Verdampend water laat wagentje rijden

Een motor kan op waterverdamping draaien. Het verschil in luchtvochtigheid levert de energie, niet het water.

Foto Columbia University

Verdampend water kan kleine motoren aandrijven. Een van de machientjes is een doosje met klepjes die openen en sluiten, de andere een soort schoepenrad. Daarmee is wetenschappers iets gelukt wat de natuur al lang kan: waterverdamping als aandrijfmechanisme.

De vondst, in Nature Communications beschreven door Xi Chen van Columbia University in New York en collega’s is een nieuwe manier om kleine beetjes energie te winnen uit verschillen in luchtvochtigheid. Dat kan misschien handig zijn om zachte robots van spieren te voorzien, of om zelfstandig opererende elektronica op afgelegen plaatsen langdurig te laten werken. Zoals thermometers of mini-cameraatjes op afgelegen plaatsen waar het lastig is om batterijen te vervangen.

Voorlopig zijn de verdampingsmotoren een fraaie toepassing van een principe dat bomen en andere planten al miljoenen jaren gebruiken als circulatiepomp. Bladeren zitten vol huidmondjes, waaruit water verdampt, zodat door de plantenvaten vers water omhoog wordt gezogen.

Ook dennenappels gebruiken de mechanische kracht van verdamping: bij droogte buigen de schubben open zodat de zaden vrij kunnen komen.

Het basisidee van Chen en collega’s lijkt op die dennenappelschubben: dunne plastic stripjes die krombuigen in de droogte, en strekken in een vochtige omgeving. In Nature Nanotechnology van februari 2014 beschreven ze eerder hoe sporen van de bacterie Bacillus subtilis in vochtige lucht wel 12 procent uitzetten. Ze mengden de bacillus-sporen met lijm, die ze aan één kant op dunne plastic strookjes smeerden. Die strookjes zijn een soort verdampingsspieren: krom bij droogte, recht in vochtige omgeving.

Met deze spieren construeerden ze een ingenieus kleppensysteem boven een bakje water. Bij droogte trekken de kleppen dicht. Daaronder hoopt zich de waterdamp op. Door de toenemende vochtigheid rekken de spieren uiteindelijk uit, en gaan de kleppen weer open. Op dat moment kan de opgehoopte waterdamp weg, en begint het proces van voren af aan. Door een kleine elektrische generator aan te sluiten, wekten de onderzoekers hiermee zelfs 1,8 microwatt stroom op, genoeg om twee ledjes te laten schijnen.

Een schoepenrad met spiertjes

Een nog hoger Willie Wortel-gehalte heeft hun moisture mill, oftewel luchtvochtigheidsmolen: een schoepenrad met verdampingsspiertjes, aan de uiteinden voorzien van minigewichtjes.

De rechterhelft van het rad draait tussen velletjes natgemaakt vochtabsorberend papier. Tussen die velletjes heerst een hoge luchtvochtigheid, waardoor de strookjes zich uitstrekken. De gewichtjes geven dan een groot draaimoment, en trekken het wiel rechtsom.

De linkerhelft van het schoepenrad bevindt zich juist in de drogere buitenlucht, waardoor de strookjes kromtrekken. De gewichtjes geven daardoor een kleiner draaimoment, dus draait het rad netto rechtsom. Zo gaat het karretje vooruit: hoe droger de buitenlucht, hoe sneller, rapporteren Chen en collega’s.

Maar voordat dit nu de ‘motor op water’ wordt genoemd die door de olie-industrie al decennia achter slot en grendel wordt gehouden: het verdampingsproces zelf levert geen energie (integendeel, verdamping kost juist warmte).

Cruciaal voor de werking is dat er verschil in luchtvochtigheden nodig is: vochtig (tussen de papiervelletjes, of bij dichte kleppen) versus droog (buiten de velletjes, of als de kleppen openstaan). Dat verschil is de echte energiebron.