2007 beobachtete Eric Henderson vor seinem Haus in Iowa, wie die herzförmigen Blätter eines Redbud im Wind raschelten. Ein Windstoß schoss durch die Äste des Baumes und ließ die Blätter im turbulenten Luftstrom schwingen.
"Und das hat mich zum Nachdenken gebracht", sagt er.
Henderson, ein Molekularbiologe an der Iowa State University, begann mit der Idee zu spielen, diese zufälligen Böen zu ernten. "Es ist kein Wind, der jemals eine Turbine sehen wird, weil sie tief am Boden liegt und kleine Wirbel und Strudel durchläuft", sagt er. Aber da ist immer noch Energie.
Dies brachte ihn auf eine Besessenheit mit Blättern - studierte ihre Formen, Aerodynamik, Schwingungen bei der geringsten Provokation. Er rekrutierte zwei weitere Forscher der Universität, Curtis Mosher und Michael McCloskey, um ihm zu helfen, und zusammen blühte das Konzept des künstlichen Waldes auf. Die Idee war, dass durch die Herstellung von Blättern aus bestimmten Materialien die Energie aus den gebogenen Blattstielen gewonnen werden könnte.
Alles hing von einer Methode ab, die als Piezoelektrik bekannt ist und es seit über einem Jahrhundert gibt. Sie wurden 1880 von Jacques und Pierre Curie entdeckt und in einer Vielzahl von Geräten verwendet - von frühen Phonographen (bei denen Piezoelektrika die Schwingungen der Nadel in elektrischen Strom umwandelten) bis hin zu Funkenanzündern.
Das Konzept basiert auf der Manipulation von Materialien mit regelmäßigen kovalenten Bindungen, einer chemischen Verbindung, bei der zwei Atome Elektronen gemeinsam haben. "In einem Kristall sind alle diese [Bindungen] in einem sehr geordneten Zustand", sagt Henderson. „Wenn Sie es zusammendrücken oder drücken oder zwicken, verschiebt es sich.“ Und wenn es richtig manipuliert wird, kann dieses Hin- und Herbewegen von Elektronen Elektrizität erzeugen.
Die Grundidee der Forscher war einfach: Sie bauten einen baumförmigen Stromgenerator aus Kunststoffblättern, deren Stiele aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), einer Art piezoelektrischem Kunststoff, bestehen. Versenken Sie den Baum mit einer Brise nach draußen in eine beliebige Region und ernten Sie die Energie, während die gefälschten Blätter hin und her schwanken.
Aber wie sie kürzlich im Journal PLOS ONE veröffentlicht wurden, ist die Situation viel komplizierter. "Es klingt alles gut, bis Sie versuchen, die Physik zu tun", sagt Henderson.
Die Blätter des biomimetischen Baumes, die Pappelblättern nachgebildet sind, beruhen auf piezoelektrischen Prozessen zur Erzeugung von Elektrizität. (Christopher Gannon) Das erste Problem sind die Bedingungen, die für die tatsächliche Stromerzeugung erforderlich sind, erklärt McCloskey, der auch Autor der Zeitung ist. Obwohl die Blätter im Wind flattern und angeblich Elektrizität erzeugen, ist die einzige Möglichkeit, nützliche Energie zu gewinnen, das regelmäßige Biegen der Stängel mit hoher Frequenz - ein Zustand, der in der Natur selten anzutreffen ist.
Es stellt sich auch heraus, dass die Menge der erzeugten Energie damit zusammenhängt, wie schnell die Stiele gebogen werden. Wenn sie einen Ventilator aufstellten, so dass seine Flügel beim Drehen tatsächlich auf das Blatt schlagen konnten, konnten sie eine LED anzünden. Dies ist jedoch wiederum keine in der Natur übliche Situation.
Es gibt auch etwas, das als parasitäre Kapazität bekannt ist, erklärt er. Wie sein Namensvetter ähnelt dieses Phänomen einem Blutegel, der einer unglücklichen Kreatur die Lebenskraft entzieht. Obwohl der Wind angeblich viel Energie erzeugen kann, während die Blätter schwingen, stehlen verschiedene parasitäre Effekte - wie das in mehrere Richtungen wackelnde Blatt - einen Schluck dieser Energie, wodurch die elektrischen Ladungen effektiv gelöscht werden. Und am Ende bleibt kaum etwas übrig.
Um das Ganze abzurunden, ist das Sammeln dieser Energiereste alles andere als ein Kinderspiel. Aufgrund der Art der Materialien geht beim Übertragen auf eine Batterie Energie verloren. Und obwohl sie eine kleine Batterie aufladen könnten, würde es laut McCloskey "ein Eiszeitalter" dauern.
Curtis Mosher (links), Eric Henderson (Mitte) und Mike McCloskey (rechts) haben einen Prototyp eines biomimetischen Baums zusammengestellt, der Strom erzeugt. Die Technologie könnte nach Ansicht der Forscher in Zukunft einen Nischenmarkt ansprechen. (Christopher Gannon) Als das Team unermüdlich daran arbeitete, diese Probleme zu kompensieren, stellten sie fest, dass andere die gleiche Idee verfolgten. Und obwohl einige Versuche besser sind als andere, scheint es laut Henderson und McCloskey eine Menge heiße Luft zu geben, was die Leute behaupten, mit dieser Technologie umgehen zu können.
Es gibt sogar Unternehmen, die behaupten, diese Energie tatsächlich nutzen zu können. Einer mit dem Namen SolarBotanic hofft, auf jedem Blatt seines künstlichen Baums eine ehrgeizige Kombination von Energietechnologien zu heiraten: Solarenergie (Photovoltaik), Wärmeleistung (Thermoelektrik) und Piezoelektrik. Das Problem, erklärt McCloskey, sei, dass Piezoelektrika im Vergleich zur Sonnenenergie eine winzige Energiemenge produzieren. Das Unternehmen wurde 2008 gegründet. Neun Jahre später ist der künstliche Wald erst noch entstanden.
Letztes Jahr gewann Maanasa Mendu die Young Scientist Challenge 2016 mit einer ähnlichen Wiederholung eines künstlichen, Energie produzierenden Baums. Aber auch sie erkannte die Grenzen der Piezoelektrik an und integrierte flexible Solarzellen in das Gerät.
"Ich denke nicht, dass es ein schlechtes Konzept ist, eine [gefälschte] Pflanze oder sogar eine echte Pflanze zu haben, die modifiziert wurde", sagt McCloskey. "Es ist nur dieses spezielle Schema der Piezoelektrizität - ich glaube nicht, dass es mit aktuellen Materialien funktionieren wird."
Das Team arbeitet jedoch auch an einem anderen Aspekt: der Synthese eines Materials, das ein Protein im menschlichen Ohr nachahmt, das für die Verstärkung des Klangs von entscheidender Bedeutung ist. Obwohl die Details, die sie zu dem Projekt geben könnten, aufgrund anstehender Erfindungsmeldungen begrenzt sind, kann McCloskey sagen, dass das Material einen 100.000-mal höheren piezoelektrischen Wirkungsgrad als das derzeitige System aufweist.
Durch den Ausschluss aktueller Methoden der Piezoelektrik ist das Team ein Schritt auf dem Weg, den besten Weg zur Bekämpfung der Bäume zu finden. Wie Edison angeblich sagte, als er darum kämpfte, eine Speicherbatterie zu entwickeln: „Ich habe nicht versagt. Ich habe gerade 10.000 Wege gefunden, die nicht funktionieren. “
McCloskey fügt hinzu: "Dies ist einer dieser 10.000."
