En 2007, Eric Henderson a regardé les feuilles en forme de cœur d'un rouget frôler dans le vent à l'extérieur de sa maison dans l'Iowa. Une rafale traversa les branches de l'arbre, provoquant une oscillation des feuilles dans le flux d'air turbulent.
«Et ça m'a fait réfléchir», dit-il.
Henderson, biologiste moléculaire à l’Iowa State University, a commencé à jouer avec l’idée de récolter ces rafales aléatoires. «Ce n'est pas le vent qui verra jamais une turbine car elle est basse et traverse de petits tourbillons et tourbillons», dit-il. Mais il y a encore de l'énergie là-bas.
Cela le mit sur une obsession pour les feuilles: étudier leurs formes, leur aérodynamisme, leurs oscillations à la moindre provocation. Il a recruté deux autres chercheurs de l'université, Curtis Mosher et Michael McCloskey, pour l'aider et, ensemble, le concept de la fausse forêt s'est épanoui. L'idée était qu'en créant des feuilles à partir de certains matériaux, ils pourraient récolter l'énergie des tiges pliées.
Tout reposait sur une méthode connue sous le nom de piézoélectrique, qui existe depuis plus d'un siècle. Découverts par Jacques et Pierre Curie en 1880, ils ont été utilisés dans divers gadgets, depuis les premiers phonographes (où les piézoélectriques transformaient les vibrations de l'aiguille en courant électrique) pour allumer des briquets.
Le concept repose sur la manipulation de matériaux présentant un réseau régulier de liaisons covalentes, une connexion chimique dans laquelle deux atomes partagent des électrons. «Dans un cristal, tous ces [liens] sont dans un état très ordonné», déclare Henderson. "Si vous le pressez, ou le poussez, ou le modifiez, il se déplace." Et si elle est manipulée correctement, ce va-et-vient d'électrons peut générer de l'électricité.
L’idée des chercheurs était simple: construire un générateur d’électricité en forme d’arbre avec des feuilles en plastique dont les tiges étaient en polyfluorure de vinylidène (PVDF), un type de plastique piézoélectrique. Plongez l'arbre à l'extérieur dans n'importe quelle région avec une brise et récoltez l'énergie alors que les fausses feuilles se balancent d'avant en arrière.
Mais, comme ils ont récemment publié dans la revue PLOS ONE, la situation est beaucoup plus compliquée. «Tout cela semble bien jusqu'à ce que vous essayiez de faire de la physique», dit Henderson.
Les feuilles de l'arbre biomimétique, modelées sur celles du peuplier, reposent sur des processus piézoélectriques pour produire de l'électricité. (Christopher Gannon) Le premier problème concerne les conditions nécessaires à la production effective d’électricité, explique McCloskey, qui est également l’auteur du journal. Bien que les feuilles battent au vent, supposées générer de l’électricité, le seul moyen d’obtenir de l’énergie utile consiste à courber les tiges à haute fréquence et à intervalles réguliers, une condition rare dans la nature.
Il s'avère également que la quantité d'énergie produite peut être liée à la rapidité avec laquelle les tiges sont pliées. Lorsqu'ils ont installé un ventilateur afin que ses pales puissent réellement frapper la feuille pendant son rotation, ils ont pu allumer une DEL. Mais encore une fois, ce n’est pas une situation courante dans la nature.
Il y a aussi quelque chose de connu sous le nom de capacité parasite, explique-t-il. Comme son nom l'indique, ce phénomène s'apparente à une sangsue qui aspire la force vitale d'une malheureuse créature. Bien que le vent puisse soi-disant générer beaucoup d'énergie lorsque les feuilles oscillent, divers effets parasites, tels que les feuilles qui se tortillent dans plusieurs directions, volent une gorgée de cette énergie, annulant ainsi les charges électriques. Et à la fin, il ne reste presque plus rien.
Pour couronner le tout, la collecte de ces restes d’énergie est loin d’être simple. En raison de la nature des matériaux, de l'énergie est perdue lors du transfert vers une batterie. Et bien qu'ils puissent charger une petite batterie, McCloskey dit que cela prendrait «un âge glaciaire».
Curtis Mosher (à gauche), Eric Henderson (au centre) et Mike McCloskey (à droite) ont assemblé un prototype d'arbre biomimétique produisant de l'électricité. La technologie pourrait faire appel à un marché de niche à l'avenir, selon les chercheurs. (Christopher Gannon) Tandis que l'équipe travaillait sans relâche pour compenser ces problèmes, elle a commencé à voir les autres chasser la même idée. Et bien que certaines tentatives soient meilleures que d'autres, selon Henderson et McCloskey, il semble que les gens prétendent être capables de faire avec cette technologie.
Il y a même des entreprises qui prétendent être capables de réellement exploiter cette énergie. L'un d'eux, SolarBotanic, espère associer une ambitieuse combinaison de technologies énergétiques à chaque feuille de leur faux arbre: énergie solaire (photovoltaïque), énergie thermique (thermoélectrique) et piézoélectrique. Le problème, explique McCloskey, est que, par rapport à l'énergie solaire, les piézoélectriques produisent une quantité d'énergie infime. La société a été fondée en 2008. Neuf ans plus tard, la fausse forêt doit encore se matérialiser.
L'année dernière, Maanasa Mendu a remporté le Défi Jeunes Scientifiques 2016 avec l'itération similaire d'un faux arbre produisant de l'énergie. Mais elle a également reconnu les limites de la piézoélectrique, en incorporant des cellules solaires flexibles dans le dispositif.
"Je ne pense pas que ce soit un mauvais concept d'avoir une [fausse] plante ou même une vraie plante modifiée", déclare McCloskey. "C'est juste ce schéma particulier de piézoélectricité - je ne pense pas que cela va fonctionner avec les matériaux actuels."
Cependant, l'équipe travaille également sur un autre angle: synthétiser un matériau imitant une protéine présente dans l'oreille humaine qui est cruciale pour amplifier le son. Même si les détails qu’ils pourraient fournir sur le projet sont limités en raison des informations en instance sur les inventions, McCloskey peut affirmer que le matériau a un rendement piézoélectrique 100 000 fois supérieur à celui du système actuel.
En excluant les méthodes piézoélectriques actuelles, l’équipe constitue un pas en avant dans la recherche du meilleur moyen de s’attaquer aux arbres. Comme Edison l’a dit soi-disant alors qu’il luttait pour développer une batterie de stockage: «Je n’ai pas échoué. Je viens de trouver 10 000 façons qui ne fonctionneront pas. "
McCloskey ajoute: "C'est l'un de ces 10 000".
