2007. aastal jälgis Eric Henderson oma kodu lähedal Iowas tuule käes tuule käes punase punase leheroosu südamekujulisi lehti. Läbi tuli puhang, mis piitsutas puu okste ümber, põhjustades lehtede turbulentses õhuvoolus võnkumist.
"Ja see pani mind mõtlema, " ütleb ta.
Iowa osariigi ülikooli molekulaarbioloog Henderson hakkas mängima nende juhuslike tuuleiilide koristamise mõttega. "Turbiini ei näe kunagi tuul, kuna see on maapinnast madal ning läbib väikeseid pööriseid ja keeriseid, " ütleb ta. Kuid energiat on seal ikka.
See hakkas teda lehtede kinnisideeks - uurides nende kuju, aerodünaamikat, võnkeid vähimagi provokatsiooni korral. Ta värbas tema abistamiseks veel kaks ülikooli teadlast - Curtis Mosheri ja Michael McCloskey - ning koos õitseti kunstliku metsa kontseptsioon. Idee oli see, et teatavatest materjalidest lehtede loomisel saaksid nad energiat painduvatest leheseintest saaki koguda.
Kõik toimus piesoelektrikute nime all tuntud meetodil, mis on kehtinud juba üle sajandi. Jacques ja Pierre Curie avastasid need 1880. aastal ja neid on kasutatud erinevates vidinates - alates varajasetest fonograafidest (kus piesoelektrikud muutsid nõelas tekkivad vibratsioonid elektrivooluks) kuni sädemetuledeni.
Kontseptsioon põhineb selliste materjalide manipuleerimisel, millel on regulaarselt kovalentseid sidemeid, keemilisel ühendusel, milles kaks aatomit jagavad elektrone. "Kristallis on kõik need võlakirjad väga korrastatud olekus, " ütleb Henderson. "Kui te seda pigistate, lükate või näpistate, siis see nihkub." Ja kui õigesti manipuleerida, võib see elektronide edasi-tagasi liikumine tekitada elektrit.
Teadlaste idee põhialused olid lihtsad: ehitage puukujuline elektrigeneraator plastlehtedega, mille varred on valmistatud polüvinülideenfluoriidist (PVDF) - piesoelektrilisest plastist. Röövige puu kõikjal tuule käes olevasse piirkonda ja koguge energiat, kui võltslehed kõikuma lähevad.
Kuid nagu nad hiljuti ajakirjas PLOS ONE avaldasid, on olukord palju keerulisem. "See kõik kõlab suurepäraselt, kuni proovite füüsikat teha, " ütleb Henderson.
Puuvillalehtede järgi modelleeritud biomimeetilised puulehed toetuvad elektrienergia tootmiseks piesoelektrilistele protsessidele. (Christopher Gannon) Esimene häda on tingimused, mis on vajalikud reaalseks elektrienergia tootmiseks, selgitas McCloskey, kes on ka paberil olev autor. Ehkki lehed klapivad tuule käes ja loodavad väidetavalt elektrit, on ainus viis kasuliku energia saamiseks kõrgsageduslikest, korrapäraselt paigutatud vartest painutamisest - looduses harva esinevatest tingimustest.
Samuti selgub, et toodetud energia hulk võib olla seotud sellega, kui kiiresti varred painduvad. Kui nad seadsid ventilaatori üles, nii et selle labad võisid keerledes lehele tegelikult vastu lüüa, suutsid nad valguse põleda. Kuid jällegi ei ole see olemuselt tavaline olukord.
Seal on ka midagi, mida tuntakse parasiitide mahtuvusena, selgitab ta. Nagu nimekaim, sarnaneb see nähtus kaaniga, kes imeb elujõudu õnnetu olendi juurest. Kuigi tuul võib lehtede võnkumisel väidetavalt palju energiat toota, varastavad mitmesugused parasiitlikud mõjud - näiteks mitmes suunas lehvimas leht - selle energia lonksud, kustutades tõhusalt elektrilaengud. Ja lõpuks jääb vaevalt midagi alles.
Lisaks on nende energiajääkide kogumine imelihtne. Materjalide olemuse tõttu kaob aku laadimisel energia. Ja kuigi nad saaksid laadida väikest akut, võtab McCloskey teada, et see võtab “jääaja”.
Curtis Mosher (vasakul), Eric Henderson (keskel) ja Mike McCloskey (paremal) on kokku pannud elektrit tootva biomimeetilise puu prototüübi. Teadlaste sõnul võiks see tehnoloogia tulevikus nišiturule meeldida. (Christopher Gannon) Kuna meeskond tegi nende probleemide korvamiseks väsimatult tööd, hakkasid nad nägema teisi sama idee taga ajamas. Ja kuigi mõned katsed on paremad kui teised, näib Hendersoni ja McCloskey sõnul olevat palju sooja õhku selles osas, mida inimesed väidavad, et saavad selle tehnikaga hakkama saada.
On isegi ettevõtteid, kes väidavad, et suudavad seda energiat tegelikult kasutada. Üks, nimega SolarBotanic, loodab abielluda oma võltspuu igal lehel ambitsioonika energiatehnoloogiate kombinatsiooniga: päikeseenergia (fotoelektriline), soojusenergia (termoelektrilised) ja piesoelektrilised. McCloskey selgitab, et probleem seisneb selles, et võrreldes päikeseenergiaga toodavad piesoelektrikud minimaalse koguse energiat. Firma asutati 2008. aastal. Üheksa aastat hiljem peab tehismets veel realiseeruma.
Eelmisel aastal võitis Maanasa Mendu 2016. aasta noore teadlase väljakutse faux, energiat tootva puu sarnase iteratsiooniga. Kuid ka tema tunnistas piesoelektrikute piiranguid, kaasates seadmesse elastseid päikesepatareisid.
"Ma ei usu, et [võlts] taime või isegi tõelise modifitseeritud taime olemasolu oleks halb kontseptsioon, " ütleb McCloskey. "See on just see piesoelektriskeemi skeem - ma ei usu, et see töötab praeguste materjalidega."
Meeskond töötab aga ka teise nurga alt: sünteesib materjali, mis jäljendab inimese kõrvast leitud valku, mis on heli võimendamiseks ülioluline. Ehkki üksikasjad, mida nad projekti kohta võiksid anda, on piiratud seoses leiutiste avaldamisega, võib McCloskey öelda, et materjali piesoelektriline kasutegur on 100 000 korda suurem kui nende praeguses süsteemis.
Kui välistada praegused piesoelektrikute meetodid, on meeskond samm edasi, et leida parim viis puude vastu võitlemiseks. Nagu Edison väidetavalt salvestuspatarei arendamise nimel vaeva nähes ütles: „Ma pole läbi kukkunud. Olen just leidnud 10 000 viisi, mis ei toimi. ”
McCloskey lisab: "See on üks neist 10 000-st."
