V roce 2007 Eric Henderson sledoval ve tvaru srdce listy červenohnědého šustění ve větru před domem v Iowě. Protlačením kolem větví stromu prošel poryv, který způsobil, že listy kmitaly v turbulentním proudu vzduchu.
"A to mě přimělo přemýšlet, " říká.
Henderson, molekulární biolog na Státní univerzitě v Iowě, začal pohrávat s myšlenkou na sběr těchto náhodných nárazů. "Není to vítr, který by někdy viděl turbínu, protože je nízko nad zemí a prochází malými víry a víry, " říká. Ale stále existuje energie.
To ho začalo posedlostí listy - studováním jejich tvarů, aerodynamiky, oscilací při nejmenší provokaci. Přijal dva další vědce z univerzity, Curtis Mosher a Michael McCloskey, aby mu pomohli a společně se rozkvetla koncepce fauxového lesa. Myšlenka byla taková, že vytvořením listů z určitých materiálů mohli získat energii z ohýbaných listových stop.
Všechno závisí na metodě známé jako piezoelektrika, která existuje už více než století. Objevili je Jacques a Pierre Curie v roce 1880 a byly použity v řadě pomůcek - od časných fonografů (kde piezoelektrika proměnila vibrace z jehly na elektrický proud) až po zapalovače.
Koncept je založen na manipulaci s materiály, které mají pravidelné pole kovalentních vazeb, chemické spojení, ve kterém dva atomy sdílejí elektrony. "V krystalu jsou všechny tyto svazky ve velmi uspořádaném stavu, " říká Henderson. „Pokud ji stlačíte, nebo zatlačíte nebo vyladíte, posunou se.“ A pokud bude s ní správně manipulováno, může toto uvolňování elektronu generovat elektřinu.
Základy myšlenky vědců byly jednoduché: postavit generátor elektřiny ve tvaru stromu s plastovými listy, které mají stonky vyrobené z polyvinylidenfluoridu (PVDF), typu piezoelektrického plastu. Vyfoukněte strom venku v kterékoli oblasti s větrem a sbírejte energii, když se falešné listy houpají sem a tam.
Jak však nedávno zveřejnili v časopise PLOS ONE, situace je mnohem složitější. "Všechno zní skvěle, dokud se nepokusíte udělat fyziku, " říká Henderson.
Listy biomimetického stromu, modelované po listech z bavlníkového dřeva, se při výrobě elektřiny spoléhají na piezoelektrické procesy. (Christopher Gannon) Prvním problémem jsou podmínky nezbytné pro skutečnou výrobu elektřiny, vysvětluje McCloskey, který je také autorem článku. Přestože se listy chvějí ve větru, pravděpodobně vyrábějí elektřinu, jediným způsobem, jak získat užitečnou energii, je vysokofrekvenční, pravidelně rozložené ohyby stonků - stav, který se v přírodě zřídka vyskytuje.
Ukazuje se také, že množství vyrobené energie může souviset s rychlostí ohýbání stonků. Když postavili ventilátor tak, aby jeho čepele mohly při otáčení listu skutečně zasáhnout, dokázaly rozsvítit LED. Ale opět to není přirozená situace.
Vysvětluje také něco, co se nazývá parazitní kapacita. Stejně jako jeho jmenovec, je tento jev podobný pijáku, který vysává život z nešťastného tvora. Ačkoli vítr může údajně generovat hodně energie, zatímco listy oscilují, různé parazitární efekty - jako se kroutí list v několika směrech - ukradnou doušky této energie a účinně zruší elektrické náboje. A nakonec zbývá jen stěží.
Kromě toho je shromažďování těchto zbytků energie zdaleka vánkem. Vzhledem k charakteru materiálů dochází během přenosu na baterii ke ztrátě energie. A ačkoli by mohli nabíjet malou baterii, McCloskey říká, že by to trvalo „ledovcový věk“.
Curtis Mosher (vlevo), Eric Henderson (uprostřed) a Mike McCloskey (vpravo) sestavili prototyp biomimetického stromu, který vyrábí elektřinu. Podle vědců by tato technologie mohla v budoucnu oslovit specializovaný trh. (Christopher Gannon) Jak tým neúnavně pracoval na vyrovnání těchto problémů, začali vidět ostatní, jak pronásledují stejný nápad. A i když některé pokusy jsou lepší než jiné, zdá se, že podle Hendersona a McCloskeye existuje hodně horkého vzduchu, co se týče toho, co lidé tvrdí, že s touto technologií dokážou.
Existují dokonce společnosti, které tvrdí, že jsou schopny tuto energii skutečně využít. Jeden, nazvaný SolarBotanic, doufá, že si vezme ambiciózní kombinaci energetických technologií na každém listu svého falešného stromu: sluneční energie (fotovoltaika), tepelná energie (termoelektrika) a piezoelektrika. Problém, vysvětluje McCloskey, spočívá v tom, že ve srovnání se sluneční energií produkuje piezoelektrika nepatrné množství energie. Společnost byla založena v roce 2008. O devět let později se umělý les ještě musí zhmotnit.
V loňském roce Maanasa Mendu zvítězila v soutěži Young Scientist Challenge 2016 s podobnou iterací umělého stromu produkujícího energii. Ale také uznala omezení piezoelektriky, která do zařízení zabudovala flexibilní solární články.
"Nemyslím si, že je to špatný koncept mít [falešnou] rostlinu nebo dokonce skutečnou rostlinu, která je upravena, " říká McCloskey. "Je to jen toto konkrétní schéma piezoelektriky - nemyslím si, že to bude fungovat se současnými materiály."
Tým však také pracuje na jiném úhlu: syntetizovat materiál napodobující protein nalezený v lidském uchu, který je rozhodující pro zesílení zvuku. Ačkoli podrobnosti, které by mohly poskytnout o projektu, jsou omezené kvůli zveřejněním vynálezu, McCloskey může říci, že materiál má piezoelektrickou účinnost 100 000krát větší než jejich současný systém.
Tím, že vyloučí současné metody piezoelektriky, tým je jedním krokem na cestě k vymýšlení nejlepšího způsobu řešení stromů. Jak Edison údajně řekl, zatímco se snažil vyvinout paměťovou baterii: „Nezklamal jsem. Právě jsem našel 10 000 způsobů, které nebudou fungovat. “
McCloskey dodává: „Toto je jeden z těch 10 000.“
