W 2007 roku Eric Henderson obserwował szeleszczące liście w kształcie serca na wietrze przed domem w Iowa. Podszedł podmuch, wirując wokół gałęzi drzewa, powodując, że liście oscylują w burzliwym strumieniu powietrza.
„I to mnie zastanowiło” - mówi.
Henderson, biolog molekularny z Iowa State University, zaczął bawić się pomysłem zebrania tych przypadkowych podmuchów. „To nie wiatr kiedykolwiek zobaczy turbinę, ponieważ jest nisko nad ziemią i przechodzi przez małe wiry i wiry”, mówi. Ale wciąż jest tam energia.
To zapoczątkowało jego obsesję na punkcie liści - badanie ich kształtów, aerodynamiki, oscylacji przy najmniejszej prowokacji. Zrekrutował dwóch innych badaczy z uniwersytetu, Curtisa Moshera i Michaela McCloskey, aby pomogli mu i razem rozkwitła koncepcja sztucznego lasu. Pomysł polegał na tym, że tworząc liście z określonych materiałów, mogli oni pozyskiwać energię z giętych łodyg liści.
Wszystko opierało się na metodzie zwanej piezoelektryką, która istnieje od ponad wieku. Odkryte przez Jacquesa i Pierre'a Curie w 1880 roku, były używane w różnych gadżetach - od wczesnych fonografów (gdzie piezoelektryczne zamieniały wibracje z igły w prąd elektryczny) po zapalniczki iskrowe.
Koncepcja opiera się na manipulacji materiałami, które mają regularny układ wiązań kowalencyjnych, połączenie chemiczne, w którym dwa atomy dzielą elektrony. „W krysztale wszystkie [wiązania] są w bardzo uporządkowanym stanie”, mówi Henderson. „Jeśli go ściśniesz, popchniesz lub ulepszysz, przesunie się.” I jeśli zostanie odpowiednio zmanipulowany, ten przepływ tam iz powrotem elektronów może wytwarzać elektryczność.
Podstawy pomysłu naukowców były proste: zbuduj generator prądu w kształcie drzewa z plastikowymi liśćmi, które mają łodygi wykonane z fluorku poliwinylidenu (PVDF), rodzaju piezoelektrycznego plastiku. Uderzaj drzewem na zewnątrz w dowolnym regionie i zbierz energię, gdy fałszywe liście kołyszą się tam iz powrotem.
Ale, jak niedawno opublikowali w czasopiśmie PLOS ONE, sytuacja jest znacznie bardziej skomplikowana. „Wszystko brzmi świetnie, dopóki nie spróbujesz fizyki” - mówi Henderson.
Biomimetyczne liście drzewa, wzorowane na liściach drzewa bawełny, wykorzystują procesy piezoelektryczne do wytwarzania energii elektrycznej. (Christopher Gannon) Pierwszy problem to warunki niezbędne do faktycznego wytworzenia elektryczności, wyjaśnia McCloskey, który jest także autorem na papierze. Chociaż liście trzepoczą na wietrze, rzekomo wytwarzając elektryczność, jedynym sposobem na uzyskanie użytecznej energii jest wysoka częstotliwość, regularnie rozmieszczone zginanie łodyg - stan rzadko spotykany w naturze.
Okazuje się również, że ilość wytwarzanej energii może być związana z szybkością zginania łodyg. Kiedy ustawili wentylator, aby jego ostrza rzeczywiście uderzyły w liść podczas wirowania, byli w stanie zapalić diodę LED. Ale znowu nie jest to sytuacja powszechna w przyrodzie.
Wyjaśnia również, że istnieje coś takiego jak pojemność pasożytnicza. Podobnie jak jego imiennik, zjawisko to przypomina pijawkę wysysającą siłę życiową z nieszczęsnego stworzenia. Chociaż wiatr może podobno generować dużo energii, gdy liście oscylują, różne efekty pasożytnicze - takie jak liść poruszający się w wielu kierunkach - kradną łyki tej energii, skutecznie eliminując ładunki elektryczne. I w końcu prawie nic nie pozostaje.
Co więcej, zbieranie tych resztek energii jest dalekie od wiatru. Ze względu na naturę materiałów energia jest tracona podczas przenoszenia do akumulatora. I chociaż mogliby naładować małą baterię, McCloskey twierdzi, że zajęłoby to „wiek lodowcowy”.
Curtis Mosher (po lewej), Eric Henderson (w środku) i Mike McCloskey (po prawej) zmontowali prototypowe drzewo biomimetyczne wytwarzające energię elektryczną. Zdaniem naukowców technologia ta może w przyszłości spodobać się niszowemu rynkowi. (Christopher Gannon) Gdy zespół niestrudzenie pracował nad wyrównaniem tych problemów, zaczęli widzieć, jak inni gonią za tym samym pomysłem. I choć niektóre próby są lepsze od innych, wydaje się, że jest dużo gorącego powietrza pod względem tego, co ludzie twierdzą, że są w stanie zrobić z tą technologią, według Henderson i McCloskey.
Są nawet firmy, które twierdzą, że potrafią faktycznie wykorzystać tę energię. Jeden z nich, zwany SolarBotanic, ma nadzieję łączyć ambitne połączenie technologii energetycznych na każdym liściu ich fałszywego drzewa: energia słoneczna (fotowoltaika), energia cieplna (termoelektryka) i piezoelektryka. Problem, wyjaśnia McCloskey, polega na tym, że piezoelektrycy w porównaniu z energią słoneczną wytwarzają niewielką ilość energii. Firma została założona w 2008 roku. Dziewięć lat później sztuczny las jeszcze się nie zmaterializował.
W ubiegłym roku Maanasa Mendu zwyciężyła w konkursie Young Scientist Challenge 2016 z podobną iteracją sztucznego drzewa wytwarzającego energię. Ale ona także uznała ograniczenia piezoelektryczne, wprowadzając do urządzenia elastyczne ogniwa słoneczne.
„Nie sądzę, że złym pomysłem jest posiadanie [fałszywej] rośliny, a nawet prawdziwej rośliny, która jest zmodyfikowana”, mówi McCloskey. „To tylko ten szczególny schemat piezoelektryczności - nie sądzę, że zadziała z obecnymi materiałami”.
Zespół pracuje jednak także nad innym kątem: syntetyzowaniem materiału, który naśladuje białko znajdujące się w ludzkim uchu, które ma zasadnicze znaczenie dla wzmocnienia dźwięku. Chociaż szczegóły, które mogliby podać na temat projektu, są ograniczone ze względu na toczące się ujawnienia wynalazku, McCloskey może powiedzieć, że materiał ma wydajność piezoelektryczną 100 000 razy większą niż obecny system.
Wykluczając obecne metody piezoelektryczne, zespół jest krokiem na drodze do znalezienia najlepszego sposobu walki z drzewami. Jak rzekomo powiedział Edison, starając się opracować akumulator: „Nie zawiodłem. Właśnie znalazłem 10 000 sposobów, które nie będą działać. ”
McCloskey dodaje: „To jeden z tych 10 000”.
