Wissenschaftler entwerfen neuartige nichtlineare Schaltkreise zur Gewinnung sauberer Energie mithilfe von Graphen

Lange galt es als unmöglich, aus zufälligen Fluktuationen in einem System im thermischen Gleichgewicht nützliche Arbeit zu gewinnen. Tatsächlich stellte der bekannte amerikanische Physiker Richard Feynman in den 1960er Jahren weitere Untersuchungen praktisch ein, nachdem er in einer Reihe von Vorträgen argumentierte, dass die Brownsche Bewegung oder die thermische Bewegung von Atomen keine nützliche Arbeit leisten könne.

Jetzt wurde eine neue Studie veröffentlicht Körperliche Überprüfung E mit dem Titel „Laden von Kondensatoren aus thermischen Schwankungen mithilfe von Dioden“ hat bewiesen, dass Feynman etwas Wichtiges übersehen hat.

Drei der fünf Autoren des Artikels stammen vom Fachbereich Physik der University of Arkansas. Laut Erstautor Paul Thibado beweist ihre Studie eindeutig, dass thermische Schwankungen von freistehendem Graphen, wenn es an einen Stromkreis mit Dioden mit nichtlinearem Widerstand und Speicherkondensatoren angeschlossen wird, durch das Laden der Speicherkondensatoren tatsächlich nützliche Arbeit leisten.

Die Autoren fanden heraus, dass der Schaltkreis Strom aus der thermischen Umgebung bezieht, um die Speicherkondensatoren aufzuladen, wenn die anfängliche Ladung Null beträgt.

Anschließend zeigte das Team, dass das System während des gesamten Ladevorgangs sowohl den ersten als auch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik erfüllt. Sie fanden außerdem heraus, dass größere Speicherkondensatoren mehr gespeicherte Ladung liefern und dass eine kleinere Graphenkapazität sowohl eine höhere anfängliche Laderate als auch eine längere Entladezeit bietet. Diese Eigenschaften sind wichtig, da sie Zeit lassen, die Speicherkondensatoren vom Energiegewinnungskreis zu trennen, bevor die Nettoladung verloren geht.

Diese neueste Veröffentlichung baut auf zwei früheren Studien der Gruppe auf. Die erste erschien 2016 Briefe zur körperlichen Untersuchung. In dieser Studie identifizierten Thibado und seine Co-Autoren die einzigartigen Schwingungseigenschaften von Graphen und sein Potenzial für die Energiegewinnung.

Der zweite wurde im Jahr 2020 veröffentlicht Körperliche Überprüfung E Artikel, in dem sie einen Schaltkreis mit Graphen diskutieren, der saubere, unbegrenzte Energie für kleine Geräte oder Sensoren liefern kann.

Diese neueste Studie geht sogar noch einen Schritt weiter, indem sie mathematisch den Aufbau eines Schaltkreises ermittelt, der in der Lage ist, Energie aus der Erdwärme zu gewinnen und sie zur späteren Verwendung in Kondensatoren zu speichern.

„Theoretisch wollten wir das beweisen“, erklärte Thibado. „Es gibt bekannte Energiequellen wie kinetische, solare, Umgebungsstrahlung, akustische und thermische Gradienten. Jetzt gibt es auch nichtlineare Wärmekraft. Normalerweise stellt man sich vor, dass Wärmekraft einen Temperaturgradienten erfordert. Das ist natürlich so.“ „, eine wichtige Quelle praktischer Energie, aber was wir gefunden haben, ist eine neue Energiequelle, die es noch nie zuvor gegeben hat. Und diese neue Energie erfordert keine zwei verschiedenen Temperaturen, da sie bei einer einzigen Temperatur existiert.“

Zu den Co-Autoren zählen neben Thibado auch Pradeep Kumar, John Neu, Surendra Singh und Luis Bonilla. Kumar und Singh sind außerdem Physikprofessoren an der University of Arkansas, Neu an der University of California, Berkeley und Bonilla an der Universidad Carlos III de Madrid.

Ein Jahrzehnt der Forschung

Die Studie stellt die Lösung eines Problems dar, das Thibado seit weit über einem Jahrzehnt untersucht, als er und Kumar erstmals die dynamische Bewegung von Wellen in freistehendem Graphen auf atomarer Ebene verfolgten. Graphen wurde 2004 entdeckt und ist eine ein Atom dicke Graphitschicht. Das Duo beobachtete, dass freistehendes Graphen eine wellenförmige Struktur aufweist, wobei sich jede Welle als Reaktion auf die Umgebungstemperatur auf und ab bewegt.

„Je dünner etwas ist, desto flexibler ist es“, sagte Thibado. „Und bei einer Dicke von nur einem Atom gibt es nichts Flexibleres. Es ist wie ein Trampolin, das sich ständig auf und ab bewegt. Wenn man es an der Bewegung hindern will, muss man es auf 20 Kelvin abkühlen.“

Seine aktuellen Bemühungen bei der Entwicklung dieser Technologie konzentrieren sich auf den Bau eines Geräts, das er Graphene Energy Harvester (oder GEH) nennt. GEH verwendet eine negativ geladene Graphenschicht, die zwischen zwei Metallelektroden aufgehängt ist.

Wenn das Graphen hochklappt, induziert es eine positive Ladung in der oberen Elektrode. Wenn es nach unten klappt, lädt es die untere Elektrode positiv auf und erzeugt einen Wechselstrom. Da die Dioden gegeneinander geschaltet sind und der Strom in beide Richtungen fließen kann, werden durch den Stromkreis getrennte Pfade bereitgestellt, die einen pulsierenden Gleichstrom erzeugen, der Arbeit an einem Lastwiderstand verrichtet.

Kommerzielle Anwendungen

NTS Innovations, ein auf Nanotechnologie spezialisiertes Unternehmen, besitzt die exklusive Lizenz, GEH zu kommerziellen Produkten zu entwickeln. Da GEH-Schaltkreise so klein sind (nur Nanometer groß), eignen sie sich ideal für die Massenvervielfältigung auf Siliziumchips. Wenn mehrere GEH-Schaltkreise in Arrays auf einem Chip eingebettet sind, kann mehr Strom erzeugt werden. Sie können auch in vielen Umgebungen eingesetzt werden, was sie besonders attraktiv für drahtlose Sensoren an Orten macht, an denen ein Batteriewechsel unpraktisch oder teuer ist, wie etwa in einem unterirdischen Rohrsystem oder in Kabelkanälen im Inneren von Flugzeugen.

Donald Meyer, Gründer und CEO von NTS Innovations, sagte: „Pauls Forschung bestärkt uns in unserer Überzeugung, dass wir mit Graphene Energy Harvesting auf dem richtigen Weg sind. Wir schätzen unsere Partnerschaft mit der University of Arkansas bei der Markteinführung dieser Technologie.“

Ryan McCoy, Vizepräsident für Vertrieb und Marketing bei NTS Innovations, fügte hinzu: „In der gesamten Elektronikindustrie besteht eine breite Nachfrage nach einer Verkleinerung der Formfaktoren und einer Verringerung der Abhängigkeit von Batterien und kabelgebundener Stromversorgung. Wir glauben, dass Graphene Energy Harvesting einen tiefgreifenden Einfluss auf beides haben wird.“ “

Über den langen Weg zu seinem neuesten theoretischen Durchbruch sagte Thibado: „Es gab immer diese Frage: ‚Wenn sich unser Graphengerät in einer wirklich ruhigen, wirklich dunklen Umgebung befindet, würde es dann Energie gewinnen oder nicht?‘ Die herkömmliche Antwort darauf lautet „Nein“, da es offenbar den Gesetzen der Physik widerspricht. Aber die Physik wurde nie sorgfältig untersucht.“

„Ich glaube, die Leute hatten ein bisschen Angst vor dem Thema wegen Feynman. Also sagten alle nur: ‚Das rühre ich nicht an.‘ Aber die Frage forderte immer wieder unsere Aufmerksamkeit. Ehrlich gesagt konnte die Lösung nur durch die Beharrlichkeit und die vielfältigen Ansätze unseres einzigartigen Teams gefunden werden.“