Идея получать энергию напрямую от окружающей среды и использовать ее в коммерческих целях будоражит умы ученых и инженеров уже несколько сотен лет. Источников питания может быть бесчисленное множество: искусственное осве­щение, высоковольтные провода, шумы, перепады температур, механические колебания — то есть природные и технические вибрации.

Преобразовывать эту энергию помогают пьезоэлектрики. За счет деформации (изменения взаимного положения частиц тела), иначе говоря сдавливания, они индуцируют электрический заряд на своей поверхности. Имеют кристаллическую структуру, которая облегчает процесс преобразования энергии.

Такой потенциал есть у многих природных материалов: кристаллов, костей, шелка. В начале XX века считалось, что самые сильные пьезоэлектрики — это кварц и соль Рошеля. Впервые пьезоэлектрические материалы применили в годы Первой мировой войны: из кристаллов кварца создали преобразователь энергии для ультразвукового детектора подводной лодки.

Потенциал использования природных пьезоэлектриков в промышленности ограничен, но появление композитов, обладающих подобными свойствами, изменило ситуацию.

Искусственные пьезоэлектрики применяют в датчиках давления, фонографах, чувствительных элементах микрофона, в контроллерах впрыска чернил в струйных принтерах и кварцевых резонаторах, в приборах для медицинской диагностики.

Однако у полимеров, которые использовались последние несколько десятилетий, есть существенный недостаток: они относятся к функциональной керамике, а потому относительно хрупкие.

Кроме того, такие материалы достаточно токсичны. Так, самым популярным пьезоэлектриком первого поколения стал цирконат-титанат свинца, но он тяжелый и негибкий. Также продукты, содержащие свинец, наносят ущерб экологии. При этом мощность пьезоэлектриков долгое время оставалась относительно слабой.

«Сегодня страны ЕС, США и Япония пытаются развивать эту идею на базе автомобильных трасс: электричество в таком случае вырабатывается за счет вибрации дорожного полотна. Однако пьезоэлементы являются крайне нестабильным источником генерации электроэнергии в больших объемах, а их сравнительно эффективное использование возможно лишь в комбинации, например, с солнечными панелями. Незначительное отклонение от оптимальной резонансной частоты вызывает резкое снижение выработки электричества», — подтверждает аналитик ГК «Финам» Александр Ковалев.

Однако ученые продолжили экспериментировать и создали материалы с пониженным содержанием свинца, обладающие меньшим весом и большей гибкостью.

Недавно российско-германская группа ученых с участием специалистов «МИСиС» показала новый пьезоэлектрик, совмещающий преимущества керамики и органических полимеров.

«Композиционные материалы на основе полимера и классических сегнетоэлектриков, обладающие пьезо- и пироэлектрическими свойствами, имеют ряд преимуществ по сравнению с чистой керамикой: малая плотность, возможность изготовления деталей любого размера и формы, механическая эластичность, стабильность электрофизических свойств, простота и относительно низкая стоимость получения. Кроме того, синтезированный композит отлично проявил себя при высоких давлениях, что делает его прекрасной основой для датчиков давления», — рассказывает старший научный сотрудник НИТУ «МИСиС» Дмитрий Киселев.

В Литве, в свою очередь, начали использовать поливинилиденфторид (ПВДФ/PVDF). Это фторосодержащий полимер, который представляет собой очень тонкую пленку, собранную на консольной конструкции. Такой материал гораздо крепче и уже может использоваться в транспорте и промышленности. Разработчики заявляют, что их приборы могут генерировать энергию в диапазоне милливатт. Ранее показатели пьезоэлектриков были скромнее.

С использованием ПВДФ разработчики предлагают создавать автономные датчики. Их можно будет устанавливать на рельсовых путях, стрелочных переводах или в самих поездах (например, для контроля за распределением веса в вагонах). Такой датчик сможет круглосуточно собирать информацию и отправлять данные на серверы для дальнейшего анализа.

Оборудование, способное автономно работать за счет энергии вибрации, можно использовать, чтобы обеспечить работу сетей 5G. Разработчики рассчитывают, что новые приборы ускорят распространение промышленного интернета вещей (IoT) в железнодорожной отрасли. Сейчас из-за огромной протяженности путей не всегда удается гарантировать устойчивость сигнала связи на всем протяжении следования поезда.

Впрочем, пьезоэлектрики пока не готовы к широкому промышленному применению. «Материалы нового поколения действительно позволяют повысить эффективность генерации (до 4–20 раз): добавление амортизирующего эффекта положительно сказывается на достижении и удержании оптимального резонанса, но многие проблемы сохраняются. Для масштабирования использования пьезоэлектричества необходимы значительные инвестиции в сопутствующую инфраструктуру (магнитные подушки, амортизирующие материалы и т.д.). Эти расходы зачастую несопоставимы с экономическим эффектом. Формально сегодня интеграция многих решений с применением ВИЭ обойдется намного дешевле, чем пьезоэлектрогенерация», — резюмирует Александр Ковалев.

Впрочем, пьезоэлектрики пока не готовы к широкому промышленному применению. «Материалы нового поколения действительно позволяют повысить эффективность генерации (до 4–20 раз): добавление амортизирующего эффекта положительно сказывается на достижении и удержании оптимального резонанса, но многие проблемы сохраняются. Для масштабирования использования пьезоэлектричества необходимы значительные инвестиции в сопутствующую инфраструктуру (магнитные подушки, амортизирующие материалы и т.д.). Эти расходы зачастую несопоставимы с экономическим эффектом. Формально сегодня интеграция многих решений с применением ВИЭ обойдется намного дешевле, чем пьезоэлектрогенерация», — резюмирует Александр Ковалев.

Ближайшее десятилетие станет для пьезоэлектриков решающим. Разработчикам необходимо доказать, что стоимость добычи энергии из вибрации можно удешевить. В противном случае для развития IoT сделают ставку на иные технологии. Тогда пьезоэлектрики продолжат использовать лишь для создания нишевого оборудования.

• Самой старой технологией, использующей потенциал вибрации, была электромагнитная индукция — энергия, вызываемая колебаниями магнитного поля.
• Индукционная зарядка создает сильное электромагнитное поле, влияние которого на здоровье людей пока полностью не изучено.
• Сделать сбор энергии вибрации более доступным для коммерческой эксплуатации призваны специальные полимерные материалы — пьезоэлектрики.
• Современные пьезоэлектрики — материалы с пониженным содержанием свинца, обладающие меньшим весом и большей гибкостью.