Pada tahun 2007, Eric Henderson menyaksikan dedaunan redbud berbentuk hati ditiup angin di luar rumahnya di Iowa. Embusan angin datang, mencambuk cabang-cabang pohon, menyebabkan daun berosilasi dalam aliran udara yang bergejolak.
“Dan itu membuat saya berpikir, ” katanya.
Henderson, seorang ahli biologi molekuler di Iowa State University, mulai bermain-main dengan gagasan memanen hembusan acak ini. "Bukan angin yang akan pernah melihat turbin karena rendah ke tanah dan melalui pusaran dan putaran kecil, " katanya. Tetapi masih ada energi di sana.
Ini mengawasinya dengan obsesi pada dedaunan — mempelajari bentuk, aerodinamika, osilasi dengan sedikit provokasi. Dia merekrut dua peneliti lain dari universitas, Curtis Mosher dan Michael McCloskey, untuk membantunya, dan bersama-sama, konsep hutan palsu berkembang. Idenya adalah bahwa dengan membuat daun dari bahan tertentu, mereka dapat memanen energi dari batang daun yang tertekuk.
Semuanya bergantung pada metode yang dikenal sebagai piezoelektrik, yang telah ada selama lebih dari satu abad. Ditemukan oleh Jacques dan Pierre Curie pada tahun 1880, mereka telah digunakan dalam berbagai gadget — dari fonograf awal (di mana piezoelektrik mengubah getaran dari jarum menjadi arus listrik) menjadi pemantik api.
Konsep ini didasarkan pada manipulasi bahan yang memiliki susunan ikatan kovalen yang teratur, hubungan kimiawi di mana dua atom berbagi elektron. "Dalam kristal, semua [ikatan] itu dalam keadaan sangat teratur, " kata Henderson. "Jika Anda menekan, atau mendorong, atau mengubah, itu bergeser." Dan jika dimanipulasi dengan benar, ini bolak-balik elektron dapat menghasilkan listrik.
Dasar-dasar gagasan para peneliti itu sederhana: membangun generator listrik berbentuk pohon dengan daun plastik yang memiliki tangkai yang terbuat dari polivinilidena fluorida (PVDF), sejenis plastik piezoelektrik. Tumbuhkan pohon di luar di daerah mana pun dengan angin sepoi-sepoi dan panen energi saat daun palsu bergoyang ke sana kemari.
Tetapi, seperti yang baru-baru ini diterbitkan di Journal PLOS ONE, situasinya jauh lebih rumit. "Semuanya terdengar hebat sampai Anda mencoba melakukan fisika, " kata Henderson.
Daun pohon biomimetik, dimodelkan setelah daun kayu kapas, bergantung pada proses piezoelektrik untuk menghasilkan listrik. (Christopher Gannon) Masalah pertama adalah kondisi yang diperlukan untuk benar-benar menghasilkan listrik, jelas McCloskey, yang juga seorang penulis di atas kertas. Meskipun dedaunan mengepakkan angin, yang diduga menghasilkan listrik, satu-satunya cara untuk mendapatkan energi yang bermanfaat adalah dari frekuensi tinggi, dengan jarak lipatan tangkai yang teratur — suatu kondisi yang jarang ditemukan di alam.
Ternyata jumlah energi yang dihasilkan mungkin terkait dengan seberapa cepat tangkai ditekuk. Ketika mereka memasang kipas sehingga bilahnya benar-benar bisa mengenai daun saat berputar, mereka bisa menyalakan LED. Tetapi sekali lagi, ini bukan situasi yang umum di alam.
Ada juga sesuatu yang dikenal sebagai kapasitansi parasit, ia menjelaskan. Seperti namanya, fenomena ini mirip dengan lintah yang menyedot seluruh makhluk hidup dari makhluk malang. Meskipun angin diduga dapat menghasilkan banyak energi saat daun berosilasi, berbagai efek parasit — seperti daun yang bergoyang ke berbagai arah — mencuri energi itu, secara efektif membatalkan muatan listrik. Dan pada akhirnya, hampir tidak ada yang tersisa.
Sebagai tambahan, mengumpulkan sisa-sisa energi itu jauh dari mudah. Karena sifat bahan, energi hilang selama transfer ke baterai. Dan meskipun mereka dapat mengisi baterai kecil, McCloskey mengatakan itu akan membutuhkan "zaman es."
Curtis Mosher (kiri), Eric Henderson (tengah) dan Mike McCloskey (kanan) telah membuat prototipe pohon biomimetik yang menghasilkan listrik. Teknologi ini dapat menarik bagi ceruk pasar di masa depan, menurut para peneliti. (Christopher Gannon) Ketika tim tanpa lelah bekerja untuk mengkompensasi masalah ini, mereka mulai melihat orang lain mengejar ide yang sama. Dan meskipun beberapa upaya lebih baik daripada yang lain, tampaknya ada banyak udara panas dalam hal apa yang orang klaim dapat lakukan dengan teknologi ini, menurut Henderson dan McCloskey.
Bahkan ada perusahaan yang mengklaim dapat benar-benar memanfaatkan energi ini. Satu, bernama SolarBotanic, berharap untuk menikahi kombinasi ambisius dari teknologi energi pada setiap daun pohon palsu mereka: tenaga surya (photovoltaics), tenaga panas (termoelektrik), dan piezoelektrik. Masalahnya, jelas McCloskey, adalah bahwa dibandingkan dengan energi matahari, piezoelektrik menghasilkan jumlah energi yang sangat kecil. Perusahaan ini didirikan pada tahun 2008. Sembilan tahun kemudian, hutan palsu belum terwujud.
Tahun lalu, Maanasa Mendu memenangkan Young Scientist Challenge 2016 dengan iterasi serupa dari pohon palsu yang memproduksi energi. Tapi dia juga mengakui keterbatasan piezoelektrik, memasukkan sel surya fleksibel ke dalam perangkat.
"Saya tidak berpikir itu konsep yang buruk untuk memiliki pabrik [palsu] atau bahkan pabrik nyata yang dimodifikasi, " kata McCloskey. "Hanya skema piezoelektrik khusus ini - saya tidak berpikir itu akan bekerja dengan bahan saat ini."
Namun, tim ini juga bekerja pada sudut lain: mensintesis bahan yang meniru protein yang ditemukan di telinga manusia yang sangat penting untuk memperkuat suara. Meskipun rincian yang dapat mereka berikan tentang proyek ini terbatas karena pengungkapan penemuan yang tertunda, McCloskey dapat mengatakan materi tersebut memiliki efisiensi piezoelektrik 100.000 kali lebih besar daripada sistem mereka saat ini.
Dengan mengesampingkan metode piezoelektrik saat ini, tim adalah satu langkah di sepanjang jalan untuk mencari cara terbaik untuk mengatasi pepohonan. Seperti yang dikatakan Edison sambil berusaha mengembangkan baterai penyimpanan: “Saya tidak gagal. Saya baru saja menemukan 10.000 cara yang tidak akan berhasil. "
McCloskey menambahkan: "Ini adalah salah satu dari 10.000 itu."
