(Phys.org) — Een nieuw type elektrische generator gebruikt bacteriesporen om de onaangeboorde kracht van verdampend water te benutten, volgens onderzoek uitgevoerd aan het Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University. De ontwikkelaars voorzien elektrische generatoren die worden aangedreven door veranderingen in de vochtigheid van door de zon verwarmde vijvers en havens.

De prototypegeneratoren werken door gebruik te maken van de beweging van een stuk rubber dat aan één kant met sporen is bedekt. Het blad buigt als het uitdroogt, zoals een dennenappel opengaat als hij droogt of een vers gevallen blad krult, en wordt dan recht wanneer de luchtvochtigheid stijgt. Dergelijk heen en weer buigen betekent dat met sporen gecoate platen of kleine planken kunnen fungeren als actuatoren die beweging aandrijven, en die beweging kan worden geoogst om elektriciteit op te wekken.

"Als deze technologie volledig is ontwikkeld, het heeft een veelbelovend eindspel, " zei Ozgur Sahin, die de studie leidde, eerst aan het Rowland Institute van Harvard, later aan het Wyss Instituut, en meest recentelijk aan de Columbia University, waar hij nu universitair hoofddocent biologische wetenschappen en natuurkunde is. Sahin werkte samen met Wyss Institute kernfaculteitslid L. Mahadevan, die ook de Lola England de Valpine-professor in toegepaste wiskunde is, organisme en evolutionaire biologie, en natuurkunde aan de School of Engineering and Applied Sciences aan de Harvard University, en Adam Driks, een professor in microbiologie en immunologie aan de Loyola University Chicago Stritch School of Medicine. De onderzoekers rapporteerden gisteren over hun werk in Natuur Nanotechnologie .

Waterverdamping is de grootste energiebron in de natuur, zei Sahin. "Zonlicht valt op de oceaan, verwarmt het, en energie moet de oceaan verlaten door verdamping, " legde hij uit. "Als je denkt aan al het ijs op de top van de Mount Everest - wie heeft deze enorme hoeveelheid materiaal daarheen gebracht? Er zit energie in verdamping, maar het is zo subtiel dat we het niet zien."

Maar tot nu toe heeft niemand die energie aangeboord om elektriciteit op te wekken.

Terwijl Sahin het idee nastreefde van een nieuwe door vochtigheid aangedreven generator, hij realiseerde zich dat Mahadevan soortgelijke problemen vanuit een fysiek perspectief had onderzocht. specifiek, hij had gekarakteriseerd hoe vocht materialen vervormt, inclusief biologische materialen zoals dennenappels, bladeren en bloemen, evenals door de mens gemaakte materialen zoals een vel tissuepapier dat in een schaal met water ligt.

Sahin werkte samen met Mahadevan en Driks aan een van die onderzoeken. Een bodembacterie genaamd Bacillus subtilis rimpels als het uitdroogt als een druif die een rozijn wordt, het vormen van een taaie, slapende sporen. De resultaten, die ze in 2012 meldden in de Tijdschrift van de Royal Society Interface , uitgelegd waarom.

In tegenstelling tot rozijnen, die zich niet kunnen hervormen tot druiven, sporen kunnen water opnemen en herstellen zich vrijwel onmiddellijk in hun oorspronkelijke vorm. Sahin realiseerde zich dat, aangezien ze omkeerbaar krimpen, ze moesten energie opslaan. In feite, sporen zouden bijzonder goed zijn in het opslaan van energie omdat ze stijf zijn, maar nog steeds veel uitbreiden en inkrimpen, voorspelden de onderzoekers.

"Sinds veranderende vochtigheidsniveaus vervormen deze sporen, daaruit volgde dat apparaten die deze materialen bevatten, moeten kunnen bewegen als reactie op veranderende vochtigheidsniveaus, "Zei Mahadevan. "Nu heeft Ozgur heel mooi laten zien hoe dit praktisch kan worden gebruikt."

Toen Sahin voor het eerst de energie van sporen ging meten, hij was verrast.

Hij zette een oplossing dik met sporen op een kleine, flexibele siliciumplank, verwacht de door vochtigheid aangedreven kracht te meten in een aangepaste atoomkrachtmicroscoop. Maar voordat hij de plank kon plaatsen, hij zag het met zijn blote oog buigen en rechttrekken. Zijn in- en uitademen had de vochtigheid subtiel veranderd, en de sporen hadden gereageerd.

"Toen realiseerde ik me dat dit extreem krachtig was, ' zei Sahin.

In feite, eenvoudigweg de luchtvochtigheid verhogen van die van een droge, zonnige dag tot een vochtige, misty one maakte de flexibele, met sporen gecoate plank om 1000 keer zoveel kracht te genereren als menselijke spieren, en minstens 10 keer zoveel als andere materialen die ingenieurs momenteel gebruiken om actuatoren te bouwen, Sahin ontdekt. In feite, het bevochtigen van een pond droge sporen zou genoeg kracht genereren om een ​​auto een meter van de grond te tillen.

Om zo'n actuator te bouwen, Sahin testte hoe goed met sporen gecoate materialen zoals silicium, rubber, plastic, en plakband opgeslagen energie, genoegen nemen met rubber als het meest veelbelovende materiaal.

Daarna bouwde hij een eenvoudige door vochtigheid aangedreven generator uit LegosTM, een miniatuurfan, een magneet en een met sporen gecoate cantilever. Als de cantilever heen en weer klapt als reactie op vocht, het drijft een roterende magneet aan die elektriciteit produceert.

Sahin's prototype vangt slechts een klein percentage van de energie op die vrijkomt bij verdamping, maar het zou kunnen worden verbeterd door de sporen genetisch te manipuleren om stijver en elastischer te zijn. Inderdaad, bij vroege experimenten, sporen van een mutante stam geleverd door Driks sloegen twee keer zoveel energie op als normale stammen.

"Zonne- en windenergie fluctueren dramatisch als de zon niet schijnt of de wind niet waait, en we hebben geen goede manier om er genoeg van op te slaan om het net lang te voeden, " zei Don Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat "Als veranderingen in de luchtvochtigheid kunnen worden benut om dag en nacht elektriciteit op te wekken met behulp van een opgeschaalde versie van deze nieuwe generator, het zou de wereld kunnen voorzien van een broodnodige nieuwe bron van hernieuwbare energie."

Voor meer informatie over het potentieel van deze sporenbevattende actuator en generator, zie deze korte animatie: