През 2007 г. Ерик Хендерсън наблюдаваше във формата на сърце листата на червения буд на вятъра извън дома си в Айова. През него се появи порив, размахвайки се около клоните на дървото, което кара листата да се колебаят в бурния въздушен поток.
„И това ме накара да се замисля“, казва той.
Хендерсън, молекулярен биолог от Държавния университет в Айова, започна да играе с идеята да събере тези случайни пориви. „Не е вятърът, който някога ще види турбина, защото е ниско до земята и преминава през малки вихри и вихри“, казва той. Но там все още има енергия.
Това го накара да завладее с листа - изучаване на техните форми, аеродинамика, трептения при най-малката провокация. Той назначи двама други изследователи от университета, Къртис Мошер и Майкъл Макклоски, за да му помогнат и заедно концепцията за изкуствената гора разцъфтя. Идеята беше, че създавайки листа от определени материали, те могат да черпят енергия от огъващите се листове.
Всичко зависеше от метод, известен като пиезоелектрици, който съществува от повече от век. Открити от Жак и Пиер Кюри през 1880 г., те са били използвани в различни приспособления - от ранни фонографи (където пиезоелектриците превръщали вибрациите от иглата в електрически ток) до запалителни запалки.
Концепцията се основава на манипулиране на материали, които имат правилен масив от ковалентни връзки, химична връзка, в която два атома споделят електрони. „В кристал всички тези [връзки] са в много подредено състояние“, казва Хендерсън. „Ако го стиснете или го натиснете, или го ощипнете, той се измества.“ И ако се манипулира правилно, този софт назад и напред на електрони може да генерира електричество.
Основите на идеята на изследователите бяха прости: да се изгради дървообразен генератор на електричество с пластмасови листа, които имат стъбла, направени от поливинилиден флуорид (PVDF), вид пиезоелектрична пластмаса. Начупете дървото навън във всеки регион с ветрец и събирайте енергията, когато фалшивите листа се люлеет насам-натам.
Но както те публикуваха наскоро в списание PLOS ONE, ситуацията е много по-сложна. "Всичко това звучи чудесно, докато не се опитате да се занимавате с физика", казва Хендерсън.
Листата на биомиметичното дърво, моделирани след листата от памучно дърво, разчитат на пиезоелектрични процеси за производство на електричество. (Кристофър Ганон) Първата беда е условията, необходими за реално производство на електроенергия, обяснява Макклоски, който също е автор на статията. Въпреки че листата клатят на вятъра, като уж генерират електричество, единственият начин за получаване на полезна енергия е от високочестотно, редовно раздалечено огъване на стъблата - състояние, което рядко се среща в природата.
Оказва се също, че количеството произведена енергия може да е свързано с това колко бързо се огъват стъблата. Когато поставиха вентилатор, така че остриетата му всъщност да ударят листото, докато се върти, те бяха в състояние да запалят светодиод. Но отново това не е често срещана в природата ситуация.
Има и нещо известно като паразитен капацитет, обяснява той. Подобно на съименника си, този феномен е сходен с пиявица, изсмукваща жизнената сила от нещастно същество. Въпреки че вятърът може да генерира много енергия, докато листата се колебаят, различни паразитни ефекти - като махането на листата в много посоки - открадват глътки от тази енергия, като ефективно отменят електрическите заряди. И в крайна сметка почти нищо не остава.
Като допълнение, събирането на остатъци от енергия далеч не е лесно. Поради естеството на материалите, енергията се губи по време на прехвърляне към батерия. И въпреки че биха могли да заредят малка батерия, Макклоски казва, че ще отнеме "ледникова възраст".
Къртис Мошер (вляво), Ерик Хендерсън (в средата) и Майк Макклоски (вдясно) са сглобили прототипно биомиметично дърво, което произвежда електричество. Според изследователите технологията може да се хареса на пазарен пазар в бъдеще. (Кристофър Ганон) Докато екипът неуморно работеше за компенсиране на тези проблеми, те започнаха да виждат други да гонят същата идея. И въпреки че някои опити са по-добри от други, изглежда, че има много горещ въздух от гледна точка на това, което хората твърдят, че могат да направят тази технология, според Хендерсън и Макклоски.
Има дори компании, които твърдят, че могат да използват реално тази енергия. Единият, наречен SolarBotanic, се надява да се ожени за амбициозна комбинация от енергийни технологии на всяко листо на фалшивото им дърво: слънчева енергия (фотоволтаици), топлинна енергия (термоелектрици) и пиезоелектрици. Проблемът, обяснява Макклоски, е, че в сравнение със слънчевата енергия пиезоелектриците произвеждат минимално количество енергия. Компанията е основана през 2008 г. Девет години по-късно, изкуствената гора все още не се е материализирала.
Миналата година Maanasa Mendu спечели 2016 Young Chaentist Challenge с подобна итерация на изкуствено дърво, произвеждащо енергия. Но тя също призна ограниченията на пиезоелектриците, като включи гъвкави слънчеви клетки в устройството.
"Не мисля, че е лошо понятието да има фалшиво растение или дори истинско растение, което е модифицирано", казва Макклоски. „Това е точно тази конкретна схема на пиезоелектричност - не мисля, че ще работи с настоящите материали.“
Екипът обаче работи и под друг ъгъл: синтезира материал, имитиращ протеин, открит в човешкото ухо, който е от решаващо значение за усилването на звука. Въпреки че подробностите, които биха могли да дадат за проекта, са ограничени поради чакащи разкрития на изобретението, McCloskey може да каже, че материалът има пиезоелектрична ефективност, 100 000 пъти по-голяма от сегашната им система.
Като изключва съвременните методи на пиезоелектриците, екипът е една стъпка по пътя към намирането на най-добрия начин за справяне с дърветата. Както каза Едисон, докато се бореше да разработи акумулаторна батерия: „Не съм се провалил. Току-що открих 10 000 начина, които няма да работят. "
Макклоски добавя: „Това е един от тези 10 000“.
