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PIEZOELETRICIDADE – UM BREVE ESTUDO DE CASO Bruno M. Peixoto 1 ; Bruno Paiva 2 ; Lucas Rafael Silva 3 Centro Universitário de Belo Horizonte, Belo Horizonte, MG 1 [email protected]; 2 [email protected]; 3 [email protected]; R ESUMO: Com a necessidade de se alcançar a tecnologia para geração de energia limpa, surge a energia gerada a partir do movimento, seja de pessoas ou de carros, trens, aviões. P ALAVRAS-CHAVE : Artigo. Piezoeletricidade, energia limpa. ABSTRACT : With the need to achieve the technology for clean power generation, comes the energy generated from the movement, whether of people or cars, trains, planes. K EYWORDS: Paper. Piezoeletricity, clean energy. _____________ 1 INTRODUÇÃO O paradigma energético global está em risco e exige uma alteração dramática (MENDES, 2011). Na literatura científica existem discussões a respeito da problemática gerada pelo uso indiscriminado dos recursos naturais não renováveis. Ferreira et al (2012), discute esse tema acrescentando ainda que, em traços gerais, pode afirmar-se que o mundo está dependente das fontes fósseis, que são limitadas e começam a dar sinais de escassez. Apresenta ainda três problemas que podem levar a sociedade a uma mudança de paradigma: a disponibilidade, o custo e os impactos associados aos mesmos. Desta forma, o grande desafio atual é conseguir iniciar um processo de mudança para energias mais limpas. Assim, cresce a necessidade de se aproveitar energias desperdiçadas ou aumentar o foco em energias pouco utilizadas. Nessa linha, há a energia menos aproveitada e de maior geração, a energia do movimento. Pessoas, carros, Fukada et Yasuda (1957) descobriu que até mesmo ossos (apud COLOMBO et al, 1990) geram energia e parte pode ser convertida em eletricidade através da piezoeletricidade. De acordo com o dicionário etimológico o prefixo piezo vem do grego “piezein” que significa pressionar, logo piezoeletrecidade refere-se à carga gerada pela pressão realizada em certos materiais (FUZATO, 2011). A piezeletricidade foi descoberta em 1880 por Pierre e Jacques Curie quando estudavam o efeito da pressão na geração de carga elétrica pelos cristais como quartzo, turmalina e sal de Rochelle. Ainda em 1880 publicaram a primeira demonstração experimental de uma ligação entre o fenômeno piezelétrico e a estrutura cristalizada. A sua experiência consistia numa medição das cargas que apareciam na superfície dos cristais preparados, que eram sujeitos a um grande stress mecânico. A partir de 1917 a piezoeletricidade passou a ser utilizada, inicialmente como transdutores e eram compostos de quartzo e turmalina, até que foram substituídos por titânio e bário (FUZATO, 2011). 2 DESENVOLVIMENTO
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PIEZOELETRICIDADE – UM BREVE ESTUDO DE CASO
Bruno M. Peixoto1; Bruno Paiva2; Lucas Rafael Silva3
Centro Universitário de Belo Horizonte, Belo Horizonte, MG1
[email protected];2 [email protected];
R ESUMO: Com a necessidade de se alcançar a tecnologia para geração de energia limpa, surge a energia geradaa partir do movimento, seja de pessoas ou de carros, trens, aviões.P ALAVRAS-CHAVE : Artigo. Piezoeletricidade, energia limpa.
ABSTRACT : With the need to achieve the technology for clean power generation, comes the energy generated fromthe movement, whether of people or cars, trains, planes.K EYWORDS: Paper. Piezoeletricity, clean energy.
____________________________________________________________________________
1 INTRODUÇÃO
O paradigma energético global está em risco e exige
uma alteração dramática (MENDES, 2011). Na
literatura científica existem discussões a respeito da
problemática gerada pelo uso indiscriminado dosrecursos naturais não renováveis. Ferreira et al
(2012), discute esse tema acrescentando ainda que,
em traços gerais, pode afirmar-se que o mundo está
dependente das fontes fósseis, que são limitadas e
começam a dar sinais de escassez. Apresenta ainda
três problemas que podem levar a sociedade a uma
mudança de paradigma: a disponibilidade, o custo e
os impactos associados aos mesmos. Desta forma, o
grande desafio atual é conseguir iniciar um processo
de mudança para energias mais limpas.
Assim, cresce a necessidade de se aproveitar
energias desperdiçadas ou aumentar o foco em
energias pouco utilizadas. Nessa linha, há a energia
menos aproveitada e de maior geração, a energia do
movimento. Pessoas, carros, Fukada et Yasuda
(1957) descobriu que até mesmo ossos (apud
COLOMBO et al, 1990) geram energia e parte pode
ser convertida em eletricidade através da
piezoeletricidade.
De acordo com o dicionário etimológico o prefixo piezo
vem do grego “piezein” que significa pressionar, logo
piezoeletrecidade refere-se à carga gerada pela
pressão realizada em certos materiais (FUZATO,
2011).
A piezeletricidade foi descoberta em 1880 por Pierre e
Jacques Curie quando estudavam o efeito da pressão
na geração de carga elétrica pelos cristais como
quartzo, turmalina e sal de Rochelle. Ainda em 1880
publicaram a primeira demonstração experimental de
uma ligação entre o fenômeno piezelétrico e a
estrutura cristalizada. A sua experiência consistia
numa medição das cargas que apareciam na
superfície dos cristais preparados, que eram sujeitos a
um grande stress mecânico.
A partir de 1917 a piezoeletricidade passou a ser
utilizada, inicialmente como transdutores e eram
compostos de quartzo e turmalina, até que foram
substituídos por titânio e bário (FUZATO, 2011).
2 DESENVOLVIMENTO
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Desde o início da década de 50 cerâmicas dotadas de
piezoeletricidade passaram a ser mais aplicadas e
atualmente, com o avanço das pesquisas em diversas
instituições, surgem as nanotecnologias, ampliando
ainda mais a gama de aplicações dessa tecnologia.
A figura 7 (a) mostra um modelo molecular simples,
explicando a polarização elétrica como resultado de
uma forca sobre o material. Antes de o material ser
submetido a uma forca externa, o centro de gravidade
das cargas positivas e das cargas negativas, em cada
molécula coincidem, fazendo com que o efeito das
cargas positivas e das cargas negativas seja
cancelado mutuamente.
Como resultado, é obtida uma molécula eletricamente
neutra. Quando e exercida pressão sobre o material, a
estrutura molecular sofre uma deformação, causando
a separação dos centros de gravidade das cargas
positivas e das cargas negativas gerando pequenos
dipolos (Figura 7 (b)). Os pólos internos do material
são mutuamente cancelados e uma distribuição de
cargas é gerada na superfície do material (Figura 7(c)
). Neste caso o material diz-se polarizado. Esta
polarização gera um campo elétrico que pode ser
usado na transformação da energia mecânica, através
da deformação do material, para energia elétrica.
(BARON, 2011).
Figura 1: - Modelo molecular simples para explicação do
efeito piezoelétrico; a) Molécula não perturbada; b) Molécula
sujeita a uma forca externa, e c) Efeito de polarização na
superfície do material (BARON 2011)
Existe já disponível na literatura exemplos de
aplicações da geração de energia piezoelétrica
através da instalação em estradas, como no caso da
empresa Innowattech, descrita por Ferreira et al
(2012), que em parceria com o IIT (Israel Institute ofTechnology) se encontrava em fase avançada de
desenvolvimento na época da publicação. O projeto foi
realizado num trecho de 10 metros de comprimento,
de uma estrada em Haifa, Norte de Israel. No projeto,
os geradores piezoelétricos possuem 5,5 cm de
espessura e foram colocados na camada compacta do
asfalto, a 6 cm do nível superior da estrada. O projeto
era composto por duas linhas paralelas de geradores
colocados ao longo de 10m da estrada (FERREIRA et
al, 2012). Esta mesma empresa possui projetos
também em aeroportos.
3 APLICAÇÃO
No caso do piso piezoelétrico, não foram encontradas
descrições de seu funcionamento na literatura
científica, embora o princípio seja o mesmo.
Em abril de 2010, a revista da Universidade EstadualPaulista (UNESP), publicou um texto onde dizia que
pelos menos duas empresas estrangeiras oferecem o
que vem sendo chamado de “piso gerador de energia”
e pode ser usado em locais por onde passam
diariamente uma grande quantidade de pessoas,
automóveis, trens e até aviões. Trata-se de placas de
cerâmicas enriquecidas com nanomateriais
piezoelétricos.
Ainda, de acordo com a revista da UNESP, a energia
gerada por esse impacto é então capturada para
alimentar lâmpadas, painéis luminosos ou qualquer
outro dispositivo elétrico ou eletrônico. A empresa
japonesa Soundpower realizou testes em duas
estações de trens de Tóquio, por onde passam cerca
de 2,4 milhões de pessoas por semana. Ainda em
2008, uma casa noturna em Londres e outra em
Roterdã (Holanda) começaram a aproveitar a
animação de seus clientes na pista de dança,
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equipada com um piso piezoelétrico, para iluminar a
própria pista.
Segundo informações da Soundpower, um único
passo de um adulto de 60 quilos no chão gerador de
energia gera em média 0,1 watt; a Innowattech diz que
um quilômetro de pista, sob tráfego intenso, pode
produzir cerca de 200 quilowatts por hora (o suficiente
para alimentar uma casa por um mês).
No Brasil, dois cientistas da Unesp se dedicam a
estudar a nova tecnologia, com o objetivo de
desenvolver um produto nacional. A busca por um
material mais flexível, durável e barato é o foco dos
pesquisadores. Isso se deve ao fato de que a
cerâmica empregada no produto, geralmente o
titanato zirconato de chumbo, precisa se deformar
com a pressão mecânica e ser capaz de voltar ao
estado inicial uma vez cessado o estímulo – é nesse
movimento que se gera energia, mas com o uso, o
material vai perdendo essa maleabilidade.
A revista relata ainda que há a possibilidade de se
utilizar polímeros na mistura de fabricação da
cerâmica a fim aumentar sua flexibilidade tanto quanto
reduzir os custos. Em laboratório, o material obtido até
agora, quando pressionado pelos dedos do
pesquisador, foi capaz de acender um LED.
O material não precisa ficar na superfície do solo o
que torna o material apto a ser aplicado em condições
severas. Os pesquisadores estimam que o dispositivo
se manteria operante mesmo sob temperaturas
inferiores a 0º C e sob água, como no caso de uma
enchente, por exemplo.
4 CONCLUSÃO
Quanto ao processo de fabricação da cerâmica e seus
componentes, são utilizados produtos de alta
tecnologia, exigindo um maior controle no processo de
fabricação e matéria prima de alta qualidade.
O uso de materiais piezoelétricos tem crescido nos
últimos anos e está expandindo rapidamente. Sua
habilidade de converter a energia mecânica em
energia elétrica sem causar muitos impactos faz
desses materiais uma das grandes promessas para a
obtenção de energia, devido as suas propriedades.
REFERÊNCIAS
BARON, L. C. Materiais Piezoelétricos. MORA, N. D.,FENNER J., MARAN M. A. Compêndio de Trabalhosde Materiais Elétricos. UNIOESTE, Foz do Iguaçu,2011. Disponível em: http://goo.gl/cCG0YB. Acessoem 10 de novembro de 2013.
COLOMBO, S. J.M.; DUARTE L.R.; SILVA JUNIORN.F. Efeitos da variação da intensidade acústica naconsolidação ultrassônica de fraturas experimentais.1990. Disponível em: http://goo.gl/y9hzkp. Acesso em
09 de novembro de 2013.
FERREIRA, A. C.; OLIVEIRA, J.; RAMOS, R. A. R.Tecnologias sustentáveis para a produção de energiaa partir de estradas. 2012. Disponível em:http://goo.gl/gwzV6o. Acesso em 09 de novembro de2013.
FUZATO, G. H. F.; MACHADO, R. Q.Desenvolvimento de um conversor Flyback aplicado aum atuador piezoelétrico. 2011. 71 p. Escola deEngenharia de São Carlos – USP, São Carlos, 2011.Disponível em: http://goo.gl/9rPIFZ. Acesso em 10 de
novembro de 2013.
Universidade Estadual Paulista "Júlio de MesquitaFilho" – UNESP. Revista Unesp Ciência. São Paulo:UNESP, 2010. Disponível em: http://goo.gl/VtK92G.
Acesso em 10 de novembro de 2013.
