Η ενέργεια που αξιοποιείται από την υγρασία μπορεί να τροφοδοτήσει μικρές συσκευές
Οι ερευνητές έχουν κατασκευάσει συσκευές που αξιοποιούν τις αλλαγές στην ατμοσφαιρική υγρασία για να παράγουν μικρές ποσότητες ηλεκτρισμού, να σηκώνουν μικροσκοπικά βάρη και ακόμη και να τροφοδοτούν ένα αυτοκίνητο-παιχνίδι. Στο μεγάλο σχέδιο των πραγμάτων, αυτή η δεσμευμένη ενέργεια δεν είναι δωρεάν, αλλά είναι πολύ κοντά. Η μελέτη προτείνει ότι η εξάτμιση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη λειτουργία μιας ποικιλίας gadget που δεν απαιτούν πολλή ισχύ, λένε οι επιστήμονες.
«Αυτό είναι ένα από τα πρώτα πειράματα που δείχνουν ότι η υγρασία μπορεί να είναι πηγή καυσίμου», λέει ο Albert Schenning, επιστήμονας υλικών στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Αϊντχόβεν στην Ολλανδία, ο οποίος δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη. Τα σχέδια της ομάδας, λέει, «είναι πολύ ωραία και πολύ έξυπνα».
Όλα τα gadget βασίζονται σε ένα απλό φαινόμενο - την αλλαγή στο μέγεθος των βακτηριακών σπορίων καθώς απορροφούν την υγρασία από τον αέρα και στη συνέχεια την απελευθερώνουν, λέει ο επικεφαλής της ομάδας Ozgur Sahin, βιοφυσικός στο Πανεπιστήμιο Columbia. Ο Σαχίν και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν τα ζωντανά αλλά αδρανοποιημένα σπόρια από τον Bacillus subtilis , ένα είδος βακτηρίων που απαντάται συνήθως στο έδαφος και στον ανθρώπινο γαστρεντερικό σωλήνα. Κάθε σπόριο τυπικά διογκώνεται και στη συνέχεια συρρικνώνεται έως και 6% όταν μετακινείται από τον ξηρό αέρα στον εξαιρετικά υγρό αέρα και στη συνέχεια ξανά, λέει ο Sahin. Οι ερευνητές αξιοποίησαν αυτή τη δράση αλλαγής μεγέθους κολλώντας λεπτές στρώσεις σπορίων στη μία πλευρά κυρτών φύλλων πολυμερούς. Όταν τα σπόρια διογκώθηκαν, αυτή η πλευρά του φύλλου πολυμερούς επιμήκυνε - κάτι που με τη σειρά του έκανε το καμπύλο φύλλο να ισιώσει κάπως. Το τέντωμα και η συστολή αυτών των πολυμερών φύλλων με επίστρωση σπορίων είναι η κινητήρια δύναμη για τις συσκευές της ομάδας.
Μια αλλαγή μεγέθους 6% μπορεί να μην ακούγεται και τόσο εντυπωσιακή. Αλλά όταν οι ερευνητές συνέδεσαν μια σειρά από αυτά τα φύλλα πολυμερούς, οι "τεχνητοί μύες" που δημιούργησαν τετραπλασιάστηκαν σε μήκος όταν η σχετική υγρασία άλλαξε από κάτω από 30% σε περισσότερο από 80%, η ομάδα αναφέρει σήμερα στο Nature Communications .
Όσο πιο παχύ είναι το στρώμα των σπορίων, τόσο περισσότερος χρόνος θα χρειαζόταν για να αντιδράσουν οι μύες στις αλλαγές της υγρασίας. Έτσι, για να βεβαιωθούν ότι οι τεχνητοί μύες τους είχαν γρήγορη δράση, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν στρώματα σπορίων που ήταν εξαιρετικά λεπτά - όχι περισσότερο από 3 μικρόμετρα σε πάχος ή περίπου 5 σπόρια σε βάθος κατά μέσο όρο, λέει ο Sahin. Οι δοκιμές έδειξαν ότι οι συσκευές μπορούσαν να αντιδράσουν στις αλλαγές υγρασίας μέσα σε 3 δευτερόλεπτα, σημειώνει.
Οι δοκιμές αποκάλυψαν επίσης ότι οι επικαλυμμένες με σπόρους λωρίδες πολυμερούς θα μπορούσαν να διαστέλλονται και να συρρικνώνονται για περισσότερους από 1 εκατομμύριο κύκλους με μικρή αλλαγή στο εύρος κίνησής τους. Άλλες δοκιμές έδειξαν ότι οι λωρίδες, όταν συρρικνώθηκαν, μπορούσαν να σηκώσουν περισσότερο από 50 φορές το βάρος τους (βίντεο). Αλλά το έκαναν πολύ πιο αργά από ό,τι ο μυς ενός ζώου, οπότε η ισχύς που παρήγαγαν —δηλαδή ο ρυθμός παραγωγής ενέργειας— ήταν αντίστοιχα χαμηλή.
Ωστόσο, η ομάδα αξιοποίησε αλλαγές στην υγρασία για να εκτελέσει την πραγματική εργασία. Σε μια συσκευή, η κίνηση μπρος-πίσω που οδηγείται από έναν τεχνητό μυ που αιωρείται πάνω από ένα έμπλαστρο νερού μεγέθους γραμματοσήμου παρείχε αρκετή ηλεκτρική ισχύ για να ανάψει ένα LED. Σε μια άλλη, η διαστολή των μυών στη μία πλευρά μιας συσκευής που μοιάζει με ρόδα λούνα παρκ (όπου ο αέρας υγρανόταν από την εξάτμιση από μια βρεγμένη χαρτοπετσέτα) αλλά όχι στην άλλη προκάλεσε μια ανισορροπία που προκάλεσε την περιστροφή του τροχού (βίντεο). Η ομάδα χρησιμοποίησε την κίνηση ενός παρόμοιου τροχού για να τροφοδοτήσει ένα αυτοκίνητο-παιχνίδι 100 γραμμαρίων (βίντεο).
"Αυτές είναι διασκεδαστικές επιδείξεις, αλλά αποδεικνύουν την αρχή", λέει ο Peter Fratzl, επιστήμονας υλικών στο Max Planck Institute of Colloids and Interfaces στο Πότσνταμ της Γερμανίας, ο οποίος δεν ασχολήθηκε με την εργασία. Οι ερευνητές αναζητούν συνεχώς πηγές ενέργειας, ακόμα κι αν είναι μικρές, σημειώνει. "Είναι λογικό να χρησιμοποιείτε αυτές τις κλίσεις [στην υγρασία], επειδή υπάρχουν παντού και είναι ελεύθερες."
Τα αποτελέσματα της ομάδας είναι μια καλή εννοιολογική αφετηρία, λέει ο George Whitesides, χημικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Τέτοιες συσκευές θα μπορούσαν, θεωρητικά, να παράγουν αρκετή ηλεκτρική ενέργεια για να λειτουργήσουν μερικά τρανζίστορ, προσθέτει. "Αλλά θα περάσει καιρός ακόμα μέχρι να βρεθούν αυτά τα πράγματα στην μπανιέρα κάθε παιδιού."
