Wetenschappers ontwerpen een nieuw niet-lineair circuit om schone energie te oogsten met behulp van grafeen

Het verkrijgen van nuttig werk uit willekeurige fluctuaties in een systeem bij thermisch evenwicht werd lange tijd als onmogelijk beschouwd. In feite stopte de eminente Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman in de jaren zestig effectief verder onderzoek nadat hij in een reeks lezingen betoogde dat de Brownse beweging, of de thermische beweging van atomen, geen nuttig werk kan verrichten.

Nu, een nieuwe studie gepubliceerd in Fysieke beoordeling E getiteld “Condensatoren opladen door thermische fluctuaties met behulp van diodes” heeft bewezen dat Feynman iets belangrijks heeft gemist.

Drie van de vijf auteurs van het artikel zijn afkomstig van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Arkansas. Volgens eerste auteur Paul Thibado bewijst hun studie rigoureus dat thermische fluctuaties van vrijstaand grafeen, wanneer aangesloten op een circuit met diodes met niet-lineaire weerstand en opslagcondensatoren, nuttig werk opleveren door de opslagcondensatoren op te laden.

De auteurs ontdekten dat wanneer de opslagcondensatoren een initiële lading van nul hebben, het circuit stroom uit de thermische omgeving haalt om ze op te laden.

Het team toonde vervolgens aan dat het systeem gedurende het hele laadproces voldoet aan zowel de eerste als de tweede wet van de thermodynamica. Ze ontdekten ook dat grotere opslagcondensatoren meer opgeslagen lading opleveren en dat een kleinere grafeencapaciteit zorgt voor zowel een hogere initiële oplaadsnelheid als een langere tijd om te ontladen. Deze kenmerken zijn belangrijk omdat ze tijd geven om de opslagcondensatoren los te koppelen van het energieoogstcircuit voordat de netto lading verloren gaat.

Deze nieuwste publicatie bouwt voort op twee eerdere studies van de groep. De eerste verscheen in 2016 Fysieke beoordelingsbrieven. In die studie identificeerden Thibado en zijn co-auteurs de unieke trillingseigenschappen van grafeen en zijn potentieel voor het oogsten van energie.

De tweede verscheen in 2020 Fysieke beoordeling E artikel waarin ze een circuit met grafeen bespreken dat schone, onbeperkte stroom kan leveren voor kleine apparaten of sensoren.

Deze nieuwste studie gaat zelfs nog verder door wiskundig het ontwerp vast te stellen van een circuit dat in staat is om energie uit de warmte van de aarde te verzamelen en op te slaan in condensatoren voor later gebruik.

“Theoretisch was dit wat we wilden bewijzen”, legt Thibado uit. “Er zijn bekende energiebronnen, zoals kinetische, zonne-, omgevingsstraling, akoestische en thermische gradiënten. Nu is er ook niet-lineair thermisch vermogen. Gewoonlijk denken mensen dat thermisch vermogen een temperatuurgradiënt vereist. Dat wil zeggen, natuurlijk , een belangrijke bron van praktische kracht, maar wat we hebben gevonden is een nieuwe krachtbron die nog nooit eerder heeft bestaan. En deze nieuwe kracht vereist geen twee verschillende temperaturen omdat het bij één enkele temperatuur bestaat.”

Naast Thibado zijn co-auteurs Pradeep Kumar, John Neu, Surendra Singh en Luis Bonilla. Kumar en Singh zijn ook natuurkundeprofessoren aan de Universiteit van Arkansas, Neu aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en Bonilla aan de Universidad Carlos III de Madrid.

Een decennium van onderzoek

De studie vertegenwoordigt de oplossing voor een probleem dat Thibado al meer dan tien jaar bestudeert, toen hij en Kumar voor het eerst de dynamische beweging van rimpelingen in vrijstaand grafeen op atomair niveau volgden. Grafeen, ontdekt in 2004, is een vel grafiet van één atoom dik. Het duo merkte op dat vrijstaand grafeen een gegolfde structuur heeft, waarbij elke rimpel op en neer klapt als reactie op de omgevingstemperatuur.

“Hoe dunner iets is, hoe flexibeler het is,” zei Thibado. “En met slechts één atoom dik is er niets flexibeler. Het is als een trampoline die constant op en neer beweegt. Als je wilt voorkomen dat hij beweegt, moet je hem afkoelen tot 20 Kelvin.”

Zijn huidige inspanningen bij de ontwikkeling van deze technologie zijn gericht op het bouwen van een apparaat dat hij een Graphene Energy Harvester (of GEH) noemt. GEH gebruikt een negatief geladen vel grafeen dat tussen twee metalen elektroden hangt.

Wanneer het grafeen omhoog klapt, induceert het een positieve lading in de bovenste elektrode. Wanneer het naar beneden klapt, laadt het de onderste elektrode positief op, waardoor een wisselstroom ontstaat. Met diodes die in tegengestelde richting zijn geschakeld, waardoor de stroom in beide richtingen kan stromen, zijn er afzonderlijke paden door het circuit, waardoor een pulserende gelijkstroom wordt geproduceerd die werk verricht op een belastingsweerstand.

Commerciele applicaties

NTS Innovations, een bedrijf gespecialiseerd in nanotechnologie, bezit de exclusieve licentie om GEH te ontwikkelen tot commerciële producten. Omdat GEH-circuits zo klein zijn, slechts enkele nanometers groot, zijn ze ideaal voor massale duplicatie op siliciumchips. Wanneer meerdere GEH-circuits in arrays op een chip zijn ingebed, kan er meer vermogen worden geproduceerd. Ze kunnen ook in veel omgevingen worden gebruikt, waardoor ze bijzonder aantrekkelijk zijn voor draadloze sensoren op locaties waar het vervangen van batterijen onhandig of duur is, zoals een ondergronds leidingsysteem of kabelgoten in het interieur van vliegtuigen.

Donald Meyer, oprichter en CEO van NTS Innovations, zei: “Het onderzoek van Paul versterkt onze overtuiging dat we op de goede weg zijn met Graphene Energy Harvesting. We waarderen onze samenwerking met de Universiteit van Arkansas bij het op de markt brengen van deze technologie.”

Ryan McCoy, vice-president verkoop en marketing van NTS Innovations, voegde hieraan toe: “Er is een brede vraag in de elektronica-industrie om vormfactoren te verkleinen en de afhankelijkheid van batterijen en bekabelde stroom te verminderen. Wij geloven dat Graphene Energy Harvesting een grote impact zal hebben op beide. ”

Over de lange weg naar zijn laatste theoretische doorbraak zei Thibado: “Er was altijd de vraag: ‘Als ons grafeenapparaat zich in een heel stille, heel donkere omgeving bevindt, zou het dan energie oogsten of niet?’ Het conventionele antwoord daarop is nee, omdat het blijkbaar de wetten van de fysica tart. Maar de fysica was nooit zorgvuldig bekeken.’

“Ik denk dat mensen een beetje bang waren voor het onderwerp vanwege Feynman. Dus iedereen zei gewoon: ‘Daar kom ik niet aan.’ Maar de vraag bleef onze aandacht opeisen. Eerlijk gezegd, de oplossing werd alleen gevonden door het doorzettingsvermogen en de diverse benaderingen van ons unieke team.”