Durchbruch bei sauberer Energie: „Unmögliche“ Energieerzeugung mit Graphen stellt Jahrhunderte vor Herausforderungen

Ein Forscherteam berichtet, dass es ihnen gelungen ist, einen seit langem vertretenen Grundsatz der modernen Physik zu widerlegen – dass aus zufälligen thermischen Fluktuationen keine nützliche Arbeit gewonnen werden kann –, was zum Teil den einzigartigen Eigenschaften von Graphen zu verdanken ist.

Die mikroskopische Bewegung von Partikeln in einer Flüssigkeit, die aufgrund ihrer Entdeckung durch den schottischen Wissenschaftler Robert Brown auch als Brownsche Bewegung bekannt ist, galt lange Zeit als unmögliches Mittel zur Erzeugung nützlicher Arbeit.

Die Idee wurde vor Jahrzehnten vor allem durch den Physiker Richard Feynman zunichte gemacht, der im Mai 1962 ein Gedankenexperiment mit einem scheinbaren Perpetuum mobile, einer so genannten Brownschen Ratsche, vorschlug.

Theoretisch würde dieses Gerät aus einem Zahnrad und einer Ratsche bestehen, die beim Eintauchen in ein Wärmebad vibriert und eine Bewegung nur in eine Richtung zulässt. Die Voraussetzung ist, dass die unidirektionale Bewegung ohne jeglichen Wärmegradienten eine Kraft erzeugen würde, was scheinbar dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik widerspricht. Feynman argumentierte jedoch, dass es zwangsläufig zu Fehlern in der Funktionsweise der Maschine kommen werde, da auch die Komponenten der Maschine eine Brownsche Bewegung durchlaufen würden, wodurch jegliche nützliche Arbeit, die sie erzeugen könnte, zunichte gemacht werde.

Nun argumentiert ein Forscherteam der Fakultät für Physik der University of Arkansas, dass sie nachgewiesen haben, dass thermische Fluktuationen in freistehendem Graphen tatsächlich als Teil einer neuartigen neuen Methode genutzt werden können, die die Schaffung nützlicher Arbeiten ermöglicht und damit mehr als ein Jahrhundert herkömmlicher Methoden auf den Kopf stellt Denken in der modernen Physik.

Graphen ist ein Fulleren, das aus einer Graphitschicht mit einer Dicke von nur einem Atom besteht. Aufgrund der welligen Struktur, die freistehendes Graphen besitzt, war es aufgrund seines einzigartigen Verhaltens als Reaktion auf die Umgebungstemperatur ideal für den Einsatz in der Forschung des Teams.

In einer Arbeit, die ihre Entdeckung beschreibt, betrachtet das Team theoretisch „eine Graphenwelle als ein Brownsches Teilchen“, das an einen Energiespeicherkreislauf gekoppelt ist. Wenn der Kreislauf und das Brownsche Teilchen auf einer konstanten Temperatur bleiben, kann gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik keine Energie aus dem Teilchen erzeugt werden. Dies gilt auch dann, wenn eine Gleichrichterdiode in den Stromkreis eingefügt wird.

„Wenn der Schaltkreis jedoch einen Übergang enthält, auf den zwei gegeneinander geschaltete Dioden folgen“, erklären die Autoren des Papiers, „kann die Annäherung an das Gleichgewicht extrem langsam werden.“ Genauer gesagt wird das Gleichgewicht zwischen diesen Elementen vorübergehend unterbrochen, da Strom zwischen einem Diodenpaar fließt, wodurch die Speicherkondensatoren aufgeladen werden.

„Die von jedem Kondensator gewonnene Energie stammt aus dem Wärmebad der Dioden“, erklären die Autoren des Papiers, „während das System dem ersten und zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gehorcht.“ Obwohl also keine thermodynamischen Gesetze außer Kraft gesetzt werden, wird aus der Brownschen Bewegung dennoch nützliche Arbeit erzeugt, ganz im Gegensatz zu Feynmans jahrzehntealten gegenteiligen Argumenten.

Während des Forschungsprozesses entdeckte das Team unter der Leitung des Physikprofessors Paul Thibado von der University of Arkansas, dass größere Kondensatoren zwar mehr gespeicherte Ladung erzeugen, die Verwendung kleinerer Kondensatoren auf Graphenbasis jedoch nicht nur zu Beginn eine höhere Laderate, sondern auch eine höhere Entladerate über einen Zeitraum von 14 Monaten bot längerer Zeitraum – ein wesentlicher Faktor, da die Verwendung der Graphenkapazität auf diese Weise ermöglicht, dass die Speicherkondensatoren vor dem Verlust der Nettoladung vom Stromkreis getrennt werden, der zur Energiegewinnung verwendet wird.

In einer E-Mail an The Debrief erklärte Thibado, dass die neue Energiequelle, die er und seine Kollegen entdeckt hatten, den Physikern so lange entgangen sei, weil die Forscher in den 1960er Jahren mit Einschränkungen konfrontiert waren, als sie frühe Versuche zur Lösung einer partiellen Differentialgleichung machten, die die Physiker lange verwirrt hatten .

„Wir haben diese neue Energiequelle durch die Lösung der Fokker-Planck-Gleichung (FPE) gefunden“, sagt Thibado.

In den 1960er Jahren, etwa zur gleichen Zeit, als Feynman seine Argumente für die Verwendung der Brownschen Bewegung zur Erzeugung nützlicher Arbeit vorlegte, unternahmen Wissenschaftler auch ihre ersten Versuche, die Fokker-Planck-Gleichung zu lösen.

„Das ist eine schwierig zu lösende partielle Differentialgleichung“, sagt Thibado, und bei den Versuchen in den 1960er Jahren standen keine Computer zur Verfügung, um die notwendigen Berechnungen durchzuführen.

„Obwohl in den 1960er Jahren Studien veröffentlicht wurden, wurden Fehler gemacht“, sagte Thibado gegenüber The Debrief. Laut Thibado waren die Hauptprobleme auf die Diode zurückzuführen, die einen nichtlinearen Widerstand aufweist. Aus diesem Grund muss die Fokker-Planck-Gleichung numerisch gelöst werden.

Laut Thibado „würden die meisten Physiker versuchen, die ideale Diodengleichung zu verwenden, aber wir fanden diese Gleichung unrealistisch.“ Dies liegt daran, dass der erzeugte Strom mit der Spannung unbegrenzt wächst.

„Infolgedessen kann die Lösung der Fokker-Planck-Gleichung nicht gefunden werden“, sagte Thibado gegenüber The Debrief. „Ein verbessertes Modell verwendet die ideale Diode, jedoch in Reihe mit einem Widerstand.“

„Wir haben dies genutzt und es hat die numerischen Schwierigkeiten kontrolliert“, sagt Thibdo.

Obwohl seit langem davon ausgegangen wird, dass ein Temperaturgradient eine Voraussetzung für die Erzeugung von Wärmeenergie in herkömmlichen Umgebungen ist, sagte Thibado gegenüber The Debrief, dass er und sein Team dieses Problem überwinden konnten, da die neue Wärmeenergie in der von ihnen entwickelten Methode nichtlinear erzeugt wird Widerstand der Diode.

„Wenn die Diode durch einen Widerstand ersetzt wird, fällt die Stromquelle weg“, erklärte Thibado.

„Es ist jedoch wichtig zu erkennen, dass es sich hierbei um einen vorübergehenden Effekt handelt“, fügte er hinzu. „Viele Wissenschaftler werden sich nur auf den endgültigen thermodynamischen Gleichgewichtszustand des Systems konzentrieren. Das war ein weiterer Fehler.“

„Wir haben alles gelöst“, sagte Thibdao.

„Darüber hinaus haben wir ein spezielles Schaltungslayout gefunden, das ein ultraschnelles Laden der Speicherkondensatoren und gleichzeitig ein ultralangsames Entladen bis zum thermodynamischen Gleichgewicht ermöglicht. Dies gibt Zeit, die Energie für eine Anwendung zu sammeln und sie zu wiederholen.“

Letztendlich stellen die Ergebnisse des Teams die Lösung eines Problems dar, mit dem Thibado mehr als ein Jahrzehnt beschäftigt ist. Er plant nun den Bau eines sogenannten Graphene Energy Harvester (GEH), bei dem eine negativ geladene Graphenschicht zwischen zwei Metallelektroden platziert wird, die einen pulsierenden Gleichstrom erzeugen und so an einem Lastwiderstand arbeiten können.

Der GEH wird in Zusammenarbeit mit dem Nanotechnologieunternehmen NTS Innovations zu kommerziellen Produkten entwickelt.

Die aktuelle Arbeit von Thibado und seinem Team mit dem Titel „Laden von Kondensatoren aus thermischen Schwankungen mithilfe von Dioden“ wurde am 16. August 2023 in Physical Review E veröffentlicht.

Micah Hanks ist Chefredakteur und Mitbegründer von The Debrief. Er ist per E-Mail unter erreichbar[email protected] . Verfolgen Sie seine Arbeit untermicahhanks.comund auf Twitter:@MicahHanks.