In 2007 keek Eric Henderson naar de hartvormige bladeren van een rode knop in de wind buiten zijn huis in Iowa. Een windvlaag drong door de takken van de boom heen en weer, waardoor de bladeren slingerden in de turbulente luchtstroom.
"En dat zette me aan het denken, " zegt hij.
Henderson, een moleculair bioloog aan de Iowa State University, begon te spelen met het idee om deze willekeurige windstoten te oogsten. "Het is geen wind die ooit een turbine zal zien omdat het laag bij de grond is en het door kleine wervelingen en wervelingen gaat", zegt hij. Maar er is nog steeds energie daar.
Dit begon hem te observeren met bladeren - hun vormen, aerodynamica, oscillaties bij de minste provocatie te bestuderen. Hij rekruteerde twee andere onderzoekers van de universiteit, Curtis Mosher en Michael McCloskey, om hem te helpen, en samen bloeide het concept van het nepbos op. Het idee was dat door bladeren te maken uit bepaalde materialen, ze de energie van de gebogen bladstelen konden oogsten.
Alles draaide om een methode die bekend staat als piëzo-elektronica, die al meer dan een eeuw bestaat. Ontdekt door Jacques en Pierre Curie in 1880, zijn ze gebruikt in verschillende gadgets - van vroege fonografen (waarbij piëzo-elektrische elementen de trillingen van de naald in elektrische stroom veranderden) tot aanstekers die vonken.
Het concept is gebaseerd op manipulatie van materialen die een regelmatige reeks van covalente bindingen hebben, een chemische verbinding waarin twee atomen elektronen delen. "In een kristal, al die [obligaties] zijn in een zeer geordende staat, " zegt Henderson. "Als je erin knijpt, of duwt of knijpt, verschuift het." En als het op de juiste manier wordt gemanipuleerd, kan dit heen en weer pendelen van elektronen elektriciteit genereren.
De basis van het idee van de onderzoekers was eenvoudig: bouw een boomvormige elektriciteitsgenerator met plastic bladeren met stengels gemaakt van polyvinylideenfluoride (PVDF), een soort piëzo-elektrisch plastic. Plons de boom buiten in een regio met een briesje en oogst de energie terwijl de nepbladeren heen en weer zwaaien.
Maar zoals ze onlangs in het Journal PLOS ONE hebben gepubliceerd, is de situatie veel gecompliceerder. "Het klinkt allemaal geweldig totdat je de natuurkunde probeert te doen, " zegt Henderson.
De bladeren van de biomimetische boom, gemodelleerd naar katoenhoutbladeren, vertrouwen op piëzo-elektrische processen om elektriciteit te produceren. (Christopher Gannon) Eerste probleem zijn de voorwaarden die nodig zijn om daadwerkelijk elektriciteit op te wekken, legt McCloskey uit, die ook een auteur van het papier is. Hoewel de bladeren in de wind fladderen, zogenaamd elektriciteit opwekken, is de enige manier om bruikbare energie te krijgen door hoogfrequente, regelmatig gespreide buiging van de stengels - een aandoening die zelden in de natuur voorkomt.
Het blijkt ook dat de hoeveelheid geproduceerde energie gerelateerd kan zijn aan hoe snel de stelen worden gebogen. Wanneer ze een ventilator opzetten zodat de bladen het blad kunnen raken terwijl het draait, konden ze een LED aansteken. Maar nogmaals, dit is geen algemene situatie.
Er is ook iets dat bekend staat als parasitaire capaciteit, legt hij uit. Net als zijn naamgenoot is dit fenomeen verwant aan een bloedzuiger die de levenskracht uit een ongelukkig wezen zuigt. Hoewel de wind vermoedelijk veel energie kan genereren terwijl de bladeren oscilleren, stelen verschillende parasitaire effecten - zoals het blad dat in meerdere richtingen slingert - slokjes van die energie, waardoor de elektrische ladingen effectief worden opgeheven. En uiteindelijk blijft er nauwelijks nog iets over.
Om het af te maken, is het verzamelen van die overblijfselen van energie verre van een briesje. Vanwege de aard van de materialen gaat energie verloren tijdens de overdracht naar een batterij. En hoewel ze een kleine batterij konden opladen, zegt McCloskey dat het 'een ijstijd' zou duren.
Curtis Mosher (links), Eric Henderson (midden) en Mike McCloskey (rechts) hebben een prototype biomimetische boom samengesteld die elektriciteit produceert. Volgens de onderzoekers zou de technologie in de toekomst een nichemarkt kunnen aanspreken. (Christopher Gannon) Terwijl het team onvermoeibaar werkte om deze problemen te compenseren, zagen ze anderen hetzelfde idee achterna zitten. En hoewel sommige pogingen beter zijn dan andere, lijkt er volgens Henderson en McCloskey veel hete lucht te zijn in termen van wat mensen beweren te kunnen doen met deze technologie.
Er zijn zelfs bedrijven die beweren deze energie daadwerkelijk te kunnen benutten. Eén, SolarBotanic genaamd, hoopt een ambitieuze combinatie van energietechnologieën te trouwen op elk blad van hun nepboom: zonne-energie (fotovoltaïsche energie), warmtekracht (thermo-elektrische) en piëzo-elektrische apparatuur. Het probleem, legt McCloskey uit, is dat piëzo-elektronica in vergelijking met zonne-energie een minuscule hoeveelheid energie produceert. Het bedrijf werd opgericht in 2008. Negen jaar later moet het nepbos nog uitkomen.
Vorig jaar won Maanasa Mendu de 2016 Young Scientist Challenge met een vergelijkbare iteratie van een faux, energieproducerende boom. Maar ook zij erkende de beperkingen van piëzo-elektronica, door flexibele zonnecellen in het apparaat op te nemen.
"Ik denk niet dat het een slecht concept is om een [nep] plant te hebben of zelfs een echte plant die is gemodificeerd, " zegt McCloskey. "Het is alleen dit specifieke schema van piëzo-elektriciteit - ik denk niet dat het met huidige materialen gaat werken."
Het team werkt echter ook aan een andere invalshoek: het synthetiseren van een materiaal dat een eiwit in het menselijk oor nabootst dat cruciaal is voor het versterken van het geluid. Hoewel de details die ze over het project kunnen geven beperkt zijn vanwege de openbaringen van de uitvinding, kan McCloskey zeggen dat het materiaal een piëzo-elektrische efficiëntie heeft die 100.000 keer groter is dan hun huidige systeem.
Door de huidige piëzo-elektrische methoden uit te sluiten, is het team een stap op weg om de beste manier te vinden om de bomen aan te pakken. Zoals Edison naar verluidt zei terwijl hij worstelde om een accu te ontwikkelen: “Ik heb niet gefaald. Ik heb zojuist 10.000 manieren gevonden die niet werken. "
McCloskey voegt eraan toe: "Dit is een van die 10.000."
