Nichtlineare Schaltkreise gewinnen mithilfe von Graphen saubere Energie

Diese Entdeckung stellt mehr als ein Jahrhundert der Physik auf den Kopf, indem sie eine neue Energieform identifiziert, die aus Umgebungswärme gewonnen werden kann Graphen.

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

Allerdings hat Feynman etwas Wichtiges übersehen, wie eine neue, in der Fachzeitschrift veröffentlichte Studie beweist körperliche Untersuchung e Mit dem Titel „Laden von Kondensatoren aus thermischen Schwankungen mithilfe von Dioden“.

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 nichtlinearen Widerstandsdioden und Speicherkondensatoren angeschlossen wird, durch Aufladen der Speicherkondensatoren nützliche Arbeit leisten.

Experimentelle Beweise, die die Entdeckung stützen

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass der Schaltkreis Energie aus der thermischen Umgebung bezieht, um ihn aufzuladen, wenn Speicherkondensatoren eine Anfangsladung von Null haben. Das Team zeigte dann, dass das System während des gesamten Ladevorgangs den ersten und zweiten Hauptsatz der Thermodynamik erfüllte. Sie fanden außerdem heraus, dass größere Speicherkondensatoren mehr gespeicherte Ladung erzeugen und dass die kleinere Graphenkapazität eine höhere anfängliche Laderate und eine längere Entladezeit bietet. Diese Eigenschaften sind wichtig, da sie den Speicherkondensatoren Zeit geben, sich 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 Artikel mit dem Titel „Anomales dynamisches Verhalten freistehender Graphenfilme. In dieser Studie identifizierten Thibadeau und Kollegen die einzigartigen Schwingungseigenschaften von Graphen und seine Fähigkeit, Energie zu gewinnen. Die zweite wurde 2020 veröffentlicht. körperliche Untersuchung e Artikel mit dem Titel „Der durch Fluktuationen verursachte Strom von freistehendem GraphenDarin diskutieren sie einen Schaltkreis mit Graphen, der kleine Geräte oder Sensoren mit sauberem, unbegrenztem Strom versorgen kann.

Diese neueste Studie geht noch einen Schritt weiter, indem sie einen mathematischen Entwurf für einen Schaltkreis erstellt, 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 Tibado. Es gibt bekannte Energiequellen wie kinetische Energie, Sonnenenergie, Umgebungsstrahlung sowie akustische und thermische Gradienten. Mittlerweile gibt es auch nichtlineare Wärmeenergie. Normalerweise stellt man sich vor, dass thermische Energie einen Temperaturgradienten erfordert. Dies ist natürlich eine wichtige Quelle praktischer Kraft, aber was wir gefunden haben, ist eine neue Kraftquelle, die es vorher nicht gab. Diese neue Energie erfordert keine zwei verschiedenen Temperaturen, da sie bei einer Temperatur vorliegt.

Zu den Co-Autoren zählen neben Thibado auch Pradeep Kumar, John Niu, Surendra Singh und Louis Bonilla. Kumar und Singh sind außerdem Professoren für Physik an der University of Arkansas in New Jersey Universität von Kalifornien, Berkeleyund Bonilla an der Universität Carlos III in Madrid.

Jahrzehnt der Forschung

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

„Je dünner das Ding, desto flexibler ist es“, sagte Tibadoux. „Und mit nur einem Atom Dicke gibt es nichts Elastischeres. Es ist wie ein Trampolin, das sich ständig auf und ab bewegt. Wenn man es am Bewegen hindern will, muss man es auf 20 K abkühlen.“

Seine aktuellen Bemühungen zur Entwicklung dieser Technologie konzentrieren sich auf den Bau eines Geräts, das er Graphene Energy Harvester (oder GEH) nennt. GEH verwendet eine Schicht aus negativ geladenem Graphen, die zwischen zwei Metallelektroden aufgehängt ist. Wenn Graphen invertiert wird, erzeugt es eine positive Ladung an der oberen Elektrode. Beim Herunterklappen lädt es die untere Elektrode positiv auf und erzeugt einen Wechselstrom. Durch umgekehrt verdrahtete Dioden, die den Stromfluss in beide Richtungen ermöglichen, werden separate Pfade durch den Stromkreis bereitgestellt, was zu einem gepulsten Gleichstrom führt, der auf den Lastwiderstand wirkt.

kommerzielle Anwendungen

NTS-InnovationenLtd., ein Nanotechnologieunternehmen, besitzt die exklusive Lizenz, GEH zu kommerziellen Produkten zu entwickeln. Da GEH-Schaltkreise so klein sind (nur einen Nanometer groß), eignen sie sich ideal für das Massenkopieren auf Siliziumwafern. Wenn mehrere GEH-Schaltkreise auf einem Chip in Arrays integriert werden, kann mehr Leistung 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 kostspielig ist, beispielsweise in einem unterirdischen Rohrleitungssystem oder in Kabelkanälen im Flugzeuginneren.

Donald Meyer, Gründer und CEO von NTS Innovations, sagte zu Thibados jüngsten Bemühungen: „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 Elektronikindustrie besteht eine weit verbreitete Forderung, die Formfaktoren zu verkleinern und die Abhängigkeit von Batterien und kabelgebundener Stromversorgung zu verringern. Wir glauben, dass Graphene Energy Harvesting einen tiefgreifenden Einfluss auf beides haben wird.“

„Es gab immer die Frage: ‚Wenn sich unser Graphengerät in einer wirklich ruhigen, dunklen Umgebung befindet, wird es dann Energie gewinnen oder nicht?‘“, sagte Thibadeau über den langen Weg zu seinem neuesten theoretischen Durchbruch. Die traditionelle Antwort darauf lautet „Nein“, weil es offenbar den Gesetzen der Physik widerspricht. Aber die Physik wurde nicht sorgfältig geprüft. Ich glaube, die Leute hatten wegen Feynman ein wenig Angst vor dem Thema. Also sagten alle: „Das tue ich nicht.“ Fass das an.‘ Aber die Frage Ein Schatten, die unsere Aufmerksamkeit erforderte. Ehrlich gesagt konnte ihre Lösung nur durch die Beharrlichkeit und die vielfältigen Ansätze unseres einzigartigen Teams gefunden werden.

Referenz: „Charging Capacitors from Thermal Fluctuations Using Diodes“ von PM Thibado, JC Neu, Pradeep Kumar, Surendra Singh und LL Bonilla, 16. August 2023, hier verfügbar. körperliche Untersuchung e.
DOI: 10.1103/PhysRevE.108.024130