Konposite magnetoelektrikoetan oinarritutako energia-metagailu berriak

Lasheras Aransay, Andoni

Euskal Herriko Unibertsitateko irakasle atxikia Fisika Aplikatua I Sailean

Gutiérrez Etxebarria, Jon

Euskal Herriko Unibertsitateko irakaslea Elektrizitatea eta Elektronika Sailean

konposite-magnetoelektrikoetan-oinarritutako-energ
1. irudia. Konposite magnetoelektrikoak lortzen dira material dielektriko eta magnetikoak elkartuz.

Gaur egungo gizarteak eskatzen du energia-kontsumo baxuko dispositibo gero eta txikiago eta erabilgarriagoak erabiltzea. Konposite magnetoelektrikoak, zeinak gai baitira eremu magnetiko baten pean tentsio elektrikoa induzitzeko, erabil daitezke kontsumo baxuko sistema berriak elikatzeko, propietate magnetiko eta elektrikoen arteko akoplamenduaz baliatuz.

Konposite magnetoelektrikoek bilakaera handia izan dute azkeneko urteetan, energia-metagailuetan. Konposite horiek, orokorrean, material magnetostriktiboz eta material piezoelektrikoz osatuta daude (hurrenez hurren, eremu magnetiko baten pean deformatzen diren materialak eta deformazio bat jasatean tentsio elektrikoa induzitzen duten materialak). Beraz, konposite horien gainean eremu magnetiko bat aplikatzean, osagai magnetostriktiboa deformatu egiten da. Deformazio hori osagai piezoelektrikora transmititzen da, eta tentsio elektrikoa induzitzen. Efektu horri efektu magnetoelektriko deritzo, eta aplikazio askotan erabiltzen da [1].

Burdinaz edota kobaltoz fabrikatutako xafla-itxurako aleazio metalikoak izaten dira konposite magnetoelektrikoetan erabiltzen diren osagai magnetostriktiboak. Osagai piezoelektriko gisa, aldiz, film-itxurako PZT zeramikoa edo PVDF polimeroa erabili ohi dira. Nahiz eta PZTk erantzun piezoelektriko hobea izan, oso material hauskorra da, eta arazoak sor ditzake zenbait aplikaziotan. PVDF polimeroak, berriz, erantzun piezoelektriko baxuagoa dauka, baina moldagarriagoa da eta portaera hobea izaten du aplikazio praktikoetan.

2. irudia. Sandwich-itxurako konposite magnetoelektrikoa. Osagai magnetostriktiboak material piezoelektrikoaren bi aldeetan itsasten dira.

Konposite magnetoelektrikoetan, induzitutako seinalerik altuena lortzen da konpositearen erresonantzia-maiztasunaren inguruan. Erresonantzia-maiztasuna osagai magnetostriktiboaren luzerarekiko alderantziz proportzionala da. Hortaz, zenbat eta luzeagoa izan konpositea, orduan eta baxuagoa izango da erresonantzia-maiztasuna.

Konposite magnetoelektrikoak energia-metagailu gisa

Konposite magnetoelektrikoak fabrikatzeko, material magnetostriktiboak eta piezoelektrikoak konbinatu behar dira nolabait. Fabrikatzeko material aproposenak aukeratzeko, elementu bakoitzaren propietateak aztertu behar dira. Material magnetostriktiboei begira, FeCoSiB motako aleazioak erabili ohi dira, besteak beste, propietate magnetiko oso onak dituztelako. Material piezoelektriko gisa, berriz, PVDF polimero piezoelektrikoa da aukera apropos bat, polimero piezoelektrikoen artean erantzun piezoelektriko altuena baitu. Propietate magnetostriktiboak eta piezoelektrikoak akoplatzeko, epoxi erretxina bat erabiltzea da ohikoena. Epoxi horretaz baliatuz, sandwich-egiturako konpositea fabrikatzen da, bi xafla magnetostriktibo itsatsita luzera bereko PVDF film baten bi aldeetan.

3 cm-ko luzera duen Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 /PVDF/Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 konpositeak emandako potentzia lortzeko, esaterako, lehenik eta behin konposite horren erresonantzia-maiztasuna neurtu beharra dago, puntu horretan baitago konpositearen erantzun magnetoelektrikorik altuena. Konposite jakin horretan, erresonantzia-maiztasuna 50 kHz-ean kokatuta dago. Hortaz, konpositean induzitutako seinale elektriko alternoa maiztasun horretan erabiltzeko, tentsio alternoa tentsio zuzen bihurtu behar da, eta, horretarako, tentsio-biderkatzaileko zirkuitu batetik pasarazi behar da induzitutako seinalea [2]. Tentsio zuzen horretatik, konposite magnetoelektrikoak emandako potentzia kalkula daiteke zirkuituan akoplatutako erresistentziaren funtzioan.

3. irudia. 3 cm-ko Fe61.6Co16.4Si10.8B11.2/PVDF/Fe61.6Co16.4Si10.8B11.2 konposite magnetoelektrikoak emandako potentzia, zirkuituan jarritako erresistentziaren menpe.

Zirkuitutik lortutako potentzia maximoaren balioa 11,6 µW da, 220 kiloohmeko erresistentziarako. Balio hori erabat alderagarria da bibliografian agertzen diren beste energia-metagailu batzuekin, non antzeko potentziak neurtu dituzten [3] PZT eta material piezoelektrikoak erabiliz (erantzun piezoelektriko hobea).

Hala eta guztiz ere, energia-metagailuak eguneroko bizitzan erabiltzeko, laborategietan erabiltzen diren sorgailuak ordezkatu behar dira inguruneak eskaintzen dizkigun baliabideekin. Baliabide horiek, noski, baldintza batzuk bete behar dituzte. Esate baterako, eremu magnetiko bat sortu behar dute, eta eremu magnetiko horren maiztasunak tarte jakin batean kokatuta egon behar du (dagokion konpositearen erresonantzia-maiztasunean) konposite magnetoelektrikoan tentsio nahikoa induzitzeko.

3 cm-ko Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 /PVDF/Fe 61.6 Co1 6.4 Si 10.8 B 11.2 konposite magnetoelektrikoaren erresonantzia-maiztasuna kontuan hartuz, besteak beste, indukzio-plakak, ordenagailuak edota pantaila adimendunak erabil litezke sorgailu moduan. Tamaina edo konposizio desberdineko konposite magnetoelektrikoak erabiliz gero, erresonantzia-maiztasunak aldatzen dira, eta, hortaz, beste maiztasun batzuetan ibiltzen diren iturri elektromagnetikoak bilatu beharko lirateke, konpositeetatik potentzia maximoa lortzeko.

Tamainak potentzian duen eragina

4. irudia. Konposite magnetoelektrikoek inguruneko energia erabil dezakete, energia sortzeko tentsio-biderkatzaileko zirkuitu bat erabiliz.

Sarreran aipatu den moduan, erabilgarritasuna bezain garrantzitsua da dispositiboen tamaina. Gero eta gailu txikiagoak fabrikatzea da industriaren eta gaur egungo gizartearen helburuetako bat. Hori dela eta, konposite magnetoelektrikoen kasuan ere beharrezkoa da aztertzea dispositiboak txikitzeak zer eragin duen emandako potentzian. Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 /PVDF/Fe 61.6 Co 16.4 Si 10.8 B 11.2 konposite magnetoelektrikoaren kasuan, 1 eta 0,5 cm-ko sistemek 0,28 eta 0,06 μW-eko potentziak ematen dituzte, hurrenez hurren. Hortaz, konposite magnetoelektriko txikiagoetatik energia lortu nahi izanez gero, kontuan hartu behar da askoz ere potentzia baxuagoa emango dutela, eta aplikazioaren arabera erabaki beharko da potentzia hori nahikoa den ala ez.

Aplikazioak teknologia berrietan

Ikus daitekeenez, konposite magnetoelektriko berri horiek gai dira mikrowatt batzuetako potentzia lortzeko. Potentzia horrek, baxu samarra iruditu arren, balio dezake teknologia berrietan erabiltzeko. Esate baterako, bihotzaren erritmoa kontrolatzeko gorputzean kokatzen diren taupada-markagailuek 10 μW-eko potentzia behar dute funtzionatzeko. Haririk gabeko sentsorez osatutako sareak ere antzeko potentzia erabiltzen dute, besteak beste, tenperatura monitorizatzeko eta hirietako kutsadura kimikoa edota autoen presioa kontrolatzeko [6]. Kontsumo baxuko beste aplikazio askotan erabiltzen dira haririk gabeko komunikazio-sareak. Adibidez, sarritan, gorputzean kokatzen diren dispositiboek mota horretako sareak erabiltzen dituzte elkarrekin komunikatzeko (ingelesez, WBAN hizkiez ezagutzen dena).

Komunikazioez gain, konposite magnetoelektrikoek sortutako energia beste arlo batzuetan ere erabil daiteke. Gure mugikorreko edo beste gailu txikietako bateriak ordezkatzeko ere balio dezake energia horrek. Izan ere, bateriarik gabe ibiltzen diren mugikorrak fabrikatzen hasi dira [7]. Halako mugikorrek inguruneko argi- edo irrati-seinaleetatik hartzen dute energia.

1. taula. Konposite magnetoeletrikoetan erabil daitezkeen energia-iturri batzuen maiztasun-tarteak eta maiztasun horietan sortutako eremu magnetikoak [4-5].

Beraz, agerian geratzen da kontsumo baxuko energia-motak beharko dituztela etorkizuneko teknologia berriek ibiltzeko, lortzeko errazak direnak eta haririk gabekoak. Ibilbide horretan, espero da konposite magnetoelektrikoek eragin garrantzitsua izatea, halako material berrien gainean egiten ari den ikerketari begira. Dispositibo hauek, ingurunetik energia eskuratzeaz gain, gai dira gailu txikiak elikatzeko beharrezkoa den potentzia sortzeko. Energia-metagailu berriak, teknologia berrietarako!

Bibliografia

[1] J.F. Scott, “Applications of Magnetoelectrics”, Journal of Materials Chemestry, vol. 22, pp. 4567-4574.
[2] N. M. Roscoe and M. D. Judd, “Harvesting energy from magnetic fields to power condition monitoring sensors”, IEEE Sensors Journal, vol. 13, pp. 2263-2270, 2013.
[3] P. Li, Y. Wen, P. Liu, X. Li, and C. Jia, “A magnetoelectric energy harvester and management circuit for wireless sensor network”, Sensors and Actuators, A: Physical, vol. 157, pp. 100-106, 2010.
[4] https://www.osakidetza.euskadi.eus/contenidos/informacion/salud_amb_campos_electrom/es_def/adjuntos/cem.pdf.
[5] M. Van Den Bossche, L. Verloock, S. Aerts, W. Joseph, and L. Martens, “In Situ exposure assessmentof intermediate frequency fields of diverse devices”, Radiation Protection Dosimetry, vol. 164, pp. 252-264, 2015.
[6] G. M’boungui, K. Adendorff, R. Naidoo, A.A. Jimoh, D.E. Okojie, “A hybrid piezoelectric micro-power generator for use in low power applications”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 49, pp. 1136-1144, 2015.
[7] http://www.washington.edu/news/2017/07/05/first-battery-free-cell-phone-makes-calls-by-harvesting-ambient-power/ 2017.

CAF-Elhuyar sarietara aurkeztutako lana.

Idatzi zuk zeuk Gai librean atalean

Gai librean aritzeko, bidali zure artikulua aldizkaria@elhuyar.eus helbidera
Hauek dira Gai librean atalean Idazteko arauak

Gehitu iruzkin bat

Saioa hasi iruzkinak uzteko.

Webgune honek cookieak erabiltzen ditu zure nabigazio-esperientzia hobetzeko. Nabigatzen jarraitzen baduzu, ulertuko dugu cookie horien erabilera onartzen duzla. Ezeztatuz gero, ezingo duzu webgune honetan nabigatu. Onartu
Informazio gehiago
Babesleak
Gipuzkoako Foru Aldundia
IRIZAR Koop. Elk.
MAIER Koop. Elk.
KIDE Koop. Elk.
ULMA Koop. Elk.
EIKA Koop. Elk.
LAGUN ARO Koop. Elk.
TAJO Group