen met kleine stapjes en het bestuderen van de gegevens die binnenkomen uit Zuidhorn. Dat levert alvast interessante informatie op. Zo is er een significante daling te zien in hoe vaak mensen op de tegels staan. Dat was eerst gemiddeld achttien keer tijdens de spits, maar nu nog maar drie keer. ‘Dat komt duidelijk door het coronavirus.’

Foto 1: Mónica Acuautla Meneses op de testlocatie in Zuidhorn

2 en 3: ingebruikneming op 14 februari 2020