Nel 2007, Eric Henderson ha guardato le foglie a forma di cuore di un fruscio rosso nel vento fuori dalla sua casa in Iowa. Una raffica arrivò, sferzando i rami dell'albero, facendo oscillare le foglie nel turbolento flusso d'aria.
"E questo mi ha fatto pensare", dice.
Henderson, un biologo molecolare della Iowa State University, iniziò a giocare con l'idea di raccogliere queste raffiche casuali. "Non è il vento che vedrà mai una turbina perché è bassa al suolo e attraversa piccoli vortici e turbinii", dice. Ma c'è ancora energia lì.
Questo lo ha iniziato con l'ossessione per le foglie - studiando le loro forme, l'aerodinamica, le oscillazioni alla minima provocazione. Ha reclutato altri due ricercatori dell'università, Curtis Mosher e Michael McCloskey, per aiutarlo, e insieme è sbocciato il concetto di finta foresta. L'idea era che, creando foglie di determinati materiali, potevano raccogliere l'energia dai gambi delle foglie.
Tutto dipendeva da un metodo noto come piezoelettrico, che esiste da oltre un secolo. Scoperti da Jacques e Pierre Curie nel 1880, sono stati utilizzati in una varietà di gadget, dai primi fonografi (in cui i piezoelettrici trasformavano le vibrazioni dell'ago in corrente elettrica) agli accendini.
Il concetto si basa sulla manipolazione di materiali che hanno una serie regolare di legami covalenti, una connessione chimica in cui due atomi condividono gli elettroni. "In un cristallo, tutti quei [legami] sono in uno stato molto ordinato", afferma Henderson. "Se lo stringi, o lo spingi, o lo modifichi, cambia." E se manipolato correttamente, questo spostamento avanti e indietro degli elettroni può generare elettricità.
Le basi dell'idea dei ricercatori erano semplici: costruire un generatore di elettricità a forma di albero con foglie di plastica che hanno steli fatti di fluoruro di polivinilidene (PVDF), un tipo di plastica piezoelettrica. Blocca l'albero all'esterno in qualsiasi regione con una brezza e raccogli l'energia mentre le foglie finte ondeggiano avanti e indietro.
Ma, come hanno recentemente pubblicato sul Journal PLOS ONE, la situazione è molto più complicata. "Tutto suona alla grande finché non provi a fare la fisica", afferma Henderson.
Le foglie dell'albero biomimetico, modellate sulle foglie del pioppo, si basano su processi piezoelettrici per produrre elettricità. (Christopher Gannon) Il primo problema sono le condizioni necessarie per generare effettivamente elettricità, spiega McCloskey, che è anche un autore del documento. Anche se le foglie si agitano nel vento, presumibilmente generando elettricità, l'unico modo per ottenere energia utile è l'alta frequenza, la flessione regolare degli steli - una condizione che raramente si trova in natura.
Si scopre anche che la quantità di energia prodotta può essere correlata alla velocità con cui vengono piegati gli steli. Quando hanno installato un ventilatore in modo che le sue pale potessero effettivamente colpire la foglia mentre gira, sono stati in grado di accendere un LED. Ma ancora una volta, questa non è una situazione comune in natura.
C'è anche qualcosa noto come capacità parassitaria, spiega. Come il suo omonimo, questo fenomeno è simile a una sanguisuga che succhia la forza vitale da una creatura sfortunata. Sebbene il vento possa presumibilmente generare molta energia mentre le foglie oscillano, vari effetti parassiti - come la foglia che si muove in più direzioni - rubano sorsi di quell'energia, annullando efficacemente le cariche elettriche. E alla fine, quasi nulla rimane.
Per finire, raccogliere quei resti di energia è tutt'altro che un gioco da ragazzi. A causa della natura dei materiali, l'energia viene persa durante il trasferimento a una batteria. E sebbene possano caricare una piccola batteria, McCloskey afferma che ci vorrebbe "un'età glaciale".
Curtis Mosher (a sinistra), Eric Henderson (al centro) e Mike McCloskey (a destra) hanno assemblato un prototipo di albero biomimetico che produce elettricità. La tecnologia potrebbe fare appello a un mercato di nicchia in futuro, secondo i ricercatori. (Christopher Gannon) Mentre il team ha lavorato instancabilmente per compensare questi problemi, hanno iniziato a vedere altri inseguire la stessa idea. E sebbene alcuni tentativi siano migliori di altri, sembra che ci sia molta aria calda in termini di ciò che la gente afferma di essere in grado di fare con questa tecnologia, secondo Henderson e McCloskey.
Ci sono persino aziende che affermano di essere in grado di sfruttare effettivamente questa energia. Uno, chiamato SolarBotanic, spera di sposare un'ambiziosa combinazione di tecnologie energetiche su ogni foglia del loro albero falso: energia solare (fotovoltaico), energia termica (termoelettrica) e piezoelettrica. Il problema, spiega McCloskey, è che rispetto all'energia solare, i piezoelettrici producono una quantità minuscola di energia. La società è stata fondata nel 2008. Nove anni dopo, la finta foresta non si è ancora materializzata.
L'anno scorso, Maanasa Mendu ha vinto la Young Scientist Challenge 2016 con una simile ripetizione di un albero falso che produce energia. Ma anche lei ha riconosciuto i limiti dei piezoelettrici, incorporando celle solari flessibili nel dispositivo.
"Non credo sia un brutto concetto avere una pianta [falsa] o addirittura una vera pianta che viene modificata", afferma McCloskey. "È solo questo particolare schema di piezoelettricità: non credo che funzionerà con i materiali attuali."
Il team, tuttavia, sta anche lavorando su un'altra prospettiva: sintetizzare un materiale che imita una proteina trovata nell'orecchio umano che è cruciale per amplificare il suono. Sebbene i dettagli che potrebbero fornire sul progetto siano limitati a causa di divulgazioni di invenzioni in sospeso, McCloskey può dire che il materiale ha un'efficienza piezoelettrica 100.000 volte maggiore del loro sistema attuale.
Escludendo gli attuali metodi piezoelettrici, il team è un passo lungo il percorso per capire il modo migliore per affrontare gli alberi. Come presumibilmente ha detto Edison mentre faticava a sviluppare una batteria di accumulo: “Non ho fallito. Ho appena trovato 10.000 modi che non funzioneranno. "
McCloskey aggiunge: "Questa è una di quelle 10.000".
