Το 2007, ο Eric Henderson παρακολουθούσε τα καρδιακά φύλλα ενός σκουριασμένου κόκκινου ποδιού στον άνεμο έξω από το σπίτι του στην Αϊόβα. Έρχεται μια ριπή, χτυπώντας γύρω από τα κλαδιά του δέντρου, προκαλώντας τα φύλλα να ταλαντεύονται στο ταραχώδη ρεύμα αέρα.
"Και αυτό με έκανε να σκεφτώ", λέει.
Ο Χέντερσον, μοριακός βιολόγος στο κρατικό πανεπιστήμιο της Αϊόβα, άρχισε να παίζει με την ιδέα της συγκομιδής αυτών των τυχαίων ριπών. "Δεν είναι άνεμος που θα βλέπει ποτέ έναν στρόβιλο επειδή είναι χαμηλός στο έδαφος και περνά μέσα από μικρές δαιδώσεις και στροβιλίζεται", λέει. Αλλά υπάρχει ακόμα ενέργεια εκεί.
Αυτό τον ξεκίνησε με μια εμμονή με τα φύλλα-μελετώντας τα σχήματα τους, την αεροδυναμική, τις ταλαντώσεις στην παραμικρή πρόκληση. Πρόσθεσε δύο άλλους ερευνητές του πανεπιστημίου, Curtis Mosher και Michael McCloskey, για να τον βοηθήσει και, μαζί, η έννοια του faux δάσους άνθισε. Η ιδέα ήταν ότι με τη δημιουργία φύλλων από ορισμένα υλικά, θα μπορούσαν να συγκομίσουν την ενέργεια από τα φύλλα κάμψης.
Τα πάντα εξαρτώνται από μια μέθοδο γνωστή ως piezoelectrics, η οποία βρίσκεται εδώ και πάνω από έναν αιώνα. Ανακαλύφθηκαν από τον Jacques και τον Pierre Curie το 1880, έχουν χρησιμοποιηθεί σε μια ποικιλία συσκευών - από πρώιμους φωνογράφους (όπου η πιεζοηλεκτρική έστρεψε τις δονήσεις από τη βελόνα σε ηλεκτρικό ρεύμα) για να πυροδοτήσουν αναπτήρες.
Η ιδέα βασίζεται στον χειρισμό υλικών που έχουν μια κανονική σειρά ομοιοπολικών δεσμών, μια χημική σύνδεση στην οποία δύο άτομα μοιράζονται ηλεκτρόνια. "Σε ένα κρύσταλλο, όλα αυτά [τα ομόλογα] βρίσκονται σε πολύ διατεταγμένη κατάσταση", λέει ο Henderson. "Αν το συμπιέσετε ή το σπρώξετε ή το τσίμπημα, μετατοπίζεται." Και αν χειριστεί σωστά, αυτή η μετακίνηση προς τα εμπρός και πίσω από ηλεκτρόνια μπορεί να παράγει ηλεκτρισμό.
Τα βασικά στοιχεία της ιδέας των ερευνητών ήταν απλά: οικοδομήσουμε μια γεννήτρια ηλεκτροπαραγωγής σε σχήμα δέντρου με πλαστικά φύλλα που έχουν μίσχους κατασκευασμένους από φθοριούχο πολυβινυλιδένιο (PVDF), έναν τύπο πιεζοηλεκτρικού πλαστικού. Πετάξτε το δέντρο έξω σε οποιαδήποτε περιοχή με αεράκι και μαζέψτε την ενέργεια καθώς τα ψεύτικα φύλλα ταλαντεύονται προς τα πίσω.
Αλλά, όπως δημοσίευσαν πρόσφατα στο περιοδικό PLOS ONE, η κατάσταση είναι πολύ πιο περίπλοκη. "Όλα ακούγονται υπέροχα μέχρι να προσπαθήσετε να κάνετε τη φυσική", λέει ο Henderson.
Τα φύλλα του βιομιμητικού δένδρου, σύμφωνα με τα μοντέλα των φύλλων από βαμβάκι, βασίζονται σε πιεζοηλεκτρικές διεργασίες για την παραγωγή ηλεκτρισμού. (Christopher Gannon) Το πρώτο πρόβλημα είναι οι συνθήκες που είναι απαραίτητες για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, εξηγεί ο McCloskey, ο οποίος είναι επίσης συντάκτης στο χαρτί. Αν και τα φύλλα φύλλων στον άνεμο, που υποτίθεται ότι παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, ο μόνος τρόπος για να πάρει χρήσιμη ενέργεια είναι η υψηλή συχνότητα, η τακτική κάμψη των στελεχών - μια κατάσταση που σπάνια βρίσκεται στη φύση.
Αποδεικνύεται επίσης ότι η ποσότητα ενέργειας που παράγεται μπορεί να σχετίζεται με το πόσο γρήγορα οι μίσχοι κάμπτονται. Όταν βάζουν έναν ανεμιστήρα επάνω, έτσι ώστε οι λεπίδες του να χτυπήσουν το φύλλο καθώς γυρίζει, μπορούσαν να ανάψουν ένα LED. Αλλά και πάλι, αυτή δεν είναι μια κοινή κατάσταση στη φύση.
Υπάρχει επίσης κάτι γνωστό ως παρασιτική χωρητικότητα, εξηγεί. Όπως και το ομώνυμο, αυτό το φαινόμενο είναι παρόμοιο με μια βδέλλα που πιπιλίζει τη ζωή από ένα άβολο πλάσμα. Αν και ο αέρας μπορεί να παράγει πολλή ενέργεια καθώς τα φύλλα ταλαντεύονται, διάφορα παρασιτικά φαινόμενα - όπως το φύλλο που κινείται σε πολλές κατευθύνσεις - κλέβουν τις γουλιές αυτής της ενέργειας, ακυρώνοντας αποτελεσματικά τα ηλεκτρικά φορτία. Και στο τέλος, ελάχιστα παραμένει.
Για να το ξεπεράσουμε, η συλλογή αυτών των απομεινάρια ενέργειας απέχει πολύ από το αεράκι. Λόγω της φύσης των υλικών, η ενέργεια χάνεται κατά τη μεταφορά σε μια μπαταρία. Και παρόλο που μπορούσαν να χρεώσουν μια μικρή μπαταρία, ο McCloskey λέει ότι θα έπαιρνε "μια εποχή παγετώνων".
Ο Curtis Mosher (αριστερά), ο Eric Henderson (μέσος) και ο Mike McCloskey (δεξιά) έχουν συγκεντρώσει ένα πρωτότυπο βιομιμητικό δέντρο που παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Η τεχνολογία θα μπορούσε να προσελκύσει μια εξειδικευμένη αγορά στο μέλλον, σύμφωνα με τους ερευνητές. (Christopher Gannon) Καθώς η ομάδα εργάστηκε ακούραστα για να αντισταθμίσει αυτά τα προβλήματα, άρχισαν να βλέπουν τους άλλους να κυνηγούν την ίδια ιδέα. Και αν και κάποιες απόπειρες είναι καλύτερες από άλλες, φαίνεται ότι υπάρχει πολύ ζεστός αέρας από την άποψη του τι ισχυρίζονται οι άνθρωποι ότι μπορούν να κάνουν με αυτή την τεχνολογία, σύμφωνα με τον Henderson και τον McCloskey.
Υπάρχουν ακόμη και εταιρείες που ισχυρίζονται ότι είναι σε θέση να εκμεταλλευτούν πραγματικά αυτή την ενέργεια. Ο ένας, που ονομάζεται SolarBotanic, ελπίζει να παντρευτεί έναν φιλόδοξο συνδυασμό ενεργειακών τεχνολογιών σε κάθε φύλλο του ψεύτικου δέντρου: η ηλιακή ενέργεια (φωτοβολταϊκά), η θερμότητα (θερμοηλεκτρική) και η πιεζοηλεκτρική. Το πρόβλημα, εξηγεί ο McCloskey, είναι ότι σε σύγκριση με την ηλιακή ενέργεια, η πιεζοηλεκτρική παράγει μια ελάχιστη ποσότητα ενέργειας. Η εταιρεία ιδρύθηκε το 2008. Εννέα χρόνια αργότερα, το παρθένο δάσος δεν έχει ακόμη υλοποιηθεί.
Πέρυσι, ο Maanasa Mendu κέρδισε το 2016 Young Scientist Challenge με μια παρόμοια επανάληψη ενός πλαστικού δέντρου που παράγει ενέργεια. Αλλά, επίσης, αναγνώρισε τους περιορισμούς της πιεζοηλεκτρικής, ενσωματώνοντας ευέλικτα ηλιακά κύτταρα στη συσκευή.
"Δεν νομίζω ότι είναι κακή ιδέα να έχουμε ένα [ψεύτικο] φυτό ή ακόμα και ένα πραγματικό εργοστάσιο που έχει τροποποιηθεί", λέει ο McCloskey. "Είναι ακριβώς αυτό το συγκεκριμένο σχέδιο πιεζοηλεκτρίας - δεν νομίζω ότι θα λειτουργήσει με τα τρέχοντα υλικά."
Η ομάδα, ωστόσο, εργάζεται επίσης σε μια άλλη γωνία: συνθέτοντας ένα υλικό που μιμείται μια πρωτεΐνη που βρίσκεται στο ανθρώπινο αυτί και είναι κρίσιμη για την ενίσχυση του ήχου. Αν και οι λεπτομέρειες που θα μπορούσαν να δώσουν σχετικά με το έργο είναι περιορισμένες λόγω των εκκρεμών αποκαλύψεων της εφεύρεσης, ο McCloskey μπορεί να πει ότι το υλικό έχει μια πιεζοηλεκτρική απόδοση 100.000 φορές μεγαλύτερη από το τρέχον σύστημα.
Αποκλείοντας τις σημερινές μεθόδους της πιεζοηλεκτρικής, η ομάδα είναι ένα βήμα κατά μήκος της διαδρομής για να βρούμε τον καλύτερο τρόπο αντιμετώπισης των δέντρων. Όπως δήλωσε δήθεν ο Edison, ενώ αγωνίζεται να αναπτύξει μια μπαταρία αποθήκευσης: "Δεν απέτυχα. Μόλις βρήκα 10.000 τρόπους που δεν θα λειτουργήσουν. "
McCloskey προσθέτει: "Αυτό είναι ένα από αυτά τα 10.000."
