Dobivanje korisnog rada iz slučajnih fluktuacija u sustavu pri termičkoj ravnoteži dugo se smatralo nemogućim. Zapravo, šezdesetih godina prošlog stoljeća ugledni američki fizičar Richard Feynman učinkovito je obustavio daljnja istraživanja nakon što je u nizu predavanja tvrdio da Brownovo gibanje ili termičko kretanje atoma ne može obavljati koristan rad.
No, nova studija objavljena u Physical Review E pod naslovom “Punjenje kondenzatora iz termičkih fluktuacija pomoću dioda” dokazala je da je Feynman nešto važno propustio.
Troje od pet autora rada dolaze iz Odjela za fiziku Sveučilišta u Arkansasu. Prema prvom autoru Paulu Thibadu, njihova studija rigorozno dokazuje da termičke fluktuacije slobodno stojećeg grafena, kada su spojene na krug s diodama koje imaju nelinearni otpor i kondenzatore za pohranu, proizvode koristan rad punjenjem kondenzatora za pohranu.
Autori su otkrili da kada kondenzatori za pohranu imaju početno punjenje nula, krug crpi energiju iz termičkog okoliša kako bi ih napunio.
Zatim su pokazali da sustav tijekom postupka punjenja zadovoljava prvi i drugi zakon termodinamike. Također su otkrili da veći kondenzatori za pohranu daju više pohranjenog naboja, a manja kapacitivnost grafena pruža i veću početnu brzinu punjenja i duže vrijeme pražnjenja. Ove karakteristike su važne jer omogućuju odvajanje kondenzatora za pohranu od kruga za prikupljanje energije prije nego što se neto naboj izgubi.
Ovaj rad nadovezuje se na dvije prethodne studije. Prva je objavljena u Physical Review Letters 2016. godine. U toj studiji, Thibado i njegovi koautori identificirali su jedinstvena vibracijska svojstva grafena i njegov potencijal za prikupljanje energije.
Druga je objavljena u članku Physical Review E iz 2020. u kojem raspravljaju o krugu koji koristi grafen i koji može osigurati čistu, neograničenu energiju za male uređaje ili senzore.
Ova najnovija studija ide čak i dalje postavljanjem matematičkog dizajna kruga sposobnog za prikupljanje energije iz topline Zemlje i njenog pohranjivanja u kondenzatore za kasniju upotrebu.
“Teoretski, to je ono što smo željeli dokazati,” objasnio je Thibado. “Postoje poznati izvori energije, poput kinetičke, solarne, ambijentalne radijacije, akustične i termičke razlike. Sada postoji i nelinearna termička snaga. Obično ljudi zamišljaju da termička energija zahtijeva temperaturni gradijent. To je, naravno, važan izvor praktične energije, ali ono što smo mi otkrili je novi izvor energije koji prije nikada nije postojao. I ova nova energija ne zahtijeva dvije različite temperature jer postoji na jednoj temperaturi.”
Osim Thibada, koautori uključuju Pradeepa Kumara, Johna Neua, Surendru Singha i Luisa Bonillu. Kumar i Singh su također profesori fizike na Sveučilištu u Arkansasu, Neu na Sveučilištu u Kaliforniji, Berkeley, a Bonilla na Universidad Carlos III de Madrid.
Studija predstavlja rješenje problema kojim se Thibado bavio više od desetljeća, kada su on i Kumar prvi put pratili dinamičko kretanje valova u slobodno stojećem grafenu na atomskoj razini. Otkriven 2004. godine, grafen je list grafitne debljine od jednog atoma. Dvojac je primijetio da slobodno stojeći grafen ima valovitu strukturu, pri čemu svaki val preskače gore i dolje u odnosu na ambijentalnu temperaturu.
“Što je nešto tanje, to je fleksibilnije,” rekao je Thibado. “A s debljinom od samo jednog atoma, ništa nije fleksibilnije. To je poput trampolina, konstantno se kreće gore-dolje. Ako želite zaustaviti njegovo kretanje, morate ga ohladiti na 20 Kelvin-a.”
Njegovi trenutačni napori u razvoju ove tehnologije usmjereni su na izgradnju uređaja kojeg naziva Grafički skupljač energije (ili GEH). GEH koristi negativno nabijeni list grafena suspendiran između dvije metalne elektrode.
Kada grafen skoči prema gore, inducira pozitivni naboj u gornjoj elektrodi. Kada skoči prema dolje, pozitivno nabiže donju elektrodu, stvarajući izmjeničnu struju. S diodama žičanim u opoziciji, omogućujući struji da teče u oba smjera, pružaju se odvojeni putevi kroz krug, proizvodeći pulsirajuću DC struju koja obavlja rad na opterećenom otporniku.
NTS Innovations, tvrtka specijalizirana za nanotehnologiju, ima ekskluzivnu licencu za razvoj GEH-a u komercijalne proizvode. Budući da su GEH krugovi tako mali, samo nanometara veličine, idealni su za masovnu duplikaciju na silicijskim čipovima. Kada su višestruki GEH krugovi ugrađeni na čip u nizovima, može se proizvesti više energije. Također mogu raditi u mnogim okruženjima, što ih čini posebno atraktivnim za bežične senzore na mjestima gdje je zamjena baterija nezgodna ili skupa, kao što su podzemni cjevovodni sustavi ili unutarnji kabelski kanali zrakoplova.
Donald Meyer, osnivač i izvršni direktor tvrtke NTS Innovations, rekao je: “Paulova istraživanja potvrđuju naše uvjerenje da smo na pravom putu. Cijenimo naše partnerstvo sa Sveučilištem u Arkansasu kako bismo ovu tehnologiju doveli na tržište.”
Ryan McCoy, potpredsjednik NTS Innovationsa zadužen za prodaju i marketing, dodao je: “Postoji široka potražnja u industriji elektronike da se smanje oblici faktora i smanji ovisnost o baterijama i žičanoj energiji. Vjerujemo da će ova tehnologijia imati snažan utjecaj na oba.”
O dugom putu do njegova posljednjeg teoretskog proboja, Thibado je rekao: “Uvijek je postojalo ovo pitanje: ‘Ako je naš uređaj od grafena u vrlo tihoj, vrlo tamnoj okolini, hoće li prikupljati energiju ili ne?’ Konvencionalni odgovor na to je ne, jer naizgled proturječi zakonima fizike. Ali ova vrsta fizike nikada nije bila pažljivo promatrana.”
“Mislim da su ljudi malo bili uplašeni temom zbog Feynmana. Dakle, svi su samo rekli: ‘Neću se time baviti.’ Ali pitanje je neprestano tražilo našu pažnju. Iskreno, rješenje je pronađeno samo kroz upornost i različite pristupe naše jedinstvene ekipe.”
Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram –t.me/kozmoshr
