Circuit genereert eindeloos veel schone energie uit grafeen

De resultaten zijn gepubliceerd in Physical Review E.

"Het zou in een chip kunnen worden ingebouwd om schone, grenzeloze laagspanningsstroom te leveren voor kleine apparaten of sensoren", zegt hoofdonderzoeker Paul Thibado.

De bevindingen zijn het bewijs van een theorie die de natuurkundigen drie jaar geleden ontwikkelden dat vrijstaand grafeen rimpelt en kromtrekt op een manier die veelbelovend is voor het oogsten van energie.

Het idee om energie te oogsten uit grafeen is controversieel omdat het de bekende bewering van natuurkundige Richard Feynman weerlegt dat de thermische beweging van atomen, bekend als Brownse beweging, niet kan werken. Het team van Thibado ontdekte dat de thermische beweging van grafeen bij kamertemperatuur in feite een wisselstroom (AC) induceert in een circuit, een prestatie die als onmogelijk werd beschouwd.

In de jaren vijftig publiceerde natuurkundige Léon Brillouin een historisch document waarin hij het idee weerlegde dat het toevoegen van een enkele diode aan een circuit de oplossing is om energie uit de Brownse beweging te halen. Dit wetende, bouwde de groep van Thibado hun circuit met twee diodes voor het omzetten van wisselstroom in gelijkstroom (DC). Met de diodes tegenover elkaar waardoor de stroom in beide richtingen kan stromen, bieden ze afzonderlijke paden door het circuit en produceren ze een pulserende gelijkstroom die werk verricht op een belastingsweerstand.

Bovendien ontdekten ze dat hun ontwerp de hoeveelheid geleverde stroom verhoogde. "We ontdekten ook dat het aan-uit-schakelaargedrag van de diodes het geleverde vermogen in feite versterkt in plaats van het te verminderen, zoals eerder werd gedacht", aldus Thibado. "De snelheid waarmee de weerstand door de diodes verandert, voegt een extra factor toe aan het vermogen."

Het team gebruikte een relatief nieuw veld in de fysica om te bewijzen dat de diodes het vermogen van het circuit vergrootten. "We hebben geput uit het opkomende veld van de stochastische thermodynamica en de bijna eeuwenoude, gevierde theorie van Nyquist uitgebreid", aldus co-auteur Pradeep Kumar.

Volgens Kumar hebben het grafeen en het circuit een symbiotische relatie. Hoewel de thermische omgeving werk verricht aan de belastingsweerstand, hebben het grafeen en het circuit dezelfde temperatuur en stroomt er geen warmte tussen de twee.

Dat is een belangrijk onderscheid, zei Thibado, omdat een temperatuurverschil tussen het grafeen en het circuit, in een circuit dat stroom produceert, in tegenspraak zou zijn met de tweede wet van de thermodynamica. "Dit betekent dat de tweede wet van de thermodynamica niet wordt geschonden, en het is ook niet nodig om te beweren dat ‘Maxwell’s Demon’ warme en koude elektronen scheidt," zei Thibado.

Lage frequenties

Het team ontdekte ook dat de relatief langzame beweging van grafeen stroom in het circuit induceert bij lage frequenties, wat belangrijk is vanuit een technologisch perspectief omdat elektronica efficiënter werkt bij lagere frequenties.

"Mensen denken misschien dat de stroom die in een weerstand vloeit, ervoor zorgt dat deze opwarmt, maar de Brownse stroom niet. In feite, als er geen stroom vloeide, zou de weerstand afkoelen", legt Thibado uit. "Wat we deden was de stroom in het circuit omleiden en omzetten in iets nuttigs."

Batterij met laag vermogen

Het volgende doel van het team is om te bepalen of de gelijkstroom kan worden opgeslagen in een condensator voor later gebruik, een doel waarvoor het circuit moet worden geminiaturiseerd en op een siliciumwafer of chip moet worden aangebracht. Als miljoenen van deze kleine schakelingen zouden kunnen worden gebouwd op een chip van 1 millimeter bij 1 millimeter, zouden ze kunnen dienen als vervanging van een batterij met een laag vermogen.