Durchbruch in Studie Nichtlinearer Schaltkreis gewinnt saubere Energie aus Graphen

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In einer Studie stellen Forscher der Universität von Arkansas einen nichtlinearen Schaltkreis vor, der saubere Energie aus der thermischen Bewegung von Graphen gewinnt.

Nützliche Arbeit aus zufälligen Fluktuationen in einem System im thermischen Gleichgewicht zu gewinnen, galt lange Zeit als unmöglich. In den 1960er-Jahren stellte der bedeutende amerikanische Physiker Richard Feynman weitere dahin gehende Untersuchungen ein, nachdem er in einer Reihe von Vorlesungen argumentiert hatte, dass die Brownsche Bewegung, also die thermische Bewegung von Atomen, keine nützliche Arbeit leisten kann.

Eine neue Studie mit dem Titel „Charging capacitors from thermal fluctuations using diodes, die in der Zeitschrift „Physical Review E“ veröffentlicht wurde, hat nun bewiesen, dass Feynman etwas Wichtiges übersehen hat.

Drei der fünf Autoren der Studie stammen von der Fakultät für Physik der Universität von Arkansas. Laut dem Erstautor Paul Thibado beweist ihre Studie eindeutig, dass thermische Fluktuationen von frei stehendem Graphen, wenn sie an einen Schaltkreis mit Dioden mit nicht linearem Widerstand und Speicherkondensatoren angeschlossen sind, nützliche Arbeit erzeugen, indem sie die Speicherkondensatoren aufladen.

Die Autoren fanden heraus, dass die Schaltung Energie aus der thermischen Umgebung bezieht, um die Speicherkondensatoren aufzuladen, wenn diese eine Anfangsladung von Null haben. Das Team zeigte dann, dass das System während des gesamten Ladevorgangs sowohl den ersten als auch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik erfüllt.

Sie fanden auch heraus, dass größere Speicherkondensatoren mehr gespeicherte Ladung liefern und dass eine kleinere Graphenkapazität sowohl eine höhere anfängliche Laderate als auch eine längere Zeit bis zur Entladung ermöglicht. Diese Eigenschaften sind wichtig, weil sie die Zeit ermöglichen, die Speicherkondensatoren von der Energiegewinnungsschaltung zu trennen, bevor die Nettoladung verloren geht.

Diese jüngste Veröffentlichung baut auf zwei früheren Studien der Gruppe auf. Die erste wurde 2016 in einem Artikel der „Physical Review Letters“ mit dem Titel „Anomalous Dynamical Behavior of Freestanding Graphene Membranes“ veröffentlicht. In dieser Studie identifizierten Thibado und seine Co-Autoren die einzigartigen Schwingungseigenschaften von Graphen und sein Potenzial für die Energiegewinnung.

Die zweite Studie wurde in einem Artikel in Physical Review E aus dem Jahr 2020 mit dem Titel „Fluctuation-induced current from freestanding graphene“ veröffentlicht, in dem sie einen Schaltkreis mit Graphen beschreiben, der sauberen, unbegrenzten Strom für kleine Geräte oder Sensoren liefern kann.

Diese jüngste Studie geht sogar noch weiter, indem sie den Entwurf eines Schaltkreises mathematisch festlegt, der in der Lage ist, Energie aus der Erdwärme zu gewinnen und sie in Kondensatoren zur späteren Verwendung zu speichern.

„Theoretisch war es das, was wir nachweisen wollten“, erklärt Thibado. „Es gibt bekannte Energiequellen wie kinetische Energie, Sonnenenergie, Umgebungsstrahlung, akustische Energie und Wärmegradienten. Jetzt gibt es auch nicht lineare thermische Energie.“

„Normalerweise stellt man sich vor, dass thermische Energie einen Temperaturgradienten erfordert. Das ist natürlich eine wichtige praktische Energiequelle, aber wir haben eine neue Energiequelle gefunden, die es bisher noch nicht gab. Und für diese neue Energie sind nicht zwei verschiedene Temperaturen erforderlich, da sie bei einer einzigen Temperatur existiert.“

Zu den Co-Autoren gehören neben Thibado auch Pradeep Kumar, John Neu, Surendra Singh und Luis Bonilla. Kumar und Singh sind auch Physikprofessoren an der Universität von Arkansas, Neu ist an der Universität von Kalifornien, Berkeley, und Bonilla an der Universidad Carlos III de Madrid.

Ein Jahrzehnt der Forschung

Die Studie stellt die Lösung eines Problems dar, mit dem sich Thibado seit mehr als einem Jahrzehnt beschäftigt, als er und Kumar erstmals die dynamische Bewegung von Wellen in frei stehendem Graphen auf atomarer Ebene verfolgten. Bei dem 2004 entdeckten Graphen handelt es sich um eine ein Atom dicke Schicht aus Grafit. Das Duo beobachtete, dass frei stehendes Graphen eine gewellte Struktur aufweist, wobei sich jede Welle als Reaktion auf die Umgebungstemperatur auf und ab bewegt.

„Je dünner etwas ist, desto flexibler ist es“, sagte Thibado. „Und bei einer Dicke von nur einem Atom gibt es nichts Flexibleres. Es ist wie ein Trampolin, das sich ständig auf und ab bewegt. Wenn man die Bewegung stoppen will, muss man es auf 20 Kelvin abkühlen.“

Seine derzeitigen Bemühungen bei der Entwicklung dieser Technologie konzentrieren sich auf den Bau eines Geräts, das er 'Graphene Energy Harvester' (GEH) nennt. Der GEH verwendet eine negativ geladene Graphenschicht, die sich zwischen zwei Metallelektroden befindet.

Wenn das Graphen nach oben geklappt wird, wird die obere Elektrode positiv geladen. Wenn es nach unten klappt, lädt es die untere Elektrode positiv auf, wodurch ein Wechselstrom entsteht. Mit entgegengesetzt geschalteten Dioden, die den Strom in beide Richtungen fließen lassen, werden getrennte Pfade durch den Stromkreis geschaffen, die einen pulsierenden Gleichstrom erzeugen, der an einem Lastwiderstand Arbeit verrichtet.

Kommerzielle Anwendungen

NTS Innovations, ein auf Nanotechnologie spezialisiertes Unternehmen, besitzt die Exklusivlizenz für die Entwicklung von GEH in kommerziellen Produkten. Da GEH-Schaltungen so klein sind, nur wenige Nanometer groß, eignen sie sich ideal für die Massenvervielfältigung auf Siliziumchips.

Wenn mehrere GEH-Schaltkreise in Arrays auf einem Chip eingebettet sind, kann mehr Leistung erzeugt werden. Außerdem können sie in vielen Umgebungen betrieben werden, was sie besonders attraktiv für drahtlose Sensoren an Orten macht, an denen ein Batteriewechsel unpraktisch oder teuer ist, wie zum Beispiel in unterirdischen Rohrsystemen oder in den internen Kabelschächten von Flugzeugen.

Donald Meyer, Gründer und CEO von NTS Innovations, sagte über Thibados jüngste 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 Universität von Arkansas, um diese Technologie auf den Markt zu bringen.“

Ryan McCoy, Vizepräsident für Vertrieb und Marketing bei NTS Innovations, fügte hinzu: „In der Elektronikindustrie besteht eine breite Nachfrage nach immer kleineren Formfaktoren und einer geringeren Abhängigkeit von Batterien und kabelgebundener Energie. Wir glauben, dass Graphene Energy Harvesting einen tiefgreifenden Einfluss auf beides haben wird.“

Über den langen Weg bis zu seinem jüngsten theoretischen Durchbruch sagte Thibado: „Es gab da draußen immer diese Frage: Wenn unser Graphengerät in einer wirklich ruhigen, wirklich dunklen Umgebung ist, würde es dann Energie ernten oder nicht?“

Die konventionelle Antwort darauf ist nein, da es offensichtlich den Gesetzen der Physik widerspricht. Aber diese Physik wurde nie genau untersucht. Ich glaube, die Leute hatten wegen Feynman ein wenig Angst vor diesem Thema. Also sagten alle: 'Das fasse ich nicht an'. Aber die Frage verlangte einfach unsere Aufmerksamkeit. Ehrlich gesagt, wurde die Lösung nur durch die Beharrlichkeit und die verschiedenen Ansätze unseres einzigartigen Teams gefunden.“

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(mbf)

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