Energia w kołyszących się drzewach

Wyobraź sobie las drzew, kołyszących się na wietrze. Teraz wyobraź sobie, że możesz uchwycić tę energię i wykorzystać ją na dobre - powiedz, aby zapobiec śmiertelnemu upadkowi mostu.

Właśnie to próbuje zrobić Ryan Harne, naukowiec z Ohio State University. Cóż, w pewnym sensie. Zbudował małe maszyny, które naśladują strukturalne właściwości drzew, co pozwala na efektywniejsze wychwytywanie energii i przekształcanie jej w elektryczność.

Do czego służy mały generator drzewa? Wyobraź sobie: na całym świecie budynki, mosty i samoloty są wyposażone w czujniki do pomiaru drgań, które sygnalizują, że struktura pogarsza się i grozi jej zawalenie.

„Te mnożą się po wielu dużych katastrofach strukturalnych, takich jak zawalanie się mostów” - mówi Harne Odwrotność.

Indywidualnie, te czujniki nie zużywają dużo energii, ale razem, ich zużycie energii jest dość duże. Dziś opierają się głównie na jednorazowych bateriach, które są marnotrawne i szkodliwe dla środowiska.

„Żarówka była, hej, spróbujmy zasilić czujniki za pomocą wibracji, które faktycznie monitorują”, mówi Harne. To pytanie, nad którym naukowcy pracują od około 25 lat.

I tu właśnie wchodzą drzewa. Drzewa mają naprawdę interesujące właściwości strukturalne, które regulują sposób reagowania na wietrzne warunki.

Okazuje się, że wykazują one to dziwne zjawisko zwane rezonansem wewnętrznym: mniejsze gałęzie na zewnątrz drzewa szybko oscylują na wietrze, a energia ta jest przenoszona na dłuższe oscylacje w większych gałęziach i tułowiu. W ten sposób energia jest rozproszona, a drzewo może wytrzymać bardziej gwałtowne podmuchy.

„Istnieje tylko kilka naprawdę dobrych dowodów od botaników, że drzewa wykorzystują naprawdę niezwykłą dystrybucję swoich częstotliwości, które oscylują, a to pomaga skonsolidować energię do celów tłumienia”, mówi Harne.

Zastanawiał się, czy uda mu się wykorzystać tę samą zasadę do innego celu - uchwycenia energii. Zbudował prostą drzewiastą konstrukcję ze stali: sześciocalowy „kufer” z pojedynczą trzy calową „gałęzią” przymocowaną pod kątem 90 stopni. Konstrukcja została wyposażona w pasek materiału elektromagnetycznego, który służy do przekształcania energii wibracyjnej w elektryczność.

Następnie przyczepił swoje małe drzewo do urządzenia, które potrząsało nim w tę iz powrotem z wysoką częstotliwością. Początkowo nie wydawało się to zbyt wiele, chociaż zarejestrowano pewną aktywność elektryczną.

Ale kiedy wstrzyknął trochę „szumu” do systemu - randomizacji wzorca drgań, który może naśladować podmuch wiatru lub trzęsienie ziemi - system osiągnął punkt krytyczny, a wyższe częstotliwości drgań gałęzi zostały przeniesione na dłuższy okres oraz większe oscylacje amplitudy w pniu drzewa. To, o ile bardziej efektywne są te wibracje przekształcane na elektryczność - system podwoił napięcie wyjściowe po uruchomieniu rezonansu wewnętrznego.

Eksperyment dowodzi potencjału czujników wibracyjnych, które same się zasilają. Ale Harne mówi, że trudno jest wzbudzić zainteresowanie przemysłu w świecie tak przywiązanym do technologii jednorazowego użytku.

„Kiedy zobaczę, że jest online? Prawdopodobnie wymagalibyśmy większego zapotrzebowania na samowystarczalność. Nie jestem pewien, czy jest to tak bogato pożądane w naszym społeczeństwie - mówi.

Harne nie jest jedynym, który próbuje skomercjalizować potencjał wibracji. Jedna firma zaproponowała generatory energii wiatrowej, które oscylują zamiast wirować, jako sposób na zmniejszenie hałasu i szkody dla dzikiej przyrody. Moc fal oceanicznych, która może potencjalnie generować ogromną ilość energii elektrycznej, działa na tych samych zasadach.