Ingenieurs hebben een manier gevonden om windenergie op te vangen uit bomen

Het is kennelijk best makkelijk om elektriciteit op te vangen uit vibratie of andere vormen van mechanische stress. Je hebt alleen wat kristal of keramisch materiaal nodig en een aantal draden, et voilà: piëzo-elektriciteit. Het materiaal wordt onder druk gezet, waardoor de spanning oploopt. Dit kan daarna opgevangen worden om te gebruiken. Het klassieke voorbeeld is een elektrische aansteker, waarin een aangespannen hamer op een kristal slaat, waardoor een vonk ontstaat.

We zijn continu omgeven met dit soort energie. Het hele universum bestaat uit een en al uit verschillende krachten en druk. Het typen van mijn vingers op het toetsenbord zou theoretisch ook gebruikt kunnen worden om elektriciteit op te wekken. Dat idee is zelfs al gepatenteerd: een toetsenbord hoes die batterijen kan opladen. Maar dit kan ook op grotere schaal worden toegepast: bijvoorbeeld bij een bos waar de bomen onder druk staan van een sterke wind.

Ingenieurs van Ohio State's Laboratorium van Vibratie en Geluidsonderzoek hebben dit idee beschreven in een nieuw paper in het Journal of Sound an Vibration, waarbij de bomen centraal staan in een piëzo-elektrisch systeem. Zij willen de natuurlijke resonantie van kleine kunstmatige bomen benutten om genoeg voltage te genereren voor sensoren en monitoringsystemen.

De piëzo-elektrische kracht die vrijkomt door het buigen van een boom in de wind is niet helemaal hetzelfde als de elektriciteit die wordt opgewekt door een windmolen. Een nadeel van piëzo-elektriciteit is dat het een specifieke vibratiesterkte vraagt om het om te kunnen zetten in energie. Verschillende sterktes vragen om verschillend materiaal. Helaas voor ons werkt wind relatief willekeurig.

De groep ingenieurs van Ohio State werd geleid door professor Ryan Harne, mechanicus en ruimtevaartingenieur. Ze ontdekten dat het misschien toch mogelijk is om de verschillende vibratiefrequenties om te zetten naar bruikbare energie, door de natuurlijke resonantiefrequentie van boomachtige structuren op te vangen. Deze resonantiefrequentie kun je zien als een soort frequentiemuur die de vibratie-energie van hogere frequenties opvangt en opslaat. Dit lijkt een beetje op hoe kleine rimpels op een wateroppervlak uiteindelijk overgaan in grote rimpels.

In het paper wordt een loopbrug gebruikt als metafoor voor resonantiefrequentie. Stel je voor dat een groep voetgangers op de brug stampen met verschillende frequenties. Sommige stampen zijn dan gelijk aan de resonantiefrequentie van de brug, waardoor een grotere en lagere frequentie wordt versterkt. De stampfrequenties zouden gebundeld kunnen worden, waardoor een soort white noise ontstaat, maar in dit geval werkt het niet zo: een deel van de stamp-energie wordt opgevangen door de brug vanwege de resonantie.

Zo werkt dit ook ongeveer bij bomen. Een windvlaag kan een tak of wat bladeren woest heen en weer laten slaan, maar dat wordt opgevangen door het zwiepen van de gehele boom, wat op een veel grotere en sterkere laag-frequentie gebeurt.

Harne's wiskundige vondst – dat het inderdaad mogelijk is energie op te vangen uit de willekeurige wind – werd getest op een soort kunstmatige, L-vormige boom. De boom was gemaakt van stalen buizen gewikkeld in polyvinylidene fluoride (PVDF), een piëzo-elektrisch materiaal. Ze slaagden erin ongeveer 2 V op te wekken.

De resultaten bewijzen voornamelijk dat het concept werkt en dat het inderdaad mogelijk is om windvibraties te gebruiken voor energie. Verwacht geen miniscule metalen bossen als energiecentrale in de toekomst, maar het blijft een cool idee.