В 2007 году Эрик Хендерсон наблюдал, как на ветру возле его дома в Айове шелестят красные листья бутона в форме сердца. Пронесся сквозь порыв ветра вокруг ветвей дерева, заставляя листья колебаться в турбулентном потоке воздуха.
«И это заставило меня задуматься», - говорит он.
Хендерсон, молекулярный биолог из Университета штата Айова, начал играть с идеей сбора этих случайных порывов. «Это не ветер, который когда-либо увидит турбину, потому что она низко над землей и проходит через небольшие вихри и завихрения», - говорит он. Но там все еще есть энергия.
Это привело его к одержимости листьями - изучению их форм, аэродинамики, колебаний при малейшей провокации. Он нанял двух других исследователей из университета, Кертиса Мошера и Майкла Макклоски, чтобы помочь ему, и вместе, концепция искусственного леса расцвела. Идея заключалась в том, что, создавая листья из определенных материалов, они могли бы собирать энергию с изгибов листьев.
Все зависит от метода, известного как пьезоэлектрика, который существует уже более столетия. Обнаруженные Жаком и Пьером Кюри в 1880 году, они были использованы во множестве гаджетов - от ранних фонографов (где пьезоэлектрики превращали вибрации от иглы в электрический ток) до зажигалок.
Концепция основана на манипулировании материалами, которые имеют регулярный массив ковалентных связей, химическая связь, в которой два атома имеют общие электроны. «В кристалле все эти [связи] находятся в очень упорядоченном состоянии», - говорит Хендерсон. «Если вы сжимаете его, или толкаете, или настраиваете, он сдвигается». И при правильном манипулировании это перемещение туда-сюда электронов может генерировать электричество.
Основа идеи исследователей была проста: построить генератор электричества в форме дерева с пластиковыми листьями, у которых есть стебли из поливинилиденфторида (PVDF), типа пьезоэлектрического пластика. Бросьте дерево снаружи в любой регион с легким ветерком и собирайте энергию, пока поддельные листья качаются туда-сюда.
Но, как они недавно опубликовали в журнале PLOS ONE, ситуация намного сложнее. «Все это звучит великолепно, пока вы не попробуете физику», - говорит Хендерсон.
Листья биомиметического дерева, смоделированные по образцу листьев хлопчатника, используют пьезоэлектрические процессы для производства электричества. (Кристофер Гэннон) Первая проблема - это условия, необходимые для производства электроэнергии, объясняет Макклоски, который также является автором статьи. Несмотря на то, что листья развеваются на ветру, якобы генерируя электричество, единственный способ получить полезную энергию - это высокочастотный, равномерно согнутый стебель - состояние, редко встречающееся в природе.
Также оказывается, что количество произведенной энергии может быть связано с тем, как быстро сгибаются стебли. Когда они установили вентилятор, чтобы его лопасти могли поразить лист, когда он вращался, они смогли зажечь светодиод. Но опять же, это не обычная ситуация.
Он также объясняет, что существует паразитная емкость. Как и его тезка, этот феномен похож на пиявку, высасывающую жизненную силу из несчастного существа. Хотя якобы ветер может генерировать много энергии, когда листья колеблются, различные паразитные эффекты, такие как колебание листьев во многих направлениях, крадут глотки этой энергии, эффективно подавляя электрические заряды. И в конце концов, ничего не остается.
В довершение всего, собирать эти остатки энергии далеко не просто. Из-за природы материалов, энергия теряется во время передачи на батарею. И хотя они могли бы зарядить небольшую батарею, Макклоски говорит, что это займет «ледниковый период».
Кертис Мошер (слева), Эрик Хендерсон (в центре) и Майк Макклоски (справа) собрали прототип биомиметического дерева, которое производит электричество. По словам исследователей, эта технология может в будущем занять нишевый рынок. (Кристофер Гэннон) Поскольку команда неустанно работала, чтобы компенсировать эти проблемы, они начали видеть других, преследующих ту же идею. И хотя некоторые попытки лучше других, по словам Хендерсона и Макклоски, существует много горячего воздуха с точки зрения того, что люди утверждают, что могут делать с этой технологией.
Есть даже компании, утверждающие, что они действительно могут использовать эту энергию. Один из них, получивший название SolarBotanic, надеется жениться на амбициозной комбинации энергетических технологий на каждом листе своего поддельного дерева: солнечной энергии (фотоэлектрические), тепловой энергии (термоэлектрические) и пьезоэлектрики. Проблема, объясняет Макклоски, состоит в том, что по сравнению с солнечной энергией пьезоэлектрики производят минимальное количество энергии. Компания была основана в 2008 году. Девять лет спустя искусственный лес еще не материализовался.
В прошлом году Maanasa Mendu выиграла конкурс молодых ученых 2016 года с похожей итерацией искусственного дерева, производящего энергию. Но она также признала ограничения пьезоэлектриков, включающих гибкие солнечные элементы в устройство.
«Я не думаю, что плохая идея иметь [поддельный] завод или даже реальный завод, который будет модифицирован», - говорит Макклоски. «Это просто конкретная схема пьезоэлектричества - я не думаю, что она будет работать с современными материалами».
Команда, однако, также работает под другим углом: синтезирует материал, который имитирует белок, найденный в человеческом ухе, который имеет решающее значение для усиления звука. Хотя детали, которые они могли бы рассказать о проекте, ограничены из-за ожидаемого раскрытия изобретения, Макклоски может сказать, что материал имеет пьезоэлектрическую эффективность, в 100 000 раз превышающую их нынешнюю систему.
Исключая современные методы пьезоэлектрики, команда делает один шаг на пути к поиску лучшего способа борьбы с деревьями. Как якобы сказал Эдисон, пытаясь разработать аккумуляторную батарею: «Я не потерпел неудачу. Я только что нашел 10000 способов, которые не будут работать ».
Макклоски добавляет: «Это один из тех 10 000».
