Физики создали нелинейную схему для получения чистой энергии с использованием графена
Получение полезной работы от случайных колебаний в системе при тепловом равновесии долгое время считалось невозможным. В 1960-х годах выдающийся американский физик Ричард Фейнман фактически прекратил дальнейшие исследования после того, как в серии лекций он утверждал, что броуновское движение, или тепловое движение атомов, не может выполнять полезную работу.
Теперь новое исследование, опубликованное в Physical Review E под названием «Зарядка конденсаторов от тепловых колебаний с использованием диодов», доказало, что Фейнман упустил нечто важное.
Трое из пяти авторов статьи — сотрудники физического факультета Университета Арканзаса. По словам первого автора работы Пола Тибадо, их исследование убедительно доказывает, что тепловые колебания автономного графена при подключении к цепи с диодами, имеющими нелинейное сопротивление, и накопительными конденсаторами действительно производят полезную работу, заряжая накопительные конденсаторы.
Авторы обнаружили, что, когда накопительные конденсаторы имеют начальный заряд, равный нулю, схема черпает энергию из тепловой среды для их зарядки.
Затем ученые показали, что система удовлетворяет как первому, так и второму законам термодинамики на протяжении всего процесса зарядки.
Они также обнаружили, что накопительные конденсаторы большего размера дают больше накопленного заряда, а меньшая графеновая емкость обеспечивает как более высокую начальную скорость зарядки, так и более длительное время разряда. Эти характеристики важны, потому что они позволяют вовремя отключить накопительные конденсаторы от схемы сбора энергии до потери суммарного заряда.
«Существуют хорошо известные источники энергии, такие как кинетическое, солнечное, окружающее излучение, акустические и тепловые градиенты. Теперь существует также нелинейная тепловая энергия. Обычно люди воображают, что для тепловой энергии необходим температурный градиент. Это, конечно, важный источник практической энергии, но то, что мы нашли, — это новый источник энергии, которого раньше никогда не существовало. И эта новая энергия не требует двух разных температур, потому что она существует при одной температуре» — говорят исследователи.
Исследование представляет собой решение проблемы, которую команда изучала более десяти лет, когда они впервые отследили динамическое движение ряби в отдельно стоящем графене на атомном уровне. Обнаруженный в 2004 году графен представляет собой лист графита толщиной в один атом. Ученые наблюдали, что отдельно стоящий графен имеет волнистую структуру, причем каждая рябь поднимается и опускается в зависимости от температуры окружающей среды.
«Чем что-то тоньше, тем оно более гибкое», — сказал Пол Тибадо. «И при толщине всего в один атом нет ничего более гибкого. Это похоже на батут, постоянно движущийся вверх и вниз. Если вы хотите остановить его движение, вы должны охладить его до 20 Кельвинов».
В настоящее время усилия по разработке этой технологии сосредоточены на создании устройства, которое ученые называют Graphene Energy Harvester (или GEH).
GEH использует отрицательно заряженный лист графена, подвешенный между двумя металлическими электродами.
Когда графен переворачивается вверх, он индуцирует положительный заряд в верхнем электроде. Когда он переворачивается вниз, он положительно заряжает нижний электрод, создавая переменный ток. Поскольку диоды подключены противоположно, что позволяет току течь в обе стороны, в цепи предусмотрены отдельные пути, создающие пульсирующий постоянный ток, который выполняет работу с нагрузочным резистором.
Коммерческое применение
NTS Innovations, компания, специализирующаяся на нанотехнологиях, владеет эксклюзивной лицензией на разработку GEH в коммерческих продуктах.
Поскольку GEH-схемы очень маленькие, размером всего в нанометр, они идеально подходят для массового дублирования на кремниевых чипах. Когда несколько GEH-схем встроены в чип в виде массивов, можно вырабатывать больше энергии.
Они также могут работать во многих средах, что делает их особенно привлекательными для беспроводных датчиков в местах, где замена батарей неудобна или дорогостояща, таких как подземная система трубопроводов или кабельные каналы внутри самолета.