Verdamping als energiebron (foto: Chen et al.)
Vallend water, waterkracht, wordt op grote schaal gebruikt als energiebron, maar opstijgend water (verdamping) niet of nauwelijks. Onderzoekers van de Amerikaanse Columbia-universiteit hebben verschillende apparaatjes gebouwd, waaronder een speelgoedauto, die lopen op verdamping. Daarin spelen de, vochtgevoelige, sporen van een bacterie een hoofdrol. ‘Kunstspieren’, werkend op ‘verdampingsenergie’, kunnen een lichtdiode laten branden. De onderzoekers zijn vol goede moed, maar of verdampingsenergie een echt grote wordt valt nog te bezien.
In de natuur werkt dat al lang. Veel planten gebruiken de effecten van verdamping om, bij voorbeeld, vliesjes rond sporen te openen. Ook in de microwereld worden wateraantrekkende materialen gebruikt om mechanischef energie op te wekken. “Het probleem is”, zegt onderzoeker Xi Chen, “dat op te schalen naar de macrowereld. Omdat de luchtvochtigheid in de macrowereld maar langzaam verandert, begrenst die omstandigheid de snelheid en de kracht om zaken met verdamping in beweging te zetten.” Daar hebben Chen en zijn medeonderzoekers een mouw aan weten te passen.
Voor hun experimenten gebruikten de onderzoekers sporen van de bacterie Bacillus subtilis, die van nature sterk op luchtvochtveranderingen reageren: in een vochtige omgeving zetten ze uit en worden platter, in een droge omgeving krimpen ze in en worden dikker. Die sporen werden op een dunne kunststoffolie aangebracht. De bewegingen van de sporen worden overgedragen op de folie en zo is koppeling tussen de verdamping(senergie) en de macrowereld gemaakt.
Verschillende van die 10 cm lange kunststofstrookjes vormen samen een kunstspier. In een buis die afwisselend vochtig en droog werd geblazen bleek de kunstspier in staat 50 keer zijn eigen gewicht verplaatsen, zo stellen de onderzoekers.
De kunstspier was de eerste stap. De tweede was een draaiende machine. Daartoe monteerden de onderzoekers de stroken met sporen op een plexiglazen rad, dat voor de helft werd omsloten. In dat dichte deel bevond zich nat papier, waardoor die helft vochtiger was dan de andere helft en de stroken met sporen gingen uitzetten. Dat leidt tot een, kleine, onbalans, waardoor het wiel gaat draaien. Die draaiing werd gebruikt om een (speelgoed)auto van 100 g in beweging te brengen.
De onderzoekers wilden ook bewijzen dat met behulp van verdamping stroom is op te wekken. Daartoe bouwden de onderzoekers, die natuurlijk alles weg hebben van ingenieurs, een systeempje met de sporenstroken loodrecht boven een badje. Via een soort veerconstructie koppelden ze de kunstspieren aan een rij kleppen boven de stroken. In begin zijn de kleppen gesloten, maar door de vochtigheid zetten de sporenstroken uit en worden de kleppen geopend, daardoor zakt de luchtvochtigheid en sluiten de kleppen weer enzovoort, enzovoort. Dat lijkt op een zuigerbeweging. Bij een watertemperatuur van 31°C bedroeg de open/dicht-cyclus maar zes seconden. Met die relatief snelle beweging is stroom op te wekken door de ‘klepperaar’ te koppelen aan een generator, genoeg om twee lichtdiodes te laten branden. Dat hadden ze natuurlijk ook met het rad kunnen doen, denk ik dan. Deze motor bleek een vermogen van 60 microWatt op te kunnen brengen. De onderzoekers denken dat het wel wat wordt met die ‘verdampingsenergie’ (in feite gaat het natuurlijk om ochtigheidsverschillen). Ze denken dan aan aandrijvingen voor sensoren of voor robots. Ze roepen in een YouTube-filmpje ook andere onderzoekers op hun fantasie te gebruiken.
Bron: bdw