Wie piezoelektrische Materialien funktionieren – und warum sie überall sind

Kristall quetschen, Elektrizität erhalten

In jeder Quarzuhr, jedem Feuerzeug und jedem Ultraschallgerät steckt ein bemerkenswerter physikalischer Trick: Bestimmte Materialien erzeugen eine elektrische Ladung, wenn man sie drückt, biegt oder schlägt. Legt man an dasselbe Material eine Spannung an, verändert es seine Form. Diese wechselseitige Umwandlung zwischen mechanischer Kraft und Elektrizität wird als piezoelektrischer Effekt bezeichnet und liegt still und leise Milliarden von Geräten weltweit zugrunde.

Die Wissenschaft hinter dem Funken

Das Wort "piezoelektrisch" kommt vom griechischen piezein, was "drücken" bedeutet. Die Brüder Jacques und Pierre Curie demonstrierten das Phänomen erstmals 1880 mit Kristallen aus Quarz, Turmalin und Seignettesalz. Ein Jahr später sagte der Physiker Gabriel Lippmann voraus, dass auch das Gegenteil der Fall sein sollte – legt man Elektrizität an, verformt sich der Kristall. Die Curies bestätigten dies umgehend.

Der Effekt hängt von der Kristallstruktur ab. In Materialien, denen die von Physikern so genannte Inversionssymmetrie fehlt – d. h. deren Atomgitter beim Umdrehen nicht identisch ist –, verschiebt mechanische Spannung das Gleichgewicht der positiven und negativen Ladungen innerhalb des Materials. Diese Ladungstrennung erzeugt eine Spannung über die Oberfläche. Ein ein Zentimeter großer Quarz-Würfel unter einer Kraft von zwei Kilonewton kann etwa 12.500 Volt erzeugen.

Auch umgekehrt funktioniert es: Das Anlegen eines elektrischen Feldes bewirkt, dass sich das Kristallgitter ausdehnt oder zusammenzieht. Dieser inverse piezoelektrische Effekt ist es, der winzige piezoelektrische Aktuatoren mit Nanometer-Präzision bewegt.

Schlüsselmaterialien

Natürlicher Quarz war das ursprüngliche piezoelektrische Arbeitspferd, das für seine Stabilität geschätzt wurde. Die eigentliche Revolution kam jedoch nach dem Zweiten Weltkrieg, als Forscher in den Vereinigten Staaten, Japan und der Sowjetunion unabhängig voneinander synthetische Keramiken mit piezoelektrischen Konstanten entwickelten, die um ein Vielfaches höher waren als bei natürlichen Kristallen.

Bleizirkonat-Titanat (PZT), das 1952 am Tokyo Institute of Technology entwickelt wurde, ist nach wie vor die am weitesten verbreitete piezoelektrische Keramik. Es erzeugt unter der gleichen Belastung weitaus höhere Spannungen als Quarz und kann in kundenspezifischen Formen hergestellt werden. Neuere bleifreie Alternativen – wie Natriumkaliumniobat und Bariumtitanat – gewinnen an Bedeutung, da die Umweltvorschriften für bleihaltige Materialien strenger werden.

Sogar einige Polymere qualifizieren sich. Polyvinylidenfluorid (PVDF), eine flexible Kunststofffolie, erzeugt eine piezoelektrische Reaktion, die um ein Vielfaches höher ist als bei Quarz, was es für tragbare Sensoren und flexible Elektronik nützlich macht.

Anwendungen, die im Verborgenen liegen

Klickt man auf einen Grillanzünder, schlägt ein federbelasteter Hammer auf einen piezoelektrischen Kristall und erzeugt sofort einen Hochspannungsfunken – ohne Batterie. In einem Ultraschallgerät wandeln piezoelektrische Wandler elektrische Impulse in Schallwellen um und wandeln dann die zurückkehrenden Echos wieder in elektrische Signale um, um ein Bild zu erzeugen.

Quarzkristalloszillatoren, die dank des piezoelektrischen Effekts mit präzisen Frequenzen schwingen, halten die Zeit in Uhren, synchronisieren Funksender und erzeugen Taktimpulse in Computern. Tintenstrahldrucker verwenden piezoelektrische Elemente, um mikroskopisch kleine Tintentropfen mit exakter Steuerung auszustoßen. Von Bosch entwickelte Dieseleinspritzdüsen verwenden PZT-Aktuatoren für eine präzise Kraftstoffdosierung. Sogar Autofokusmotoren in Kameras verwenden piezoelektrische Ultraschallantriebe.

Neue Horizonte

Forscher treiben die piezoelektrische Technologie nun in neue Bereiche vor. Ingenieure der UC San Diego veröffentlichten kürzlich in Nature Communications einen Chipentwurf, der einen piezoelektrischen Resonator verwendet, um 48 Volt auf 4,8 Volt mit einem Wirkungsgrad von 96,2 Prozent herunterzuwandeln – ein potenzieller Durchbruch für das Energiemanagement in energiehungrigen Rechenzentren.

Energy Harvesting ist ein weiteres aktives Feld. Experimentelle Systeme, die in Böden, Schuhen und Straßen eingebettet sind, zielen darauf ab, die mechanische Energie von Schritten und Verkehrsvibrationen zu erfassen und in Strom für Sensoren und Low-Energy-Elektronik umzuwandeln. Während die großtechnische piezoelektrische Stromerzeugung nach wie vor unpraktisch ist, erweisen sich Nischenanwendungen in Fernsensoren und Internet-of-Things-Geräten als realisierbar.

Mehr als 140 Jahre nachdem die Gebrüder Curie zum ersten Mal einen Kristall zusammendrückten und einen Funken maßen, findet der piezoelektrische Effekt immer wieder neue Aufgaben – er wandelt still und leise Kraft und Spannung auf eine Weise um, die die meisten Menschen nie bemerken.