Eric Henderson je leta 2007 v vetru zunaj svojega doma v Iowi opazoval liste v obliki srca rdečega buba. Skozi veje drevesa je prišel sunek, zaradi česar listje niha v burnem zraku.
"In zaradi tega sem razmišljal, " pravi.
Henderson, molekularni biolog z univerze Iowa State, se je začel igrati z idejo, kako pobrati te naključne sunke. "Ni veter, ki bo kdaj videl turbino, ker je nizka do tal in gre skozi majhne vrtince in vrtine, " pravi. Toda tam je še vedno energija.
To ga je začelo obsedeno z listi - ob najmanjši provokaciji je preučeval njihove oblike, aerodinamiko, nihanja. Za pomoč mu je zaposlil še dva raziskovalca z univerze, Curtisa Mosherja in Michaela McCloskeyja, in skupaj je razcvetel pojem lažnega gozda. Ideja je bila, da bi z ustvarjanjem listov iz določenih materialov lahko črpali energijo iz upogibnih listov.
Vse je odvisno od metode, znane kot piezoelektrike, ki obstaja že več kot stoletje. Leta 1880 sta jih odkrila Jacques in Pierre Curie, zato so jih uporabljali v različnih pripomočkih - od zgodnjih fonografov (kjer so piezoelektriki vibracije iz igle spremenili v električni tok) do vžigalnikov.
Koncept temelji na manipulaciji z materiali, ki imajo redno množico kovalentnih vezi, kemično povezavo, v kateri si dva atoma delita elektrone. "V kristalu so vse te [vezi] v zelo urejenem stanju, " pravi Henderson. »Če ga stisnete ali potisnete ali pritisnete, se premakne.« In če pravilno manipulirate, lahko ta prevračanje elektronov naprej in nazaj ustvarja električno energijo.
Osnove ideje raziskovalcev so bile preproste: zgraditi drevesni generator električne energije iz plastičnih listov, ki imajo stebla, izdelana iz polivinilidena fluorida (PVDF), vrste piezoelektrične plastike. Na katerem koli območju drevesa zasukajte zunaj in pobirajte energijo, ko se ponaredki zasipajo sem in tja.
Toda, kot so nedavno objavili v reviji PLOS ONE, je situacija veliko bolj zapletena. "Vse skupaj se sliši odlično, dokler se ne potrudiš s fiziko, " pravi Henderson.
Listi biomimetičnega drevesa, modelirani po listih bombažnega lesa, se za proizvodnjo električne energije zanašajo na piezoelektrične procese. (Christopher Gannon) Prva težava so pogoji, ki so potrebni za dejansko proizvodnjo električne energije, razlaga McCloskey, ki je tudi avtor tega prispevka. Čeprav listi v vetru zaškripajo in domnevno proizvajajo električno energijo, je edini način za pridobivanje koristne energije visoko frekvenčno, redno razporejeno upogibanje stebel - stanje, ki ga v naravi le redko najdemo.
Prav tako se izkaže, da je količina proizvedene energije lahko povezana s tem, kako hitro se stebla upognejo. Ko so postavili ventilator, da bi lahko njegova rezila, ko se zavrti, dejansko udarila v list, so lahko prižgali LED. Toda spet to ni običajna situacija.
Obstaja tudi nekaj znanega kot parazitska kapacitivnost, razlaga. Tako kot njegov istoimen je tudi ta pojav podoben pijavki, ki sesa življenjsko silo iz nesrečnega bitja. Čeprav veter lahko domnevno ustvari veliko energije, ko listje niha, različni parazitski učinki - na primer list, ki vijuga v več smereh - ukradejo požirke te energije, kar učinkovito odpravi električne naboje. In na koncu ostane komaj kaj.
Poleg tega je zbiranje teh ostankov energije še zdaleč ne. Zaradi narave materialov se energija izgubi med prenosom na baterijo. In čeprav bi lahko napolnili majhno baterijo, McCloskey pravi, da bi to trajalo "ledeniško starost."
Curtis Mosher (levo), Eric Henderson (sredi) in Mike McCloskey (desno) so sestavili prototipno biomimetično drevo, ki proizvaja električno energijo. Po mnenju raziskovalcev bi tehnologija lahko v prihodnosti pristala na tržno nišo. (Christopher Gannon) Ko je ekipa neumorno delovala kot nadomestilo za te težave, so začeli opažati druge, da preganjajo isto idejo. Čeprav so nekateri poskusi boljši od drugih, se zdi, da je veliko vročega zraka glede na to, kaj ljudje trdijo, da bi lahko storili s to tehnologijo, trdijo Henderson in McCloskey.
Obstajajo celo podjetja, ki trdijo, da lahko dejansko izkoristijo to energijo. Eden, imenovan SolarBotanic, upa, da bo poročil ambiciozno kombinacijo energetskih tehnologij na vsakem listu svojega ponarejenega drevesa: sončna energija (fotovoltaika), toplotna moč (termoelektriki) in piezoelektriki. Problem, razlaga McCloskey, je, da v primerjavi s sončno energijo piezoelektriki proizvedejo minimično količino energije. Podjetje je bilo ustanovljeno leta 2008. Devet let pozneje se lažni gozd še ni uresničil.
Lana je Maanasa Mendu zmagala v letu 2016 Young Scientist Challenge s podobno iteracijo umetnega drevesa, ki proizvaja energijo. A tudi ona je priznala omejitve piezoelektrike, ki v napravo vključujejo prožne sončne celice.
"Mislim, da ni slab koncept imeti ponarejeno rastlino ali celo pravo rastlino, ki je spremenjena, " pravi McCloskey. "To je ravno ta posebna shema piezoelektričnosti - mislim, da ne bo delovala s trenutnimi materiali."
Ekipa pa deluje tudi pod drugim kotom: sintetizira material, ki posnema beljakovine, ki jih najdemo v človeškem ušesu, in ki so ključnega pomena za povečanje zvoka. Čeprav so podrobnosti, ki bi jih lahko povedali o projektu, zaradi razkritja o izumu omejene, McCloskey lahko reče, da ima material piezoelektrični izkoristek, 100.000-krat večji od njihovega trenutnega sistema.
Z izključitvijo trenutnih metod piezoelektrike je ekipa korak na poti k iskanju najboljšega načina za spopadanje z drevesi. Kot je domnevno rekel Edison, ko se je trudil razviti baterijo za shranjevanje: Pravkar sem našel 10.000 načinov, ki ne bodo delovali. "
McCloskey doda: "To je eden od teh 10.000."
