By 
Отримання корисної роботи від випадкових флуктуацій у системі в стані теплової рівноваги довгий час вважалося неможливим. Фактично, у 1960-х роках видатний американський фізик Річард Фейнман фактично припинив подальші дослідження після того, як у серії лекцій він стверджував, що броунівський рух, або тепловий рух атомів, не може виконувати корисну роботу.
Тепер нове дослідження, опубліковане в Physical Review E під назвою «Зарядка конденсаторів від теплових коливань за допомогою діодів», довело, що Фейнман упустив щось важливе.
Троє з п’яти авторів статті є співробітниками факультету фізики Університету Арканзасу. За словами першого автора Пола Тібадо, їхнє дослідження чітко доводить, що теплові флуктуації окремо стоячого графену, підключеного до схеми з діодами з нелінійним опором і накопичувальними конденсаторами, справді виробляють корисну роботу, заряджаючи накопичувальні конденсатори.
Автори виявили, що коли початковий заряд накопичувальних конденсаторів дорівнює нулю, схема бере енергію з теплового середовища, щоб зарядити їх.
Потім команда показала, що система задовольняє як перший, так і другий закони термодинаміки протягом усього процесу заряджання. Вони також виявили, що більші накопичувальні конденсатори дають більше накопиченого заряду, а менша графенова ємність забезпечує як вищу початкову швидкість зарядки, так і довший час для розрядки. Ці характеристики є важливими, оскільки вони дають час для від’єднання накопичувальних конденсаторів від схеми збору енергії до втрати сумарного заряду.
Ця остання публікація базується на двох попередніх дослідженнях групи. Перший був опублікований у Physical Review Letters 2016 року. У цьому дослідженні Тібадо та його співавтори визначили унікальні вібраційні властивості графену та його потенціал для збору енергії.
Другий був опублікований у статті Physical Review E за 2020 рік, у якій вони обговорюють схему з використанням графену, яка може забезпечувати чисту необмежену потужність для невеликих пристроїв або датчиків. Це останнє дослідження прогресує ще далі, встановивши математичний дизайн схеми, здатної збирати енергію з тепла землі та зберігати її в конденсаторах для подальшого використання.
«Теоретично це те, що ми хотіли довести», — пояснив Тібадо. «Існують добре відомі джерела енергії, такі як кінетична, сонячна, навколишнє випромінювання, акустичний і теплові градієнти. Зараз також існує нелінійна теплова енергія. Зазвичай люди уявляють, що для теплової енергії потрібен температурний градієнт. Це, звичайно, , важливе джерело практичної енергії, але ми виявили нове джерело енергії, якого ніколи раніше не існувало. І ця нова потужність не потребує двох різних температур, оскільки вона існує при одній температурі».
Крім Тібадо, співавторами є Прадіп Кумар, Джон Ной, Сурендра Сінгх і Луїс Бонілла. Кумар і Сінгх також є професорами фізики в Університеті Арканзасу, Неу в Університеті Каліфорнії в Берклі та Бонілла в Мадридському університеті Карлоса III.
Уявлення про нелінійний тепловий струм. Авторство: Бен Гудвін
Десятиліття розслідування
Дослідження представляє розв’язання проблеми, яку Тібадо вивчав понад десять років, коли він і Кумар вперше відстежили динамічний рух брижів у окремо стоячому графені на атомному рівні. Відкритий у 2004 році графен являє собою лист графіту товщиною в один атом. Дует помітив, що окремо стоячий графен має рифлену структуру, причому кожна брижа повертається вгору та вниз у відповідь на температуру навколишнього середовища.
«Чим тонше щось, тим воно гнучкіше», — сказав Тібадо. «І при товщині всього в один атом немає нічого більш гнучкого. Це як батут, який постійно рухається вгору і вниз. Якщо ви хочете зупинити його рух, вам потрібно охолодити його до 20 Кельвінів».
Його поточні зусилля в розробці цієї технології зосереджені на створенні пристрою, який він називає Graphene Energy Harvester (або GEH). GEH використовує негативно заряджений лист графену, підвішений між двома металевими електродами.
Коли графен повертається вгору, він викликає позитивний заряд у верхньому електроді. Коли він повертається вниз, він позитивно заряджає нижній електрод, створюючи змінний струм. З діодами, підключеними протилежно, що дозволяє струму протікати в обох напрямках, у ланцюзі передбачені окремі шляхи, створюючи пульсуючий постійний струм, який виконує роботу на резисторі навантаження.
Комерційні програми
Компанія НТС Інновації, що спеціалізується на нанотехнологіях, володіє ексклюзивною ліцензією на розробку GEH у комерційні продукти. Оскільки схеми GEH настільки малі, лише нанометрів, вони ідеальні для масового дублювання на кремнієвих мікросхемах. Коли кілька схем GEH вбудовано в мікросхему в масиви, можна виробляти більше потужності. Вони також можуть працювати в багатьох середовищах, що робить їх особливо привабливими для бездротових датчиків у місцях, де міняти батареї незручно або дорого, наприклад, підземна система труб або внутрішні кабельні канали літаків.
Дональд Мейєр, засновник і генеральний директор NTS Innovations, сказав: «Дослідження Пола зміцнюють наше переконання, що ми на правильному шляху з Graphene Energy Harvesting. Ми цінуємо наше партнерство з Університетом Арканзасу у виведенні цієї технології на ринок».
Райан МакКой, віце-президент NTS Innovations з продажу та маркетингу, додав: «В електронній промисловості існує широкий попит на зменшення форм-факторів і зменшення залежності від акумуляторів і дротового живлення. Ми віримо, що Graphene Energy Harvesting матиме глибокий вплив на обидва. «
Про довгий шлях до свого останнього теоретичного прориву Тібадо сказав: «Завжди виникало таке питання: «Якщо наш графеновий пристрій знаходиться в дуже тихому, дуже темному середовищі, чи буде він збирати енергію, чи ні?» Загальноприйнята відповідь на це питання — ні, оскільки це, очевидно, суперечить законам фізики. Але на фізику ніколи не дивилися уважно».
«Я думаю, що люди трохи боялися цієї теми через Фейнмана. Тому всі просто сказали: «Я цього не торкаюся». Але це питання просто вимагало нашої уваги. Чесно кажучи, його вирішення вдалося знайти лише завдяки наполегливості та різноманітним підходам нашої унікальної команди». Джерело
Comments