I 2007 overvågede Eric Henderson de hjerteformede blade af en rødbud raslende i vinden uden for sit hjem i Iowa. Et vindstød kom igennem og piskede rundt om træets grene og fik bladene til at svinge i den turbulente luftstrøm.
”Og det fik mig til at tænke, ” siger han.
Henderson, en molekylærbiolog ved Iowa State University, begyndte at lege med ideen om at høste disse tilfældige vindstød. ”Det er ikke vind, der nogensinde vil se en turbine, fordi den er lav til jorden, og den går gennem små hvirvler og hvirvler, ” siger han. Men der er stadig energi der.
Dette startede ham på en besættelse af blade - studere deres former, aerodynamik, svingninger ved den mindste provokation. Han rekrutterede to andre forskere fra universitetet, Curtis Mosher og Michael McCloskey, for at hjælpe ham, og sammen blomstrede konceptet med faux skov. Ideen var, at ved at skabe blade af visse materialer, kunne de høste energien fra de bøjende blade.
Alt hænger sammen med en metode kendt som piezoelektrik, som har eksisteret i over et århundrede. Opdaget af Jacques og Pierre Curie i 1880, er de blevet brugt i en række forskellige gadgets - fra tidlige fonografer (hvor piezoelektrik forvandlede vibrationerne fra nålen til elektrisk strøm) til at tænde tændere.
Konceptet er baseret på manipulation af materialer, der har en regelmæssig række af kovalente bindinger, en kemisk forbindelse, hvor to atomer deler elektroner. ”I en krystal er alle disse [obligationer] i en meget ordnet tilstand, ” siger Henderson. ”Hvis du klemmer det, eller skubber på det, eller justerer det, skifter det.” Og hvis det manipuleres korrekt, kan denne shuttling frem og tilbage af elektroner generere elektricitet.
Grundlæggende om forskernes idé var enkel: opbyg en træformet elektricitetsgenerator med plastiske blade, der har stilke lavet af polyvinylidenfluorid (PVDF), en type piezoelektrisk plast. Plunk træet udenfor i en hvilken som helst region med en leg og høst energien, når de falske blade svinger frem og tilbage.
Men som de for nylig offentliggjorde i tidsskriftet PLOS ONE, er situationen meget mere kompliceret. ”Det lyder alt sammen godt, indtil man prøver fysik, ” siger Henderson.
Det biomimetiske træs blade, modelleret efter bomuldstræ, er afhængige af piezoelektriske processer for at producere elektricitet. (Christopher Gannon) Første problemer er de nødvendige betingelser for faktisk at generere elektricitet, forklarer McCloskey, der også er en forfatter på papiret. Selvom bladene klapper i vinden og angiveligt genererer elektricitet, er den eneste måde at få nyttig energi fra højfrekvens, regelmæssigt fordelt bøjning af stilkene - en tilstand, der sjældent findes i naturen.
Det viser sig også, at mængden af produceret energi kan være relateret til, hvor hurtigt stilkene bøjes. Når de satte en blæser op, så dens klinger faktisk kunne slå bladet, mens det drejer, kunne de tænde en LED. Men igen er dette ikke en almindelig situation.
Der er også noget kendt som parasitisk kapacitet, forklarer han. Ligesom dets navnebror, er dette fænomen beslægtet med en igle, der suger livskræften ud af en ulykkelig væsen. Selvom vinden angiveligt kan generere en masse energi, efterhånden som bladene svinger, stjæler forskellige parasitære effekter - som bladet, der vrikker i adskillige retninger - sluk af den energi og effektivt afbryder de elektriske ladninger. Og i sidste ende er der næppe noget tilbage.
For at råbe det op, er det langt fra en vind at samle disse rester af energi. På grund af materialernes art mister energi ved overførsel til et batteri. Og selvom de kunne oplade et lille batteri, siger McCloskey, at det ville tage "en istid."
Curtis Mosher (venstre), Eric Henderson (midten) og Mike McCloskey (til højre) har samlet et prototype biomimetisk træ, der producerer elektricitet. Teknologien kunne appellere til et nichemarked i fremtiden, ifølge forskerne. (Christopher Gannon) Da teamet utrætteligt arbejdede for at kompensere for disse problemer, begyndte de at se andre jagte den samme idé. Og selvom nogle forsøg er bedre end andre, ser det ud til at være en masse varm luft med hensyn til hvad folk hævder at være i stand til at gøre med denne teknik, ifølge Henderson og McCloskey.
Der er endda virksomheder, der hævder at være i stand til rent faktisk at udnytte denne energi. En, kaldet SolarBotanic, håber at gifte sig med en ambitiøs kombination af energiteknologier på hvert blad på deres falske træ: solenergi (fotovoltaik), varmekraft (termoelektrik) og piezoelektrik. Problemet, forklarer McCloskey, er, at i sammenligning med solenergi producerer piezoelektrik en lille mængde energi. Virksomheden blev grundlagt i 2008. Ni år senere er faux skoven endnu ikke blevet realiseret.
Sidste år vandt Maanasa Mendu 2016 Young Scientist Challenge med en lignende iteration af et faux, energiproducerende træ. Men hun erkendte også begrænsningerne i piezoelektrik og inkorporerede fleksible solceller i enheden.
”Jeg synes ikke, det er et dårligt koncept at have en [falsk] plante eller endda en rigtig plante, der er ændret, ” siger McCloskey. "Det er netop dette særlige skema med piezoelektricitet - jeg tror ikke, det vil arbejde med aktuelle materialer."
Holdet arbejder imidlertid også på en anden vinkel: syntese af et materiale, der efterligner et protein, der findes i det menneskelige øre, der er afgørende for at forstærke lyd. Selvom de detaljer, de kunne give om projektet, er begrænsede på grund af afventende afsløringer af opfindelsen, kan McCloskey sige, at materialet har en piezoelektrisk effektivitet 100.000 gange større end deres nuværende system.
Ved at udelukke de nuværende metoder til piezoelektrik er teamet et skridt langs vejen til at finde ud af den bedste måde at tackle træerne på. Som Edison angiveligt sagde, mens han kæmpede for at udvikle et lagerbatteri: ”Jeg har ikke fejlet. Jeg har lige fundet 10.000 måder, der ikke fungerer. ”
McCloskey tilføjer: "Dette er en af disse 10.000."
