Forskere designer et nyt ikke-lineært kredsløb til at høste ren strøm ved hjælp af grafen
At opnå nyttigt arbejde fra tilfældige fluktuationer i et system i termisk ligevægt har længe været anset for umuligt. Faktisk lukkede den fremtrædende amerikanske fysiker Richard Feynman i 1960'erne effektivt yderligere undersøgelser, efter at han i en række forelæsninger argumenterede for, at Brownsk bevægelse eller atomers termiske bevægelse ikke kan udføre nyttigt arbejde.
Nu er en ny undersøgelse offentliggjort i Physical Review E med titlen "Opladning af kondensatorer fra termiske fluktuationer ved hjælp af dioder" har bevist, at Feynman gik glip af noget vigtigt.
Tre af papirets fem forfattere er fra University of Arkansas Department of Physics. Ifølge førsteforfatter Paul Thibado beviser deres undersøgelse strengt, at termiske fluktuationer af fritstående grafen, når de er forbundet til et kredsløb med dioder med ikke-lineær modstand og lagringskondensatorer, giver nyttigt arbejde ved at oplade lagringskondensatorerne.
Forfatterne fandt ud af, at når lagringskondensatorerne har en initial ladning på nul, trækker kredsløbet strøm fra det termiske miljø for at oplade dem.
Holdet viste derefter, at systemet opfylder både termodynamikkens første og anden lov gennem hele opladningsprocessen. De fandt også ud af, at større lagerkondensatorer giver mere lagret ladning, og at en mindre grafenkapacitans giver både en højere initial opladningshastighed og længere tid til afladning. Disse egenskaber er vigtige, fordi de giver tid til at afbryde lagringskondensatorerne fra energiopsamlingskredsløbet, før nettoladningen går tabt.
Denne seneste publikation bygger på to af gruppens tidligere undersøgelser. Den første blev offentliggjort i et Physical Review Letters fra 2016 . I denne undersøgelse identificerede Thibado og hans medforfattere grafens unikke vibrationsegenskaber og dets potentiale for energihøst.
Den anden blev offentliggjort i en 2020 Physical Review E artikel, hvor de diskuterer et kredsløb med grafen, der kan levere ren, ubegrænset strøm til små enheder eller sensorer.
Denne seneste undersøgelse går endnu længere ved at etablere matematisk designet af et kredsløb, der er i stand til at samle energi fra jordens varme og lagre det i kondensatorer til senere brug.
"Teoretisk set var det det, vi satte os for at bevise," forklarede Thibado. "Der er velkendte energikilder, såsom kinetiske, sol-, omgivende stråling, akustiske og termiske gradienter. Nu er der også ikke-lineær termisk effekt. Normalt forestiller folk sig, at termisk energi kræver en temperaturgradient. Det er selvfølgelig , en vigtig kilde til praktisk kraft, men det, vi fandt, er en ny kraftkilde, der aldrig har eksisteret før, og denne nye kraft kræver ikke to forskellige temperaturer, fordi den eksisterer ved en enkelt temperatur."
Ud over Thibado inkluderer medforfattere Pradeep Kumar, John Neu, Surendra Singh og Luis Bonilla. Kumar og Singh er også fysikprofessorer ved University of Arkansas, Neu ved University of California, Berkeley og Bonilla ved Universidad Carlos III de Madrid.
Et årti med undersøgelser
Undersøgelsen repræsenterer løsningen på et problem, Thibado har studeret i godt et årti, da han og Kumar første gang sporede den dynamiske bevægelse af krusninger i fritstående grafen på atomniveau. Grafen blev opdaget i 2004 og er et atom-tykt ark grafit. Duoen observerede, at fritstående grafen har en kruset struktur, hvor hver krusning vender op og ned som reaktion på den omgivende temperatur.
"Jo tyndere noget er, jo mere fleksibelt er det," sagde Thibado. "Og med kun ét atom tykt er der ikke noget mere fleksibelt. Det er ligesom en trampolin, der konstant bevæger sig op og ned. Hvis du vil forhindre den i at bevæge sig, skal du køle den ned til 20 Kelvin."
Hans nuværende indsats i udviklingen af denne teknologi er fokuseret på at bygge en enhed, han kalder en Graphene Energy Harvester (eller GEH). GEH bruger et negativt ladet ark af grafen suspenderet mellem to metalelektroder.
Når grafenen vipper op, inducerer den en positiv ladning i den øverste elektrode. Når den vipper ned, oplader den den nederste elektrode positivt, hvilket skaber en vekselstrøm. Med dioder forbundet i modsat retning, hvilket tillader strømmen at flyde begge veje, er separate veje tilvejebragt gennem kredsløbet, hvilket producerer en pulserende jævnstrøm, der udfører arbejde på en belastningsmodstand.
Kommercielle applikationer
NTS Innovations, en virksomhed med speciale i nanoteknologi, ejer den eksklusive licens til at udvikle GEH til kommercielle produkter. Fordi GEH-kredsløb er så små, blot nanometer i størrelse, er de ideelle til masseduplikering på siliciumchips. Når flere GEH-kredsløb er indlejret på en chip i arrays, kan der produceres mere strøm. De kan også fungere i mange miljøer, hvilket gør dem særligt attraktive for trådløse sensorer på steder, hvor det er ubelejligt eller dyrt at skifte batterier, såsom et underjordisk rørsystem eller indvendige flykabelkanaler.
Donald Meyer, grundlægger og administrerende direktør for NTS Innovations, sagde:"Pauls forskning styrker vores overbevisning om, at vi er på rette vej med Graphene Energy Harvesting. Vi sætter pris på vores partnerskab med University of Arkansas om at bringe denne teknologi på markedet."
Ryan McCoy, NTS Innovations' vicepræsident for salg og marketing, tilføjede:"Der er bred efterspørgsel på tværs af elektronikindustrien for at formindske formfaktorer og mindske afhængigheden af batterier og kablet strøm. Vi tror på, at Graphene Energy Harvesting vil have en dyb indvirkning på begge dele. "
Om den lange vej til at få sit seneste teoretiske gennembrud sagde Thibado:"Der var altid dette spørgsmål derude:'Hvis vores grafenenhed er i et virkelig stille, virkelig mørkt miljø, ville det så høste nogen energi eller ej?" Det konventionelle svar på det er nej, da det tilsyneladende trodser fysikkens love, men fysikken var aldrig blevet kigget nøje på."
"Jeg tror, folk var lidt bange for emnet på grund af Feynman. Så alle sagde bare, 'det rører jeg ikke'. Men spørgsmålet blev bare ved med at kræve vores opmærksomhed. Ærlig talt blev løsningen kun fundet gennem vores unikke teams vedholdenhed og forskellige tilgange."
Flere oplysninger: P. M. Thibado et al., Opladning af kondensatorer fra termiske fluktuationer ved hjælp af dioder, Physical Review E (2023). DOI:10.1103/PhysRevE.108.024130
Journaloplysninger: Physical Review Letters , Fysisk gennemgang E
Leveret af University of Arkansas
Varme artikler
-
Med carbon nanorør, en vej til fleksibel, billige sensorerFleksibel, højtydende gassensorer (venstre) blev fremstillet ved at sprøjte en opløsning af carbon nanorør (til højre) på en plastikunderlag. Kredit:Uli Benz/TUM Forskere ved Technische Universita -
Iboende optiske ikke-lineariteter og bæredynamik i InSe(a) Skematisk af μ-Z/I-scanningsopsætningen brugt til NLO-eksperimentet. (b-c) Åben/lukket blænde μ-Z-scanningsresultater af InSe film. (d) Transient absorptionsspektrum af InSe flage under en 200 fs- -
Nano-sandwich teknik slanker solceller, forbedrer effektivitetenForskere fra North Carolina State University har fundet en måde at skabe meget slankere tyndfilmsolceller uden at ofre cellernes evne til at absorbere solenergi. Det aktive lag kan være så lidt som 70 -
Kulstof nanobolde kan i høj grad bidrage til bæredygtig energiforsyningC60 kulstofbolden består af 60 kulstofatomer, der er placeret, så molekylet ligner en fodbold på nanometerstørrelse. Kredit:Christian Müller Forskere ved Chalmers Teknologiske Universitet har opda
- Mælkevejenes skævhed forårsaget af galaktisk kollision, Gaia foreslår
- Er laboratoriedyr virkelig roligere omkring kvinder?
- To vitale buffere mod klimaændringer er lige offshore
- Sådan trækkes blandede tal med Regrouping
- Masseudryddelseskrise udløste udvidelse af dinosaurer
- Hjælper voksne med at finde rundt i beslutningen om at flytte sammen med forældrene igen