Piezoelectricidad, ¿Qué es eso?

Como anunciamos en el artículo anterior, traemos los detalles sobre el sistema utilizado en el campo de fútbol de Morro da Mineira para la producción de electricidad.

Para acabar con la intriga y que todo quede claro empezamos explicando el concepto, la semilla del sistema, lo que lo hace posible…

¿Qué es la piezoelectricidad?

La piezoelectricidad (del griego piezein, “estrujar o apretar”) es la capacidad que tienen algunos cristales para generar energía eléctrica al ser sometidos a tensiones mecánicas, es decir, generan tensión eléctrica al ser golpeados o deformados.

¿Cómo? Los cristales piezoeléctricos al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa, lo que produce una diferencia de potencial y la aparición de cargas eléctricas en la superficie del mismo. Posteriormente y dependiendo de lo que queramos conseguir, esas cargas se aprovechan de una forma u otra.

Como ya imaginarás, los cristales piezoeléctricos resultan idóneos como generadores de electricidad en zonas de mucho tránsito, puede que en unos años vayamos al súper y lo iluminemos con las ruedas del carrito… ¿quién sabe?

Además, el efecto piezoeléctrico es normalmente reversible, al dejar de someter los cristales a la presión de las pisadas o a cualquier otra tensión mecánica, éstos recuperan su forma y esperan listos el siguiente pisotón.

Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen carácter piezoeléctrico de forma natural (cuarzo, turmalina) y los llamados ferroeléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma de microcristales orientados).

Como ves, la naturaleza es sabia y nos proporciona todo lo que imaginamos necesitar.

Un poquito de historia

El efecto piroeléctrico, por el cual un material genera un potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, se estudió por Carl Linnaeus y Franz Aepinus en la mitad del siglo 18. Basándose en este conocimiento, Antoine César Becquerel postula una relación entre el estrés mecánico y la carga eléctrica, sin embargo, los experimentos no fueron concluyentes.

La primera demostración del efecto piezoeléctrico directo fue en 1880 por los hermanos Pierre Curie y Jacques Curie. Ellos combinaron sus conocimientos de piroelectricidad y estructuras cristalinas, lo que dio origen a la piroelectricidad como propiedad para predecir el comportamiento del cristal y demostraron el efecto utilizando cristales de turmalina, topacio, caña de azúcar, cuarzo y sal de Rochelle. Siendo estos dos últimos los materiales que exhibieron la mayor parte de piezoelectricidad.

Los Curie, sin embargo, no predijeron el efecto piezoeléctrico inverso, que se dedujo matemáticamente de principios fundamentales termodinámicos por Gabriel Lippmann en 1881.

Durante las décadas siguientes, la piezoelectricidad se mantuvo como un efecto curioso de laboratorio. En donde se fue trabajando para explorar y definir las estructuras de cristal que mostraron piezoelectricidad. Esto culminó en 1910 con la publicación “Lehrbuch der Kristallphysik” (Física de cristales) de Woldemar Voigt, en donde se describen las clases cristalinas naturales piezoeléctricas.

Como curiosidad, al final de la Primera guerra mundial se descubrió que las ondas sonoras producidas por los submarinos podían ser detectadas por un trozo de cuarzo sumergido en el agua. En él que se medían las corrientes generadas que posibilitaban la detección de la dirección proveniente del sonido.

Aplicaciones en la vida cotidiana.

Quizá la aplicación más conocida es el encendedor eléctrico: tan sencillo como pulsar el botón, un martillo de resorte golpea un cristal piezoeléctrico, produciéndose una corriente eléctrica que fluye a través de una pequeña chispa y encendiendo el gas. Pero también hay otras aplicaciones como el ecógrafo, los mandos a distancia de la televisión, las guitarras eléctricas, altavoces, sensores, en los motores y sensores de aparcamiento de los coches…

Piezoelectricidad y arquitectura

La ciudad posee flujos de tránsito; desplazamientos de vehículos y personas que implican la interacción entre el medio de transporte y el medio físico -la infraestructura-, en el que se descarga energía tras cada desplazamiento. De esta manera, autopistas, avenidas y pavimentos con un alto flujo de movimiento, conforman un soporte ideal para la incorporación de dispositivos piezoeléctricos.

El principio piezoeléctrico trabaja sobre la idea de cosechar esta energía, generada de forma gratuita por estos desplazamientos, aprovechando y transformando su peso y roce en electricidad, que puede ser fácilmente inyectada a la red, contribuyendo a la disminución del gasto energético de edificios y alimentando proyectos que contribuyan a incrementar el valor de la ciudad.

Empresas como la española ABACCUS estiman que en un tramo de 14 Km de autopista la producción de energía con estos sistemas podría alcanzar los 98.112 GWh/año que supondrían unos ingresos anuales de 11.773.440€, siendo los periodos de amortización más competitivos que los correspondientes a la energía fotovoltaica.

Como ejemplo de arquitectura, Belatchew Arkitekter, ha propuesto un nuevo modelo para crear un edificio recubierto de filamentos que en realidad serían fibras piezoeléctricas, el edificio STRAWSCRAPER.

Las fibras serían capaces de capturar energía eólica, convirtiendo este prototipo de edificio en uno de los más altos de Estocolmo con consumo de energía cero.

Bajando la mirada a aplicaciones menos grandiosas, te invitamos a que visites el club dance Watt, en Rotterdam (Holanda), en el existe una pista de baile que genera electricidad procedente de la presión de las personas que bailan en ella.

¿La piezoelectricidad será el futuro de las energías renovables en las ciudades?

¿Tú que opinas?

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