2007-ben Eric Henderson az Iowa-i házán kívül vörösesbogár szív alakú leveleit nézte a szélben. A szél átölelte a korbácsolást, és a levelek ingadoztak a viharos légáramban.
"És ez arra késztetett, hogy gondoljam" - mondja.
Henderson, az Iowa Állami Egyetem molekuláris biológusa azzal a gondolattal kezdte el játszani, hogy betakarítsa ezeket a véletlenszerű guszt. "A szél nem fog valaha is látni a turbinát, mert alacsony a talajhoz, és kis örvényeken és kavarogásokon megy keresztül" - mondja. De ott még mindig van energia.
Ez kezdte őt a levelek megszállottságaként - alakok, aerodinamika, rezgések tanulmányozása a legkisebb provokáció során. Két további kutatót toborzott az egyetemről, Curtis Mosher és Michael McCloskey, hogy segítsék neki, és együtt megjelent a faux erdő fogalma. Az ötlet az volt, hogy bizonyos anyagokból levelek létrehozásával az energiát a hajlító levéltakarókból kinyerhetik.
Minden a piezoelektrikának nevezett módszerre épült, amely több mint egy évszázad óta működik. Jacques és Pierre Curie 1880-ban fedezte fel őket különféle eszközökben - a korai fonográfoktól (ahol a piezoelektromos készülékek a tű rezgéseit elektromos árammá változtatják) a szikragyújtókig.
A koncepció azon anyagok manipulációján alapszik, amelyek rendszeres kovalens kötésekkel rendelkeznek, kémiai kapcsolatban állnak, amelyben két atom megosztja az elektronokat. "Egy kristályban ezek a kötések rendben vannak" - mondja Henderson. „Ha kinyomja, megnyomja, vagy megcsavarja, akkor eltolódik.” És megfelelő manipuláció esetén az elektronok oda-vissza mozgatása áramot termelhet.
A kutatók ötletének alapjai egyszerűek voltak: építsen egy fa alakú villamos generátort műanyag levelekkel, amelyek szárát polivinilidén-fluoridból (PVDF) készítik, amely egy piezoelektromos műanyag. Vágja le a fát bármilyen térségben szellõvel, és szedje be az energiát, amint a hamis levelek oda-vissza haladnak.
De amint a közelmúltban közzétették a PLOS ONE folyóiratban, a helyzet sokkal bonyolultabb. "Mindez remekül hangzik, amíg meg nem próbálod megtenni a fizikát" - mondja Henderson.
A biomimetikus fa levelei, amelyek a gyapotlevelek után modelleződnek, piezoelektromos folyamatokra támaszkodnak az áramtermeléshez. (Christopher Gannon) Az első baj a villamosenergia-termeléshez szükséges feltételek - magyarázza McCloskey, aki szintén szerző a papíron. Noha a levelek a szélben csapkodnak, állítólag villamos energiát termelnek, a hasznos energiát csak a magas frekvenciájú, rendszeresen elhelyezett szárok hajlítása érheti el - ez a természetben ritkán előforduló állapot.
Kiderül az is, hogy az előállított energia mennyisége összefüggésben áll a szárok hajlításának gyorsaságával. Amikor felállították a ventilátort, hogy annak pengéi valóban megcsavarodjanak a levélben, miközben forog, képesek voltak LED-et világítani. De megint ez a természetben nem jellemző helyzet.
Van még valami, amit parazita kapacitásnak is neveznek - magyarázza. Ez a jelenség, mint a névnév is, hasonlít egy póréhagymara, amely egy élettelen személyt kiszív a szerencsétlen lényből. Noha a szél állítólag sok energiát generál, amikor a levelek oszcillálnak, a különböző parazitahatások - például a több irányba kavargó levél - ellopják az energia kortyjait, hatékonyan kiküszöbölve az elektromos töltéseket. És végül alig marad meg semmi.
Ráadásul az energiamaradványok gyűjtése messze nem a szél. Az anyagok jellegéből adódóan az energia elveszik az akkumulátorra történő átvitel során. És bár képesek feltölteni egy kis akkumulátort, McCloskey szerint "jégkorszakot igényelne".
Curtis Mosher (balra), Eric Henderson (középen) és Mike McCloskey (jobbra) összeállított egy biomimetikus fát, amely áramot termel. A kutatók szerint ez a technológia a jövőben vonzó lehet egy réspiacra. (Christopher Gannon) Mivel a csapat fáradhatatlanul dolgozott ezeknek a problémáknak a kompenzálásán, láttak, hogy mások üldözik ugyanazt az ötletet. És bár egyes kísérletek jobbak, mint mások, Henderson és McCloskey szerint sok forró levegő tapasztalható abban, amit az emberek állítanak ennek a technológiának.
Vannak olyan vállalatok is, amelyek azt állítják, hogy képesek valóban kihasználni ezt az energiát. Az egyik, az úgynevezett SolarBotanic, azt reméli, hogy feleségül veszi az energiatechnológiák ambiciózus kombinációját hamis fa minden egyes levélén: napenergia (fotovoltaikus), hőenergia (hőelektromos) és piezoelektromos. A probléma - magyarázza McCloskey - az, hogy a napenergiához képest a piezoelektromos készülékek csekély mennyiségű energiát termelnek. A társaságot 2008-ban alapították. Kilenc évvel később a mesterséges erdő még nem valósult meg.
Tavaly a Maanasa Mendu nyerte a 2016-os Young Scientist Challenge-t egy hasonló műhiteles, energiatermelő fa ismétléssel. De ő is elismerte a piezoelektromos áram korlátozásait, mivel rugalmas napelemeket épít be a készülékbe.
"Nem hiszem, hogy rossz koncepció lenne egy [hamis] növény, vagy akár valódi módosított növény" - mondja McCloskey. "Ez csak a piezoelektromos áramlás ezen sémája - nem hiszem, hogy a jelenlegi anyagokkal fog működni."
A csapat azonban egy másik szempontból is dolgozik: szintetizál egy olyan anyagot, amely utánozza az emberi fülben található fehérjét, és amely elengedhetetlen a hang erősítéséhez. Bár a részleteket, amelyeket a projekttel kapcsolatban adhatnak, korlátozottak a függőben lévő találmányi ismertetések miatt, McCloskey azt mondhatja, hogy az anyag piezoelektromos hatékonysága 100 000-szer nagyobb, mint a jelenlegi rendszerükön.
A piezoelektromos technika jelenlegi módszereinek kizárásával a csapat az egyik lépéssel jár annak érdekében, hogy kitalálja a fák kezelésének legjobb módját. Ahogyan Edison állítólag mondta, miközben küszködött a tároló elem fejlesztése közben: „Nem buktam le. Most találtam 10 000 olyan módszert, amely nem működik. "
McCloskey hozzáteszi: "Ez egy a 10 000 közül."
