Es gibt Energie in schwankenden Bäumen

Stellen Sie sich einen Wald von Bäumen vor, die sich in der Brise wiegen. Nun stellen Sie sich vor, Sie könnten diese Energie einfangen und zum Guten nutzen - etwa, um den tödlichen Zusammenbruch einer Brücke zu verhindern.

Ryan Harne, Forscher an der Ohio State University, versucht das zu tun. Naja, so ungefähr. Er hat kleine Maschinen gebaut, die die strukturellen Eigenschaften von Bäumen nachahmen, wodurch Energie effizienter aufgenommen und in Elektrizität umgewandelt werden kann.

Wofür eignet sich ein winziger Baumgenerator? Stellen Sie sich folgendes vor: Auf der ganzen Welt sind Gebäude, Brücken und Flugzeuge mit Sensoren ausgestattet, um Vibrationen zu messen, die signalisieren, dass sich die Struktur verschlechtert und die Gefahr des Zusammenbruchs besteht.

"Diese haben sich nach einer Reihe großer struktureller Katastrophen wie Brücken zusammengebrochen", erzählt Harne Inverse.

Einzeln verbrauchen diese Sensoren nicht viel Energie, aber zusammengenommen ist der Energieverbrauch recht groß. Heute sind sie hauptsächlich auf Einwegbatterien angewiesen, die verschwenderisch sind und die Umwelt schädigen.

"Die Glühbirne war, hey, lassen Sie uns versuchen, die Sensoren mit den Vibrationen zu betreiben, die sie tatsächlich überwachen", sagt Harne. An dieser Frage haben Forscher seit etwa 25 Jahren gearbeitet.

Und da kommen Bäume ins Spiel. Bäume haben wirklich interessante strukturelle Eigenschaften, die die Reaktion auf windige Bedingungen regulieren.

Es stellt sich heraus, dass sie dieses seltsame Phänomen aufweisen, das als innere Resonanz bezeichnet wird: Kleine Äste an der Außenseite des Baumes schwingen schnell im Wind, und diese Energie wird in längeren Ästen in größeren Ästen und im Stamm übertragen. Auf diese Weise wird die Energie abgebaut und der Baum kann heftigeren Böen widerstehen.

"Es gibt nur ein paar wirklich gute Beweise von Botanikern, dass Bäume eine wirklich bemerkenswerte Verteilung ihrer Frequenzen verwenden, bei denen sie oszillieren, und dies hilft, die Energie zu Dämpfungszwecken zu konsolidieren", sagt Harne.

Er fragte sich, ob er das gleiche Prinzip für ein anderes Ende nutzen könnte - Energie einzufangen. Er baute eine einfache baumartige Struktur aus Stahl: einen sechs Zoll großen "Stamm" mit einem einzigen drei Zoll großen "Ast", der in einem Winkel von 90 Grad angebracht war. Die Struktur wurde mit einem Streifen aus elektromagnetischem Material ausgestattet, das zur Umwandlung der Schwingungsenergie in Elektrizität dient.

Dann befestigte er sein Bäumchen an einem Gerät, das es mit hoher Frequenz hin und her schüttelte. Anfangs schien es nicht viel zu tun, obwohl einige elektrische Aktivitäten registriert wurden.

Als er jedoch etwas „Rauschen“ in das System injizierte - eine Randomisierung des Vibrationsmusters, das einen Windstoß oder ein Erdbeben imitieren könnte - erreichte das System einen Kipppunkt und die höherfrequenten Schwingungen des Zweigs wurden auf eine längere Periode übertragen und größere Amplitudenschwingungen im Stamm des Baumes. Das Tolle daran ist, wie viel effizienter diese Schwingungen in Elektrizität umgewandelt werden - das System hat seine Ausgangsspannung mehr als verdoppelt, nachdem die interne Resonanz ausgelöst wurde.

Das Experiment beweist das Potenzial von Schwingungssensoren, die sich selbst antreiben. Harne sagt jedoch, dass es schwer ist, das Interesse der Industrie in einer Welt zu wecken, die von Einwegtechnologie geprägt ist.

„Wann sehe ich es online? Wir würden wahrscheinlich eine größere Nachfrage nach Selbstnachhaltigkeit verlangen. Ich bin nicht sicher, ob das in unserer Gesellschaft so gefragt ist “, sagt er.

Harne ist nicht der einzige, der versucht, das Kraftpotential von Vibrationen zu kommerzialisieren. Ein Unternehmen hat Windkraftgeneratoren vorgeschlagen, die oszillieren statt drehen, um Lärm zu reduzieren und die Tierwelt zu schädigen. Meereswellenstrom, der möglicherweise eine enorme Menge an Elektrizität erzeugen kann, arbeitet nach den gleichen Prinzipien.