Vuonna 2007 Eric Henderson katseli sydämenmuotoisia punavärisen ruusun lehtiä kotonaan Iowassa. Läpimurto puhalsi, piiskahti puun oksien ympärillä, aiheuttaen lehtien värähtelyn pyörteisessä ilmavirrassa.
"Ja se sai minut ajattelemaan", hän sanoo.
Iowan osavaltion yliopiston molekyylibiologi Henderson aloitti leikkimisen idealla kerätä nämä satunnaiset puuskat. "Turbiini ei tule koskaan näkemään tuulta, koska se on alhaalla maahan ja se käy läpi pieniä pyörteitä ja pyörteitä", hän sanoo. Mutta siellä on vielä energiaa.
Tämä sai hänet pakkomielteenä lehtiä kohtaan - tutkien niiden muotoja, aerodynamiikkaa, värähtelyjä pienimmässä provokaatiossa. Hän rekrytoi kaksi muuta tutkijaa yliopistosta, Curtis Mosher ja Michael McCloskey, auttamaan häntä, ja yhdessä käsite keinotekoisesta metsästä kukoisti. Ajatuksena oli, että luomalla lehtiä tietyistä materiaaleista, ne voisivat kerätä energiaa taipuisilta lehtien avulla.
Kaikki riippuu pietsosähköksi kutsutusta menetelmästä, joka on ollut olemassa jo yli vuosisadan. Jacques ja Pierre Curie löysivät ne vuonna 1880, ja niitä on käytetty monissa muissa laitteissa - varhaisista äänitteistä (joissa pietsosähköiset muuttivat neulan värähtelyt sähkövirraksi) kipinäsytyttimiin.
Konsepti perustuu manipulointiin materiaaleilla, joilla on säännöllinen joukko kovalenttisia sidoksia, kemiallinen yhteys, jossa kaksi atomia jakavat elektroneja. "Kristallissa kaikki nuo [sidokset] ovat hyvin järjestetyssä tilassa", sanoo Henderson. "Jos puristat sitä, työnnät sitä tai säädät sitä, se siirtyy." Ja jos oikein manipuloidaan, tämä elektronien edestakaisin liikkuminen voi tuottaa sähköä.
Tutkijoiden idean perusteet olivat yksinkertaiset: rakenna puun muotoinen sähköntuottaja muovilehdillä, joiden varret on valmistettu polyvinylideenifluoridista (PVDF), erään tyyppisestä pietsosähköisestä muovista. Syö puuta tuulella minkä tahansa alueen ulkopuolelle ja kerää energiaa, kun väärennetyt lehdet keinuvat edestakaisin.
Mutta kuten he äskettäin julkaisivat lehdessä PLOS ONE, tilanne on paljon monimutkaisempi. "Kaikki kuulostaa hyvältä, kunnes yrität tehdä fysiikkaa", Henderson sanoo.
Biomimeettisten puiden lehdet, mallinnetut puuvillapuiden jälkeen, luottavat pietsosähköisiin prosesseihin sähkön tuottamiseksi. (Christopher Gannon) Ensimmäinen ongelma on edellytykset sähkön tosiasialliseen tuottamiseen, kertoo McCloskey, joka on myös kirjoittaja paperilla. Vaikka lehdet läpättelevät tuulessa ja väittävät tuottavan sähköä, ainoa tapa saada hyödyllistä energiaa on korkea taajuus, varren säännöllinen jako - tämä on luonnossa harvoin esiintyvä tila.
Samoin käy ilmi, että tuotetun energian määrä voi liittyä siihen, kuinka nopeasti varret taipuvat. Kun he asettivat tuulettimen niin, että sen terät voisivat itse asiassa osua lehtiin sen pyöriessä, he pystyivät valaisemaan LEDin. Mutta jälleen kerran, tämä ei ole luonteeltaan yleinen tilanne.
Siellä on myös jotain, jota kutsutaan loiskapasitanssiksi, hän selittää. Kuten nimensäpitämisensä, tämä ilmiö on samanlainen kuin iilimainen, joka imee hengenpelasta onneton olennon. Vaikka tuulen voidaan väittää tuottavan paljon energiaa lehtien värähteleessä, erilaiset loisvaikutukset - kuten lehti, joka pyörii useaan suuntaan - varastavat sipsin energiaa poistaen tehokkaasti sähkövaraukset. Ja lopulta tuskin mitään jäljellä.
Lisäksi energian jäännösten kerääminen on kaukana tuulta. Materiaalien luonteen vuoksi energia menetetään siirryttäessä akkuun. Ja vaikka he voisivat ladata pienen akun, McCloskey sanoo, että se vie "jääkauden".
Curtis Mosher (vas.), Eric Henderson (keskellä) ja Mike McCloskey (oikealla) ovat koonnut biomimeettisen puun prototyypin, joka tuottaa sähköä. Tutkijoiden mukaan tekniikka voisi tulevaisuudessa houkutella markkinarakoihin. (Christopher Gannon) Koska joukkue väsymättä työskenteli korvatakseen nämä ongelmat, he alkoivat nähdä muiden jahtaavan samaa ajatusta. Ja vaikka jotkut yritykset ovat parempia kuin toiset, Hendersonin ja McCloskeyn mukaan näyttää siltä, että kuumetta on paljon, mitä ihmiset väittävät voivansa tehdä tällä tekniikalla.
On jopa yrityksiä, jotka väittävät pystyvänsä todella hyödyntämään tätä energiaa. Yksi, nimeltään SolarBotanic, toivoo naimisiin kunnianhimoisen yhdistelmän energiatekniikoita väärennetyn puunsa jokaisessa lehdessä: aurinkovoima (aurinkosähkö), lämpövoima (lämpöelektroniikka) ja pietsosähkö. Ongelma, selittää McCloskey, on, että verrattuna aurinkoenergiaan pietsosähkö tuottaa pienimäärän energiaa. Yhtiö perustettiin vuonna 2008. Yhdeksän vuotta myöhemmin keinotekoisen metsän ei ole vielä toteutunut.
Viime vuonna Maanasa Mendu voitti vuoden 2016 nuorten tutkijoiden haasteen samanlaisella keinotekoisen, energiaa tuottavan puun iterauksella. Mutta hän myös tunnusti pietsosähköjen rajoitukset sisällyttämällä laitteeseen joustavia aurinkokennoja.
"Mielestäni ei ole huono käsite saada [väärennös] kasvi tai jopa todellinen kasvi, jota on muunnettu", sanoo McCloskey. "Se on juuri tämä pietsosähkön kaavio - en usko, että se toimii nykyisten materiaalien kanssa."
Ryhmä työskentelee kuitenkin myös toisessa näkökulmassa: syntetisoidaan ihmisen korvaan löydettyä proteiinia jäljittelevä materiaali, joka on välttämätöntä äänen vahvistamiselle. Vaikka yksityiskohdat, joita he voisivat antaa projektista, ovat rajallisia johtuen keksintöjen vireillepanosta, McCloskey voi sanoa, että materiaalilla on pietsosähköinen hyötysuhde 100 000 kertaa suurempi kuin heidän nykyisessä järjestelmässään.
Sulkemalla pois nykyiset pietsosähkömenetelmät, joukkue on yksi askel tietä kohti löytää paras tapa puuttua puisiin. Kuten Edison väitetään taistellessaan kehittääkseen akkua: ”En ole epäonnistunut. Olen juuri löytänyt 10 000 tapaa, jotka eivät toimi. ”
McCloskey lisää: "Tämä on yksi niistä 10000."
