Obtenir un travail utile à partir de fluctuations aléatoires dans un système à l’équilibre thermique a longtemps été considéré comme impossible. En fait, dans les années 1960, l’éminent physicien américain Richard Feynman a effectivement mis fin à toute enquête plus approfondie après avoir soutenu dans une série de conférences que le mouvement brownien, ou le mouvement thermique des atomes, ne peut pas effectuer de travail utile.
Maintenant, une nouvelle étude publiée dans Examen physique E intitulé « Charger des condensateurs à partir de fluctuations thermiques à l’aide de diodes » a prouvé que Feynman avait raté quelque chose d’important.
Trois des cinq auteurs de l’article sont du département de physique de l’Université de l’Arkansas. Selon le premier auteur Paul Thibado, leur étude prouve rigoureusement que les fluctuations thermiques du graphène autonome, lorsqu’il est connecté à un circuit avec des diodes ayant une résistance non linéaire et des condensateurs de stockage, produisent un travail utile en chargeant les condensateurs de stockage.
Les auteurs ont découvert que lorsque les condensateurs de stockage ont une charge initiale de zéro, le circuit puise de l’énergie dans l’environnement thermique pour les charger.
L’équipe a ensuite montré que le système satisfait à la fois aux première et deuxième lois de la thermodynamique tout au long du processus de charge. Ils ont également découvert que des condensateurs de stockage plus grands produisent plus de charge stockée et qu’une capacité de graphène plus petite fournit à la fois un taux de charge initial plus élevé et un temps de décharge plus long. Ces caractéristiques sont importantes car elles laissent le temps de déconnecter les condensateurs de stockage du circuit de récupération d’énergie avant que la charge nette ne soit perdue.
Cette dernière publication s’appuie sur deux des études précédentes du groupe. Le premier a été publié en 2016 Lettres d’examen physique. Dans cette étude, Thibado et ses co-auteurs ont identifié les propriétés vibratoires uniques du graphène et son potentiel de récupération d’énergie.
Le second a été publié dans un 2020 Examen physique E article dans lequel ils discutent d’un circuit utilisant du graphène qui peut fournir une alimentation propre et illimitée pour de petits appareils ou capteurs.
Cette dernière étude va encore plus loin en établissant mathématiquement la conception d’un circuit capable de capter l’énergie de la chaleur de la terre et de la stocker dans des condensateurs pour une utilisation ultérieure.
« Théoriquement, c’est ce que nous voulions prouver », a expliqué Thibado. « Il existe des sources d’énergie bien connues, telles que les gradients cinétiques, solaires, de rayonnement ambiant, acoustiques et thermiques. Maintenant, il y a aussi l’énergie thermique non linéaire. Habituellement, les gens imaginent que l’énergie thermique nécessite un gradient de température. C’est, bien sûr , une source importante de puissance pratique, mais ce que nous avons trouvé est une nouvelle source de puissance qui n’a jamais existé auparavant. Et cette nouvelle puissance ne nécessite pas deux températures différentes car elle existe à une seule température.
En plus de Thibado, les co-auteurs incluent Pradeep Kumar, John Neu, Surendra Singh et Luis Bonilla. Kumar et Singh sont également professeurs de physique à l’Université de l’Arkansas, Neu à l’Université de Californie à Berkeley et Bonilla à l’Université Carlos III de Madrid.
Représentation du courant thermique non linéaire. 1 crédit
Une décennie d’enquête
L’étude représente la solution à un problème que Thibado étudie depuis plus d’une décennie, lorsque lui et Kumar ont suivi pour la première fois le mouvement dynamique des ondulations dans le graphène autonome au niveau atomique. Découvert en 2004, le graphène est une feuille de graphite d’une épaisseur d’un atome. Le duo a observé que le graphène autonome a une structure ondulée, chaque ondulation se retournant de haut en bas en réponse à la température ambiante.
« Plus quelque chose est mince, plus il est flexible », a déclaré Thibado. « Et avec un seul atome d’épaisseur, il n’y a rien de plus flexible. C’est comme un trampoline, qui monte et descend constamment. Si vous voulez l’empêcher de bouger, vous devez le refroidir à 20 Kelvin. »
Ses efforts actuels dans le développement de cette technologie se concentrent sur la construction d’un appareil qu’il appelle un Graphene Energy Harvester (ou GEH). GEH utilise une feuille de graphène chargée négativement suspendue entre deux électrodes métalliques.
Lorsque le graphène se retourne, il induit une charge positive dans l’électrode supérieure. Lorsqu’il bascule vers le bas, il charge positivement l’électrode inférieure, créant un courant alternatif. Avec des diodes câblées en opposition, permettant au courant de circuler dans les deux sens, des chemins séparés sont fournis à travers le circuit, produisant un courant continu pulsé qui exécute un travail sur une résistance de charge.
Applications commerciales
NTS Innovations, une société spécialisée dans les nanotechnologies, détient la licence exclusive pour développer GEH en produits commerciaux. Parce que les circuits GEH sont si petits, d’une taille de quelques nanomètres, ils sont idéaux pour la duplication en masse sur des puces de silicium. Lorsque plusieurs circuits GEH sont intégrés sur une puce dans des matrices, plus de puissance peut être produite. Ils peuvent également fonctionner dans de nombreux environnements, ce qui les rend particulièrement attrayants pour les capteurs sans fil dans des endroits où le remplacement des piles est peu pratique ou coûteux, comme un système de canalisations souterraines ou des conduits de câbles à l’intérieur d’un avion.
Donald Meyer, fondateur et PDG de NTS Innovations, a déclaré : « Les recherches de Paul renforcent notre conviction que nous sommes sur la bonne voie avec Graphene Energy Harvesting. Nous apprécions notre partenariat avec l’Université de l’Arkansas pour commercialiser cette technologie.
Ryan McCoy, vice-président des ventes et du marketing de NTS Innovations, a ajouté : « Il existe une forte demande dans l’industrie électronique pour réduire les facteurs de forme et réduire la dépendance aux batteries et à l’alimentation filaire. Nous pensons que la récolte d’énergie du graphène aura un impact profond sur les deux. »
À propos du long chemin parcouru pour faire sa dernière percée théorique, Thibado a déclaré : « Il y avait toujours cette question là-bas : ‘Si notre appareil au graphène est dans un environnement vraiment calme et vraiment sombre, récolterait-il de l’énergie ou non ?’ La réponse conventionnelle à cette question est non, car cela défie apparemment les lois de la physique. Mais la physique n’a jamais été examinée attentivement. »
« Je pense que les gens avaient un peu peur du sujet à cause de Feynman. Alors, tout le monde a juste dit: » Je ne touche pas à ça. Mais la question ne cessait de réclamer notre attention. Honnêtement, sa solution n’a été trouvée que grâce à la persévérance et à la diversité des approches de notre équipe unique. »
Plus d’information:
PM Thibado et al, Charger des condensateurs à partir de fluctuations thermiques à l’aide de diodes, Examen physique E (2023). DOI : 10.1103/PhysRevE.108.024130