Біомімікрія: природа пропонує нові ідеї для енергозбереження та енергоефективності

Чудернацькі водорості на фотографії – один з багатьох прикладів вирішення технологічних проблем, які пропонує природа. Саме з неї черпають натхнення інженери, які прагнуть розробити більш чисті та ефективні енергетичні системи. Прихильники біомімікрії шукають підказки, які допоможуть людству впоратись з проблемою сталого розвитку енергетики, буквально скрізь: «підглядаючи» за рослинами – двигунами фотосинтезу, та за тваринами – від крихітних комах до кремезних китів.
По суті, біомімікрія – це використання знань, накопичених природою протягом близько чотирьох мільярдів років еволюції, для вирішення людських проблем. Серед останніх найгостріше стоїть енергетична проблема, а враховуючи популярні сьогодні «зелені» настрої, не дивно, що наука шукає відповіді в природі.
Так, увагу інженерів прикували великі бурі водорості Nereocystis luetkeana. Вони мають тонку але жорстку довгу ніжку, закріплену на дні і увінчану заповненим газом «поплавцем». До нього, в свою чергу, кріпиться листя, яке розростається по поверхні води, отримуючи сонячне світло для фотосинтезу. Незважаючи на великі розміри (водорості можуть виростати до 30 метрів), конструкція дуже міцна та гнучка – рослині не потрібно «плисти проти течії», достатньо просто розгойдуватись на хвилях. Саме це і надихнуло принаймні одну австралійську компанію, яка планує комерціалізувати систему генерації енергії за рахунок плавних рухів поплавців, танцюючих на хвилях.

BioWAVE: піймати енергію океану
Компанія BioPower Systems (Сідней, Австралія) планує витратити близько 14 млн. австралійських доларів на демонстраційну енергоустановку під торговою маркою BioWAVE біля берегів Порт-Фейрі в південно-східному австралійському штаті Вікторія. Частину коштів – 5 млн. австралійських доларів – компанія вже отримала в якості гранту від уряду Вікторії, який зацікавлений в реалізації проекту.
Пілотна установка матиме потужність 250 кіловат – приблизно п'ята частина потужності звичайної комерційної вітрової турбіни. Але вона все одно буде підключена до електричної мережі – раніше електростанція такої потужності вважалась досить великою, від неї можна було заживити житловий мікрорайон або велику громадську будівлю, наприклад школу. Все залежить від того, наскільки ефективно використовується система.
Поплавці BioWAVE призначені для збору енергії океанічних хвиль, а гнучке «стебло» дозволяє поплавцям повертатись, щоб зібрати якнайбільше енергії. Але підказана морськими водоростями ідея вимагала певних доробок. На відміну від бурих водоростей, BioWAVE для більшої безпеки затоплює свої поплавки під час штормів – вони опускаються на морське дно в очікуванні кращої погоди. Вартість системи знижується, оскільки BioWAVE не потрібна залізна хватка на дні океану.

Новий лист в акумулюванні енергії
Здатність рослин перетворювати енергію в придатну для зберігання форму (шляхом фотосинтезу, воду та сонячне світло – в цукор) настільки фантастична, що вчені прагнуть знайти спосіб, завдяки якому люди могли б імітувати цей основний процес.
Вчений з Массачусетського технологічного інституту Даніель Носера (Daniel Nocera) – автор штучного листа, принцип роботи якого відповідає принципам функціонування справжнього листя рослин. Але цей пристрій – лише перший крок на шляху до штучного фотосинтезу.
Виготовлений з кремнієвого фотоелемента та вкритий з кожного боку каталітичними матеріалами, штучний лист, при перебуванні у воді, розщеплює її на кисень та водень для подальшого використання в паливних елементах. На відміну від попередніх зразків штучного листя, пристрій Даніеля Носера працює у звичайній воді і не вимагає ніяких дротів чи додаткового обладнання. Він легкий і портативний.
Якби дослідники могли розробити просту систему для збору та зберігання газів, кожен з нас міг би отримувати «персональну енергію»: водень і кисень можна подавати в паливний елемент, який об'єднує їх знову у воду, виробляючи при цьому електричний струм.

Сила китових шишок
«Бородавки» на передніх плавниках горбатого кита знаходяться з «неправильної» сторони. Фізикам добре знайомі шишки на задніх кромках крил і плавників різних тварин, але тут вони знаходяться на передньому краї.
Це надихнуло доктора Френка Фіша (Frank Fish), біолога з Університету Пенсільванії у Вест Честері, спробувати розробити лопаті, які б рухались в повітрі так само ефективно, як плавники кита у воді. В результаті в Торонто з’явилась компанія під назвою WhalePower, яка проектує лопаті промислових вентиляторів та турбін, використовуючи при цьому ідею китових шишок.
Нарости на плавниках допомагають китам легко проходити крізь воду під дуже крутими кутами. За результатами дослідження Гарвардського університету, кут атаки (кут між плавником і напрямком потоку води) плавника горбатого кита може бути на 40 відсотків крутішим, ніж у плавника без опуклостей, що дає киту більше контролю над рухами.

WhalePower: в пошуках ефективніших лопатей
Продукт компанії WhalePower використовує ідею щербин на передній кромці лопатей вперше після китів і деяких викопних риб. Здавалось би, такі нерівності не мають сенсу – всім відомо, що передня кромка будь-якого крила повинна бути гладкою і заокругленою, але горбатий кит довів, що це не так.
Зараз технологію WhalePower вже використовують при виробництві лопатей промислових вентиляторів. Вони переміщують на 25 відсотків більше повітря, ніж звичайні вентилятори, і споживають при цьому на 20 відсотків менше енергії. Але компанія сподівається також модифікувати вітрові турбіни, тим самим збільшивши вихід енергії на 20 відсотків і знизивши шум, який супроводжує роботу великих турбін.

Терморегуляція термітів
В термітнику, як в мініатюрному місті, мешкають сотні тисяч термітів – в надземних і підземних тунелях. При цьому комахам вдається підтримувати відносно стабільну температуру свого «будинку». Чому б не повчитись у них, та не зробити людські будівлі більш комфортними?
Саме це зробили творці комплексу Істгейт в Хараре, Зімбабве, який відкрився в 1996 році, – вони черпали натхнення у термітників, розкиданих по сільській місцевості африканської країни.

Істгейт: енергоефективний та ще енергоефективніший
Пасивна система охолодження будівлі Істгейт коштує десяту частину вартості звичайних систем охолодження. Вона працює за рахунок поглинання тепла в стінах будівлі протягом дня, а вночі за допомогою вентиляторів перекачує його в приміщення. При цьому Істгейт використовує на 35 відсотків менше енергії, ніж аналогічні будівлі в Хараре
Але за 20 років після відкриття Істгейт, біологи дізнались більше про те, як «працюють» термітники. Комплекс було побудовано на основі моделі термітника, яка була загальноприйнятою близько 50 років, проте, як виявилось, ця модель неправильна. І хоча будівля і так дуже енергоефективна, вивчення реальної системи терморегуляції термітників (яка більше схожа на циклічну роботу легенів, ніж на односторонню аеродинамічну трубу) може відкрити цілий ряд нових способів клімат-контролю.

Організовуючись в ефективний потік
Косяки риби луціан організовуються таким чином, щоб мінімізувати опір і підвищити ефективність. Щось схоже спостерігається в зграях гусей, які летять клином.
«В літературі можна знайти дуже багато інформації про те, як повинен виглядати оптимальний риб’ячий косяк», – розповідає Джон Дабірі (John Dabiri), професор біоінженерії Каліфорнійського технологічного інституту. Його команда спостерігала за рибою, щоб оптимальніше розташувати вітряні турбіни.

Біомімікрія та мінімізація турбулентності
Оскільки турбіни з вертикальною віссю обертання вужчі та коротші, ніж турбіни з горизонтальною віссю, вони також тихіші та безпечніші для перелітних птахів. Виявляється, якщо їх ще й правильно розмістити, виграш відчують і люди.
Організація вертикальних турбін за зразком риб'ячих косяків дозволяє розміщувати їх ближче одна до одної, керуючи при цьому явищем інтерференції. «Ми хотіли досягти чогось подібного до косяка риб, де замість мінімізації споживаної енергії, ми хотіли максимізувати енергію, яка генерується», – пояснює Дабірі. Мета, за його словами, полягає у збільшенні кількості енергії вітру, яка може бути отримана на такій же території, і досі експерименти давали приголомшливий десятикратний виграш в ефективності.

***

Проте не завжди природа дає всі відповіді. Приклад цьому – жвава дискусія про межі біомімікрії, яка розгорілась, коли 13-річний Айдан Дуайер (Aidan Dwyer) виграв конкурс молодих натуралістів від Американського музею природознавства з проектом «біо»-масиву сонячних панелей: замість того, щоб розташувати їх рядами, він побудував «сонячне дерево», панелі на якому розташовувались, як листя на гілках.
Виявилось, що коли хлопчик розраховував ефективність панелей, він виміряв напругу, а не потужність (поєднання напруги і струму). Насправді ж, деревовидна організація панелей – не найефективніше рішення, тому що дерева – не найефективніші колектори сонячного світла. «Дерева повинні також враховувати вагу і вітрове навантаження. Якби дерева мали суцільну безперервну поверхню, яка б завжди була орієнтована на сонце, сильні вітри могли б його звалити. Еволюція йде на великі компроміси для підтримки життя», – пояснює Ян Кліссл (Jan Kleissl), інженер-еколог з Університету Каліфорнії в Сан-Дієго.
Він також додав, що під час індустріалізації людська «еволюція» вже обігнала природну еволюцію, тому не слід шукати всі відповіді в ній. Тим не менш, прихильними біомімікрії вважають, що природа пропонує достатньо уроків по зберіганню та використанню енергії, і тому людство повинно спробувати застосувати ідеї, які еволюціонували протягом мільярдів років, поєднуючи їх з власною винахідливістю.