Η Gyeongyun Lily Min πέρασε τους τελευταίους επτά μήνες σε ένα αυτοσχέδιο εργαστήριο που έστησε στο γκαράζ των γονιών της, καθώς προσπαθούσε να μετατρέψει τις δονήσεις που παράγονται από τα ηχητικά κύματα στα γήπεδα, κοινώς τα συνθήματα, τα τραγούδια, τις επευφημίες και τις αποδοκιμασίες των θεατών, σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι μέρες της ήταν μια μακρά επανάληψη της τελειοποίησης της ιδέας, της διεξαγωγής πειραμάτων και της ανάλυσης των αποτελεσμάτων.

Η 17χρονη ανερχόμενη τελειόφοιτη του Alfred M. Barbe High School στο Lake Charles της Λουιζιάνα, εμπνεύστηκε αρχικά από την ταινία Monsters, Inc. της Disney. Στην ταινία του 2001, η ενέργεια παράγεται από τις κραυγές των παιδιών. Με εξαίρεση τη σκληρότητα, σκέφτηκε η Gyeongyun, η ιδέα θα μπορούσε να βοηθήσει στην κάλυψη της παγκόσμιας ζήτησης για βιώσιμη ενέργεια.

«Αυτή η ευφάνταστη ιδέα προκάλεσε την περιέργειά μου σχετικά με τις δυνατότητες μετατροπής του ήχου σε αξιοποιήσιμη ενέργεια», εξηγεί η Gyeongyun. «Άρχισα να αναρωτιέμαι αν, στην πραγματικότητα, θα μπορούσαμε να αξιοποιήσουμε τον άφθονο θόρυβο σε περιβάλλοντα όπως τα γήπεδα και να τον χρησιμοποιήσουμε για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας».

Συνδυάζοντας την περιέργειά της με το πάθος της για την επιστήμη και την καινοτομία, η νεαρή φοιτήτρια ξεκίνησε να μελετά μόνη της την ιδέα. «Αυτή η ιδέα», λέει η Gyeongyun, «με οδήγησε να διερευνήσω τη σκοπιμότητα της συλλογής ακουστικής ενέργειας ως μια βιώσιμη και καινοτόμα ενεργειακή λύση που θα μπορούσε να συμβάλει στην κάλυψη των παγκόσμιων ενεργειακών αναγκών και στη μείωση της εξάρτησής μας από τα ορυκτά καύσιμα».

Σήμερα, με πάνω από το 60% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας να παράγεται από ορυκτά καύσιμα, ο κόσμος εξακολουθεί να εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Ο άνθρακας είναι ο μεγαλύτερος συντελεστής στη βιομηχανία με ποσοστό περίπου 36%, ακολουθούμενος από το φυσικό αέριο με μερίδιο περίπου 23%. Σύμφωνα με πρόσφατη έκθεση της World Nuclear Association, η οποία προωθεί την παγκόσμια βιομηχανία πυρηνικής ενέργειας, πάνω από το 40 τοις εκατό των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO2) που σχετίζονται με την ενέργεια ετησίως οφείλεται στην καύση ορυκτών καυσίμων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ο τομέας της ενέργειας είναι η μεγαλύτερη πηγή CO2 που θερμαίνει τον πλανήτη παγκοσμίως.

Πριν από περίπου ενάμιση χρόνο, η Gyeongyun παρακολουθούσε τη μητέρα της να ασχολείται με τον κήπο και να φτιάχνει το δικό της κομπόστ. Παρατήρησε τη θερμότητα που παρήγαγε το κομπόστ και αναρωτήθηκε πώς αυτή η θερμική ενέργεια θα μπορούσε να αξιοποιηθεί και να μετατραπεί σε χρήσιμη ενέργεια. «Αυτό με οδήγησε να εξερευνήσω τις αρχές της μεταφοράς θερμότητας και της μετατροπής ενέργειας μέσω πειραμάτων με την κομποστοποίηση κατακαθιών καφέ», λέει η Gyeongyun.

Λίγους μήνες αργότερα, η φοιτήτρια-ερευνήτρια βρέθηκε και πάλι γοητευμένη από καινοτόμους νέους τρόπους συλλογής ενέργειας, αυτή τη φορά από περιβάλλοντα όπως τα γήπεδα με υψηλά επίπεδα θορύβου, με τη βοήθεια του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου.

Ορισμένα υλικά στο περιβάλλον παράγουν μεγάλα ποσά μηχανικής ενέργειας ως δονήσεις ή κραδασμούς. Η ενέργεια αυτή πηγαίνει σε μεγάλο βαθμό χαμένη. Ωστόσο, με το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, είναι δυνατή η μετατροπή αυτής της κινητικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Ο πιεζοηλεκτρισμός, με απλά λόγια, είναι η παραγωγή ηλεκτρικού φορτίου σε απόκριση σε φυσική ή τεχνητά εφαρμοζόμενη πίεση.

Ένα από τα πιο γνωστά παραδείγματα ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται μέσω του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου βρέθηκε στο σιδηροδρομικό σταθμό Σιμπούγια στο Τόκιο. Από το 2008 έως το 2009, ένας πιεζοηλεκτρικός τάπητας μεγέθους περίπου 14 τετραγωνικών ιντσών εγκαταστάθηκε έξω από το σταθμό. Το στρώμα πάχους μίας ίντσας παρήγαγε ηλεκτρική ενέργεια κάθε φορά που ένα άτομο πατούσε πάνω του. Με περίπου 2,4 εκατομμύρια ανθρώπους να διέρχονται από το σταθμό καθημερινά, το χαλί παρήγαγε μεταξύ 0,1 και 0,3 Watt ηλεκτρικής ενέργειας σε κάθε δευτερόλεπτο που πατούσαν πάνω του.

Διαβασε ακομα

Μπορεί η ηλιακή ενέργεια – από μόνη της – να σώσει τον κόσμο;

«Επέλεξα ένα γήπεδο ως κατάλληλη τοποθεσία για το έργο μου επειδή αποτελεί ένα μοναδικό περιβάλλον όπου τα επίπεδα θορύβου είναι σταθερά υψηλά λόγω των επευφημιών του πλήθους, των ανακοινώσεων και της μουσικής», λέει η Gyeongyun. Σύμφωνα με την American Academy of Audiology, τα επίπεδα θορύβου σε μια αθλητική εκδήλωση μπορεί να φτάσουν τα 110 ντεσιμπέλ. «Επιπλέον, τα αθλητικά γήπεδα είναι μεγάλοι, δημόσιοι χώροι όπου η εφαρμογή βιώσιμων ενεργειακών λύσεων θα μπορούσε να έχει σημαντικό θετικό αντίκτυπο, καθιστώντας τους ιδανικούς υποψήφιους για τη διερεύνηση καινοτόμων τεχνικών συλλογής ενέργειας», προσθέτει.

Για να προσομοιώσει με ακρίβεια το ηχητικό περιβάλλον ενός γηπέδου, η νεαρή καινοτόμος κατασκεύασε το μοντέλο ενός γηπέδου μπάσκετ περίπου 22 επί 12 ιντσών με την επίσημη αναλογία γηπέδων του NBA, κατασκευασμένο κυρίως από ελαφριά υλικά όπως αφρώδες χαρτόνι και πλαστικό για να προσομοιώσει τις δομικές πτυχές ενός πραγματικού γηπέδου.

Στη συνέχεια βρήκε τις καλύτερες θέσεις μέσα σε αυτό για τις πιεζοηλεκτρικές γεννήτριες μελετώντας την ηχητική πίεση σε σχέση με τη θέση του ηχείου. Για τον ήχο, η Gyeongyun έπαιξε ηχογραφήσεις τυπικού θορύβου πλήθους σε γήπεδο, συμπεριλαμβανομένων των ζητωκραυγών και των γενικών ήχων του περιβάλλοντος σε μέσες στάθμες ηχητικής πίεσης 70 και 100 ντεσιμπέλ, που αντιπροσωπεύουν τα κανονικά και τα μέγιστα επίπεδα θορύβου που παρατηρούνται κατά τη διάρκεια μιας ζωντανής εκδήλωσης.

Σχεδίασε τρεις διαφορετικούς τύπους μοντέλων συλλέκτη ενέργειας -γνωστά ως Cassegrain, Gregorian και front feed- που βοηθούν στην εστίαση του ήχου στις πιεζοηλεκτρικές γεννήτριες, βελτιώνοντας έτσι την αποτελεσματικότητά τους στη δέσμευση ενέργειας.

Η ισχύς που παράγεται από τα μοντέλα συλλογής ενέργειας της Gyeongyun κατέδειξε σημαντικά υψηλότερη παραγωγή τάσης από ό,τι οι αυτόνομες πιεζοηλεκτρικές συσκευές. «Ενώ μια κανονική πιεζοηλεκτρική συσκευή θα μπορούσε να παράγει ελάχιστη τάση υπό παρόμοιες συνθήκες», εξηγεί η μαθήτρια, «τα μοντέλα συγκομιδής στο πείραμα παρήγαγαν έως και αρκετές δεκάδες millivolts, ανάλογα με τη διαμόρφωση και το επίπεδο ηχητικής πίεσης». Και προσθέτει: «Η ενίσχυση αυτή υποδηλώνει ότι ο σχεδιασμός των μοντέλων, ο οποίος εστιάζει την ηχητική ενέργεια προς τα πιεζοηλεκτρικά υλικά, παίζει καθοριστικό ρόλο στην αύξηση της απόδοσης».

Με περιορισμένους πόρους, η Gyeongyun αντιμετώπισε ορισμένα εμπόδια. Για παράδειγμα, ταλαιπωρήθηκε με σχετικά χαμηλής ποιότητας πιεζοηλεκτρικό υλικό που αγόρασε από το Amazon. «[Δεν ήταν] τόσο ευαίσθητα όσο χρειαζόταν για τη βέλτιστη συγκομιδή ενέργειας», λέει. «Αυτός ο περιορισμός επηρέασε σημαντικά την αποτελεσματικότητα και την ακρίβεια του πειράματός μου». Παρ’ όλα αυτά, προσάρμοσε την πειραματική της διάταξη και επαναξιολόγησε τις προσδοκίες σχετικά με την παραγωγή ενέργειας.

Το πείραμα αποκάλυψε ότι οι πιεζοηλεκτρικές διατάξεις στο μοντέλο παρήγαγαν σχετικά μικρές ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας, με την τάση να ποικίλλει ανάλογα με το επίπεδο ηχητικής πίεσης και τη θέση των συσκευών συλλογής ενέργειας. «Για παράδειγμα, το μοντέλο Cassegrain παρήγαγε κατά μέσο όρο 44,90 millivolts στα 100 ντεσιμπέλ, ενώ το μοντέλο front feed απέδιδε περίπου 38,60 millivolts στα 70 ντεσιμπέλ», εξηγεί η Gyeongyun. Αν και αυτή η απόδοση είναι σχετικά χαμηλή, η κλιμάκωση σε ένα πραγματικό γήπεδο υποδηλώνει ότι υπάρχουν δυνατότητες βελτίωσης με πιο ευαίσθητα υλικά και καλύτερο σχεδιασμό.

«Η επιτυχία του πειράματος αξιολογήθηκε με βάση τη συγκριτική απόδοση τάσης μεταξύ διαφορετικών μοντέλων και ρυθμίσεων, υποδεικνύοντας ότι η στρατηγική ανάπτυξη μπορεί να ενισχύσει την αποδοτικότητα της συγκομιδής ενέργειας», λέει. «Αν είχα πρόσβαση σε καλύτερα υλικά, πιστεύω ότι θα μπορούσα να βελτιώσω σημαντικά την αποτελεσματικότητα και την αξιοπιστία της έρευνάς μου για τη συγκομιδή ενέργειας».

Διαβασε ακομα

Και αν οι ένοχοι πλήρωναν τον λογαριασμό για το κλίμα;

Το εγχείρημά της καταδεικνύει τη δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με πιεζοηλεκτρικές διατάξεις από περιβάλλοντα με σημαντικά υψηλά επίπεδα θορύβου. Όταν εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα, η τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να μειώσει την παγκόσμια εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα, μειώνοντας έτσι τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου και συμβάλλοντας στον μετριασμό της κλιματικής κρίσης.

«Σε αστικές περιοχές με μεγάλη κυκλοφορία, ο συνεχής θόρυβος από τα οχήματα θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, συμβάλλοντας στις ενεργειακές ανάγκες των υποδομών της πόλης», λέει η Gyeongyun. «Τα εργοστάσια παραγωγής, τα οποία συχνά έχουν συνεχή θόρυβο από μηχανήματα, θα μπορούσαν να ενσωματώσουν πιεζοηλεκτρικές συσκευές για τη δέσμευση και μετατροπή αυτών των ηχητικών δονήσεων σε ηλεκτρική ενέργεια, μειώνοντας έτσι τη συνολική κατανάλωση ενέργειας και βελτιώνοντας τη βιωσιμότητα».

Τα συστήματα δημόσιων μεταφορών, όπως οι σταθμοί του μετρό και οι τερματικοί σταθμοί τρένων, τα οποία παρουσιάζουν υψηλά επίπεδα περιβαλλοντικού θορύβου από τα τρένα και τους επιβάτες, θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιήσουν αυτή την τεχνολογία για την τροφοδοσία ορισμένων λειτουργιών τους.

Με την τεχνολογία της για την περιβαλλοντική βιωσιμότητα, η Gyeongyun εξασφάλισε μια θέση ως φιναλίστ στο φετινό Regeneron International Science and Engineering Fair, τον μεγαλύτερο παγκόσμιο επιστημονικό διαγωνισμό για μαθητές λυκείου. Το κορυφαίο βραβείο απονεμήθηκε σε μια μαθήτρια που κατασκεύασε ένα καλύτερο οργανικό ηλεκτροχημικό τρανζίστορ που θα χρησιμοποιηθεί σε εμφυτεύσιμα βιοηλεκτρονικά που μπορούν να βοηθήσουν στην ανίχνευση και θεραπεία σοβαρών ασθενειών όπως ο διαβήτης, η επιληψία και η ανεπάρκεια οργάνων. Το δεύτερο βραβείο κέρδισε ένας άλλος επιστήμονας μαθητής που βελτίωσε την ταχύτητα και την αποτελεσματικότητα του λογισμικού που χρησιμοποιείται σε διάφορους τομείς, όπως η μηχανική μάθηση, οι μεταφορές και τα χρηματοπιστωτικά συστήματα.

Η Maya Ajmera, πρόεδρος και διευθύνουσα σύμβουλος της Society for Science, η οποία διοργανώνει τον διαγωνισμό της Regeneron, αποκαλεί την έρευνα της Gyeongyun «καινοτόμο». «Η Gyeongyun σε ηλικία 17 ετών, σκέφτηκε αυτό το project και το βρήκα πολύ εμπνευσμένο», λέει.

Ο Daniel Inman, μηχανολόγος μηχανικός στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και συν-συγγραφέας του βιβλίου Piezoelectric Energy Harvesting, θεωρεί ότι πρόκειται για μια εφικτή τεχνολογία. «Έχουν γίνει αρκετές μελέτες σχετικά με τις δονήσεις του δαπέδου ως πηγή συλλεγόμενης ενέργειας και αυτό μπορεί να είναι βιώσιμο». Ωστόσο, ο εμπειρογνώμονας επισημαίνει διάφορους σημαντικούς παράγοντες που μπορεί να επηρεάσουν το πόσο καλά λειτουργεί η τεχνολογία της Gyeongyun. Αυτοί περιλαμβάνουν το είδος του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένο το στάδιο, την ποσότητα της δονητικής ενέργειας που παράγεται από το πλήθος που περπατά ή ποδοπατά και τον τρόπο μέτρησης αυτών των δονήσεων.

Διαβασε ακομα

Η πρώτη μεγάλη οικονομία που σταματά να καίει άνθρακα για ηλεκτρική ενέργεια

«Η μεγάλη πρόκληση είναι ότι μια λογική ποσότητα πιεζοειδούς υλικού έχει τη δυνατότητα να συλλέγει μόνο μικροβάτ ενέργειας», λέει ο Inman. «Υπάρχουν πολλά ζητήματα και παράγοντες που καθορίζουν πόση ενέργεια μπορεί να συλλεχθεί σε μια δεδομένη κατάσταση. Αυτό καθιστά αδύνατη την πραγματοποίηση προβλέψεων για μια δεδομένη κατάσταση, εκτός αν γνωρίζει κανείς όλους τους παράγοντες, όπως η πυκνότητα της διαθέσιμης ενέργειας του περιβάλλοντος και οι ιδιότητές της, όπως η συχνότητα, το πλάτος κ.λπ. Για να φτάσουν αυτά τα συστήματα σε κλίμακα θα απαιτούνταν εκατοντάδες τέτοια στοιχεία».

Η Gyeongyun παραμένει αισιόδοξη για το μέλλον της τεχνολογίας.

«Παρόλο που η τεχνολογία αυτή δεν είναι ακόμη ρεαλιστικά εφαρμόσιμη λόγω των σημερινών περιορισμών στην ευαισθησία και την αποτελεσματικότητα των πιεζοηλεκτρικών υλικών, η περαιτέρω έρευνα και ανάπτυξη θα μπορούσε να βελτιώσει σημαντικά τη σκοπιμότητά της», λέει. «Με την προώθηση της ποιότητας των πιεζοηλεκτρικών συσκευών και τη βελτιστοποίηση της ανάπτυξής τους, μπορούμε να ξεκλειδώσουμε μια νέα οδό για τη βιώσιμη παραγωγή ενέργειας, συμβάλλοντας σε ένα καθαρότερο και πιο βιώσιμο μέλλον».

Με πληροφορίες από Smithsonian Magazine, Reuters, World Nuclear Association, Science direct, American Academy of Audiology