În 2007, Eric Henderson a urmărit frunzele în formă de inimă ale unei roșii înfiorate în vântul din afara casei sale din Iowa. A apărut o rafală, biciuind în jurul ramurilor copacului, făcând ca frunzele să oscileze în fluxul de aer turbulent.
„Și asta m-a gândit”, spune el.
Henderson, biolog molecular la Universitatea de Stat din Iowa, a început să joace cu ideea recoltării acestor rafale aleatorii. „Nu eolienii care vor vedea vreodată o turbină pentru că este jos până la sol și trece prin micuțe și vârtejuri”, spune el. Dar încă mai există energie acolo.
Acest lucru l-a pornit pe o obsesie cu frunzele - studiind formele, aerodinamica, oscilațiile la cea mai mică provocare. El a recrutat alți doi cercetători de la universitate, Curtis Mosher și Michael McCloskey, pentru a-l ajuta și împreună, conceptul de pădure faux a înflorit. Ideea era că prin crearea de frunze din anumite materiale, acestea puteau recolta energia din frunzele de frunze îndoite.
Totul a fost legat de o metodă cunoscută sub numele de piezoelectrică, care există de mai bine de un secol. Descoperite de Jacques și Pierre Curie în 1880, au fost folosite într-o varietate de dispozitive - de la fonografii timpurii (unde piezoelectricele au transformat vibrațiile de la ac în curent electric) la brichete.
Conceptul se bazează pe manipularea materialelor care au o serie de legături covalente, o conexiune chimică în care doi atomi împart electroni. „Într-un cristal, toate [obligațiunile] sunt într-o stare foarte ordonată”, spune Henderson. „Dacă îl strângeți, sau îl împingeți sau îl reglați, se schimbă.” Și dacă este manipulat corespunzător, acest transfer de electroni poate genera electricitate.
Bazele ideii cercetătorilor au fost simple: construiți un generator de electricitate în formă de copac, cu frunze de plastic care au tulpini din fluorură de poliviniliden (PVDF), un tip de plastic piezoelectric. Plonjați arborele afară în orice regiune cu o adiere și recoltați energia pe măsură ce frunzele false se balansează încoace și înapoi.
Dar, așa cum au publicat recent în Jurnalul PLOS ONE, situația este mult mai complicată. „Totul sună minunat până când încerci să faci fizica”, spune Henderson.
Frunzele arborelui biomimetice, modelate după frunze de bumbac, se bazează pe procese piezoelectrice pentru producerea de electricitate. (Christopher Gannon) Primul necaz este condițiile necesare pentru generarea efectivă a energiei electrice, explică McCloskey, care este și autor pe hârtie. Deși frunzele flutură în vânt, care se presupune că generează energie electrică, singura modalitate de a obține energie utilă este de la frecvența înaltă, îndoirea regulată distanțată a tulpinilor - o afecțiune rar întâlnită în natură.
De asemenea, se dovedește că cantitatea de energie produsă poate fi legată de cât de repede sunt îndoite tulpinile. Când au setat un ventilator, astfel încât lamele sale să poată lovi frunza în timp ce se învârte, au putut să aprindă un LED. Dar, din nou, aceasta nu este o situație comună în natură.
Explică el, de asemenea, ceva cunoscut sub numele de capacitate parazitară. La fel ca și numele său, acest fenomen este asemănător cu un lipitor care suge forța de viață dintr-o creatură neplăcută. Deși, probabil, vântul poate genera multă energie pe măsură ce frunzele oscilează, diverse efecte parazitare - cum ar fi frunza care se rătăcește în mai multe direcții - fură înghițituri de energie, anulând eficient încărcările electrice. Și până la urmă, abia rămâne ceva.
Pentru a rezista, colectarea acestor rămășițe de energie este departe de a fi o briză. Datorită naturii materialelor, energia se pierde în timpul transferului la o baterie. Deși ar putea încărca o baterie mică, McCloskey spune că va dura „o vârstă glaciară”.
Curtis Mosher (stânga), Eric Henderson (mijloc) și Mike McCloskey (dreapta) au asamblat un arbore biomimetic prototip care produce energie electrică. Tehnologia ar putea apela la o piață de nișă în viitor, potrivit cercetătorilor. (Christopher Gannon) În timp ce echipa a lucrat neobosit pentru a compensa aceste probleme, au început să vadă pe alții care urmăresc aceeași idee. Și deși unele încercări sunt mai bune decât altele, se pare că există mult aer cald în ceea ce privește ceea ce oamenii pretind că pot face această tehnologie, potrivit Henderson și McCloskey.
Există chiar și companii care pretind că pot valorifica această energie. Unul, numit SolarBotanic, speră să se căsătorească cu o combinație ambițioasă de tehnologii energetice pe fiecare frunză a arborelui lor fals: energia solară (fotovoltaică), energia termică (termoelectrică) și piezoelectrică. Problema, explică McCloskey, este că, în comparație cu energia solară, piezoelectrica produce o cantitate minusculă de energie. Compania a fost fondată în 2008. Nouă ani mai târziu, pădurea faux încă nu s-a materializat.
Anul trecut, Maanasa Mendu a câștigat Challenge Young Scientist 2016 cu o iterație similară a unui arbore faux, care produce energie. Dar și ea a recunoscut limitările piezoelectrice, încorporând celule solare flexibile în dispozitiv.
„Nu cred că este un concept rău să ai o plantă [falsă] sau chiar o plantă adevărată modificată”, spune McCloskey. „Este doar această schemă particulară a piezoelectricității - nu cred că va funcționa cu materialele actuale.”
Echipa lucrează totuși și la un alt unghi: sintetizarea unui material care imită o proteină găsită în urechea umană care este crucială pentru amplificarea sunetului. Deși detaliile pe care le-ar putea oferi despre proiect sunt limitate datorită dezvăluirii în invenție, McCloskey poate spune că materialul are o eficiență piezoelectrică de 100.000 de ori mai mare decât sistemul lor actual.
Prin excluderea metodelor actuale de piezoelectrică, echipa este la un pas de-a lungul drumului pentru a găsi cel mai bun mod de a aborda copacii. După cum spunea Edison în timp ce se străduia să dezvolte o baterie de stocare: „Nu am eșuat. Tocmai am găsit 10.000 de căi care nu vor funcționa. ”
McCloskey adaugă: „Acesta este unul dintre cei 10.000.”
