Человек давно научился извлекать энергию из многих природных источников, таких как ветер, солнечный свет и приливные волны. Однако до сих пор не удавалось эффективно использовать самую мощную "невидимую" силу на планете — испарение. Новое исследование учёных из Колумбийского университета впервые показывает, что и этот неисчерпаемый запас может быть использован, по крайней мере, для питания различных устройств с низким энергопотреблением.
Озгур Шахин (Ozgur Sahin) и его коллеги изучали бактериальные споры, которые набухают, когда набирают влагу из воздуха, и уменьшаются, чтобы выпустить излишки обратно. Эти "колебания" можно использовать для того, чтобы толкать и тянуть небольшие предметы.
Учёные Колумбийского университета начали экспериментировать с различными механизмами, которые способны преобразовывать эти небольшие движения в энергию.
Они использовали живые, но спящие споры сенной палочки Bacillus subtilis. В такой форме эти бактерии, живущие в почве и желудочно-кишечном тракте человека, переживают неблагоприятные условия. При перемещении из влажной атмосферы в сухую и обратно каждая спора изменяется в размере на 6%.
Исследователи приклеили слой спор в виде пунктирных линий на тонкие фрагменты полимерной ленты. При этом "штрихи" наносили таким образом, чтобы они не совпадали на разных сторонах материала. В сухом воздухе споры сокращались, вследствие чего лента изгибалась. Во влажной атмосфере увеличение спор вызывало обратный эффект, и лента выпрямлялась.
Затем учёные объединили десятки фрагментов полимерной ленты в одну мощную искусственную мышцу и поместили её в плавающий пластиковый корпус со шторкой в верхней части. При закрытой шторке испарение воды вызывает повышение влажности воздуха внутри корпуса. При этом споры увеличиваются, "мышца" выпрямляется и открывает задвижку.
В результате влага выходит наружу, воздух внутри корпуса становится сухим, ленты, изгибаясь, закрывают шторку. Процесс повторяется вновь, когда влажность внутри снова повышается.
Эти движения происходят достаточно быстро, чтобы небольшой генератор вырабатывал электричество для питания мигающей лампочки. Уже сегодня модель может быть масштабирована для питания морских буёв или датчиков контроля окружающей среды, пишут изобретатели.
Эксперименты показали, что споры могут совершать свыше миллиона циклов сжатия и расширения, что позволит обеспечить длительную автономную работу таких приборов.
Исследователи не стали останавливаться на достигнутом и собрали на основе спор и другие устройства. Например, они изготовили мельницу с лопастями из изогнутых полосок полимера, на одну сторону которых были нанесены споры. Одна половина колеса располагается во влажной среде, а другая в сухой. В результате постоянное изменение формы полосок заставляет мельницу вращаться, приводя в движение небольшой роторный двигатель.
Для демонстрации возможностей механизма Шахин и его коллеги продемонстрировали небольшую игрушечную машинку, которая двигается исключительно за счёт вращения мельницы со спорами.
Конечно возможности двигателей, которые работают на основе испарения влаги, пока не велики. Но специалисты считают, что результаты работы, опубликованной в издании Nature Communications, могут стать отправной точкой для развития абсолютно новой технологии в энергетике.
