Piezo ... was?
Im Jahre 1880 entdeckten Jacques und Pierre Curie die Piezoelektrizität. Benannt wurde es nach dem griechischen Wort „piezo" („Druck"). Die beiden Wissenschaftler übten einen mechanischen Druck auf einen Turmalin-Kristalll aus und konnten durch diese Verformung eine messbare, elektrische Spannung an seiner Oberfläche feststellen. Dieses Experiment führten sie erfolgreich an weiteren Kristallen wie Quarz, Topas oder Seignettesalz durch. Ein Jahr nach der Entdeckung des physikalischen Phänomens bestätigten die Curie Brüder die Vermutung des reziproken (wechselseitigen) Piezoeffekts, indem sie an der Oberfläche eines der zuvor genannten Kristalle eine Spannung angelegt und eine Verformung des gesamten Kristalls beobachtet haben.
„Muskeln" für die Hubschrauber der Zukunft
Im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt wird unter anderem an der Problematik von Hubschrauberlärm gearbeitet. Bereits aus der Ferne hört man das Dröhnen des Fluggeräts. Warum eigentlich? Man kann sich das so vorstellen, dass hinter einem sich drehenden Rotorblatt ein kleiner Luftwirbel entsteht. Dieser wird regelrecht vom nachfolgenden Rotorblatt durchschnitten. Und dieses Durchschneiden erzeugt ein Knallen. Hubschrauber haben zwei oder mehr Rotorblätter, die sich hunderte Male pro Minute im Kreise drehen. Kurz gesagt, es entsteht eine große Menge Lärm.
Fliegender Hubschrauber-Simulator (ACT/FHS) mit Fly-by-Light- und Fly-by-Wire-Steuerung. Bild: DLR (CC-BY 3.0).
Die neue Generation von Rotorblättern bestehen aus Faserverbundwerkstoffen. Es ist eine Art „Sandwich" aus verschiedenen, zusammengeklebten Leichtbauwerkstoffen, wie zum Beispiel den in der Formel 1 nicht mehr wegzudenkenden Kohlefasern. Sie sind extrem leicht und belastungsfähig. Durch „Zwischenschieben" von Piezokeramikfasern in das Sandwichpaket und der gezielten elektrischen Ansteuerung dieser, kann man das Rotorblatt ein wenig beweglich machen. Man kann sich diese Fasern als „Muskeln" für die Rotorblätter vorstellen, die diese leicht krümmen können. Der Luftwirbel würde so in eine andere Richtung geleitet und das nachfolgende Rotorblatt diesen nicht mehr durchschneiden. Die Geräuschkulisse am Boden würde sich durch diese Technik bis um die Hälfte absenken lassen.
„Hertz-Leiden"? Nicht bei uns!
Wackelbalken im DLR_School_Lab Braunschweig. Bild: DLR (CC-BY 3.0).
Wie sich Schwingungen äußern, ist den meisten bekannt. Das Wackeln im Auto bei 160 Stundenkilometern auf der Autobahn, der Ton einer klingenden Gitarrensaite, das Beben einer schleudernden Waschmaschine ... aber was genau ist eine Schwingung und warum schwingt etwas? Jedes Objekt mit Masse besitzt eine Eigenfrequenz? Ich etwa auch? An unserem Versuchsstand sind wir in der Lage auf all diese Fragen und mehr einzugehen und unter Umständen das schulische „Hertz-Leiden" in eine harmonische Schwingung umzuwandeln. Die Piezokeramiken erweisen uns an diesem Experiment einen großen Dienst und bringen bei dem Einen oder Anderen eine vielleicht unerwartete „musikalische" Eigenschaft zum Vorschein. Man kann überrascht sein, wo Piezokeramiken und deren einzigartiger physikalischer Effekt heute schon alltägliche Verwendung finden.