Kiinalaiset konetekniikan tutkijat ovat onnistuneet rakentamaan sähkögeneraattorin kuuluisasta juoppolintu-nimisestä lelusta. Laite kuluttaa puhdasta vettä, mutta synnyttää lehdistötiedotteen mukaan parhaimmillaan hieman yli 100 voltin jännitteen.
Korkeasta jännitteestä huolimatta järjestelmän energiantuotto jää alhaiseksi. Tieteellisessä artikkelissa raportoidussa 50 tunnin testissä laite tuotti sähköenergiaa 100 millilitrasta vettä 0,65 joulea eli 0,18 milliwattituntia.
Tämä tarkoittaa keskitehon olleen vaivaiset 3,6 mikrowattia. Maksimiteho on hieman yli 10-kertainen, noin 40 µW, Zuankai Wangin johtamat tutkijat kirjoittavat.
Toisaalta nyt saavutetut varsin vähäiset teholukemat ovat silti 13-kertaiset verrattuna aiempiin juoppolintu-pohjaisiin generaattoreihin. Ennätys saatiin aikaan uudella toimintaperiaatteella: Wangin ryhmän laite on kitkasähköinen eli triboelektrinen, ei aiempaan tapaan sähkömagneettiseen induktioon perustuva.
Generaattoria voidaan käyttää virtalähteenä pienelektroniikalle – kuten laskimille, pienille ilman taustavaloa toimiville lcd-näytöille sekä mitta-antureille. Koska laite antaa sähköä voimakkaan syklisesti, pitää energia varastoida esimerkiksi kondensaattoreihin. Tutkijoiden mukaan tämä ei ole kuitenkaan mikään ongelma, vaan onnistuu hyvin.
Näin lintu toimii
Juoppolintu, jonka ympärille Wangin ryhmän generaattori on rakennettu, on perinteisessä muodossaan lämpömekaaninen kone. Se imee energiansa ympäröivän ilman lämmöstä, mutta toimintaperiaatetta on vaikea päätellä vain laitteen toimintaa katselemalla.
Tiettävästi edes Albert Einstein ei osannut selittää tämän lelun toimintaa sen nähdessään (ks. Wikipedia-artikkeliin linkitetty asiantuntijavideo). Einstein nimittäin kieltäytyi rikkomasta esinettä sen sisuskalujen tutkimista varten.
Lintu koostuu ontosta lasipompulasta (vartalo), jonka yläpinnan läpi kulkee ontto lasiputki (kaula) lähes pompulan pohjalle asti. Vartalon vastapainona kaulan toiseen päähän on kiinnitetty ontto pää. Päästä sojottaa ulos ontto nokka, joka on pinnoitettu huovalla tai muulla huokoisella tekstiilillä. Kokonaisuus on tasapainotettu keinulautatyyppisesti tuen varaan kaulasta sopivasta kohtaa.
Vartalon, kaulan ja pään muodostama ontto mutta suljettu tila on osittain täytetty jollakin herkästi haihtuvalla orgaanisella nesteellä. Sisällä ei ole ilmaa, vaan painetta aiheuttaa ainoastaan nesteen höyrynpaine; sisälle on imetty valmistusvaiheessa tyhjiö.
Kun linnun huokoinen nokka kostutetaan, veden haihtuminen viilentää sitä, mikä saa haihtuvan nesteen tiivistymään nokkaan. Tästä syntyy paine-ero, joka imee vartalosta nestettä kaulaan. Kaulaan kertyvä neste siirtää painopistettä, niin että lintu kiepsahtaa eteenpäin.
Neste saattaa nousta päähän tai olla nousematta – tässä yksityiskohdassa on vaihtelua – mutta se ei jää päähän. Tämän estää se, että putken alapää paljastuu nesteen alta. Näin paine tasaantuu, neste laskee, ja lintu nytkähtää taaksepäin takaisin alkuasentoon.
Jos lintua käytetään oikein, sen edessä on lasillinen vettä. Kallistus eteenpäin kastelee nokan, eli lintu ”juo”. Tämä pitää järjestelmän käynnissä, ja tämä on antanut juoppolinnulle sen nimen.
Wangin ryhmän laitteessa kierrosaika oli 18 sekuntia 28 prosentin ilmankosteudessa ja 24 °C lämpötilassa. 75 prosentin ilmankosteudessa aika kasvoi 74 sekuntiin. Nämä ajat vaikuttavat melko tavanomaisilta. Useissa internet-videoissa juoppolinnun toimintakierros kestää noin minuutin verran.
Lievästi myrkylliset sisukset
Perinteisin valinta linnun sisältämäksi nesteeksi on dikloorimetaani (dcm) eli metyleenikloridi. Se soveltuu tehtävään hyvin sekä alhaisen kiehumispisteensä (39,6 °C) että raskautensa (1,33 kg/L) takia.
Dcm on lievästi myrkyllistä erityisesti hengitettynä. Yksi syy sen myrkyllisyyteen on hiilimonoksidi eli häkä, jota muodostuu dcm:n hajotessa elimistössä. Lievän myrkyllisyyden vuoksi dcm:n käyttö maalinpoistoaineissa kiellettiin EU:ssa vuonna 2009 ja USA:ssa vuonna 2019.
Koska juoppolinnun vartalo, kaula ja pää muodostavat suljetun tilan, ei sen sisältämää dikloorimetaania tarvitse lainkaan pelätä niin kauan kuin järjestelmä pysyy ehjänä. Jos laite rikkoutuu, tuuletus riittää.
Wangin ryhmä laajensi kaupasta ostetun juoppolintulelun generaattoriksi kiinnittämällä sen kaulaan molemmin puolin laipat teflonia muistuttavasta fep-muovista (*). Kun lintu heilahtelee, laipat hankaavat itseään kuparijohtimiin liimattuja polypropeenikuitutuppoja vasten. Tästä syntyy staattista sähköä, joka otetaan talteen.
Tieteellisen artikkelin mukaan suurimman vastuun käytännön työstä kantoivat Hao Wu, Huanxi Zheng ja Xuezhi Qin. Device-nimisessä lehdessä julkaistu artikkeli on vapaasti luettavissa.
Projektiin osallistui tutkijoita sekä Manner-Kiinan että Hongkongin puolelta.
Juoppolintu nykyisessä muodossaan on kiinalainen keksintö, todennäköisesti 1800-luvun lopusta tai 1900-luvun alusta. Länsimaissa tämä laite tunnetaan amerikkalaiskeksijä Miles Sullivanin patentista, jonka hän jätti 6. elokuuta 1945 – eli sattuman kautta samana päivänä kuin USA pudotti ydinpommin Hiroshimaan.
Kiinalaisetkaan eivät keksineet juoppolintua tyhjästä, vaan sen taustalla oleva tekniikka kehitettiin vähä vähältä satojen vuosien kuluessa. Ensimmäiset juoppolintua jossain määrin muistuttavat lämpömekaaniset kojeet rakennettiin jo 1760-luvulla Saksassa.
(*) Fep-muovi on tetrafluorieteenin ja heksafluoripropeenin kopolymeeri eli yhteispolymeeri. Lyhenne tulee sanoista fluorattu eteenipropeeni. Tämä termi ei ole itsessään minkään polymeerin johdonmukainen kemiallinen nimi, vaan kyseessä on hieman epäsikiö kauppanimi.