Исследователи открыли метод использования энергии окружающего тепла с помощью графена, опровергая давно устоявшиеся физические теории. Этот прорыв имеет многообещающий коммерческий потенциал, особенно для беспроводных датчиков.
Открытие переворачивает более чем столетнюю ортодоксальность физики, определяя новую форму энергии, которую можно извлекать из окружающего тепла с помощью
” data-gt-translate-атрибуты = “[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>графен.
Получение полезной работы от случайных флуктуаций в системе, находящейся в тепловом равновесии, долгое время считалось невозможным. Фактически, выдающийся американский физик Ричард Фейнман фактически прекратил дальнейшие исследования в 1960-х годах после того, как в серии лекций заявил, что броуновское движение, или тепловое движение атомов, не может выполнять полезную работу.
Однако Фейнман упустил что-то важное, что подтверждается новым исследованием, опубликованным в журнале. Физический обзор E под названием «Зарядка конденсаторов от тепловых колебаний с помощью диодов».
Трое из пяти авторов статьи представляют физический факультет Университета Арканзаса. По словам первого автора Пола Тибадо, их исследование строго доказывает, что тепловые флуктуации отдельно стоящего графена при подключении к цепи с диодами, имеющими нелинейное сопротивление, и накопительными конденсаторами действительно производят полезную работу, заряжая накопительные конденсаторы.
Эмпирические доказательства, подтверждающие открытие
Ученые обнаружили, что когда накопительные конденсаторы имеют начальный заряд, равный нулю, схема получает энергию от тепловой среды для их зарядки. Затем команда продемонстрировала, что система удовлетворяет как первому, так и второму законам термодинамики на протяжении всего процесса зарядки. Они также обнаружили, что накопительные конденсаторы большего размера обеспечивают больший накопленный заряд и что меньшая емкость графена обеспечивает как более высокую начальную скорость зарядки, так и более длительное время разрядки. Эти характеристики важны, поскольку они позволяют отключить накопительные конденсаторы от схемы сбора энергии до того, как общий заряд будет потерян.
Эта последняя публикация основана на двух предыдущих исследованиях группы. Первая была опубликована в 2016 г. Аномальное динамическое поведение отдельно стоящих графеновых мембран». В этом исследовании Тибадо и его соавторы определили уникальные вибрационные свойства графена и его потенциал для сбора энергии. Второй был опубликован в 2020 году. Физический обзор E статья под названием «Индуцированный флуктуациями ток от отдельно стоящего графена», в котором они обсуждают схему с использованием графена, которая может обеспечить чистую, неограниченную энергию для небольших устройств или датчиков.
Это последнее исследование продвинулось еще дальше, установив математический расчет схемы, способной собирать энергию из тепла земли и сохранять ее в конденсаторах для последующего использования.
«Теоретически именно это мы и собирались доказать», — пояснил Тибадо. «Существуют хорошо известные источники энергии, такие как кинетическая, солнечная энергия, окружающее излучение, акустические и тепловые градиенты. Теперь есть еще и нелинейная тепловая мощность. Обычно люди представляют себе, что тепловая энергия требует температурного градиента. Это, конечно, важный источник практической силы, но то, что мы обнаружили, — это новый источник силы, которого раньше никогда не существовало. И эта новая сила не требует двух разных температур, потому что она существует при одной температуре».
Помимо Тибадо, в число соавторов входят Прадип Кумар, Джон Ной, Сурендра Сингх и Луис Бонилья. Кумар и Сингх также являются профессорами физики в Арканзасском университете.
” data-gt-translate-атрибуты = “[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”> Калифорнийский университет, Берклии Бонилья в Мадридском университете имени Карлоса III.
Десятилетие расследования
Исследование представляет собой решение проблемы, которую Тибадо изучал более десяти лет, когда он и Кумар впервые отследили динамическое движение ряби в отдельно стоящем графене на атомном уровне. Обнаруженный в 2004 году графен является одним из
” data-gt-translate-атрибуты = “[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>атом– толстый лист графита. Дуэт заметил, что отдельно стоящий графен имеет рифленую структуру, при этом каждая рябь колеблется вверх и вниз в зависимости от температуры окружающей среды.
«Чем тоньше что-то, тем оно более гибкое», — сказал Тибадо. «И при толщине всего в один атом нет ничего более гибкого. Это как батут, постоянно двигающийся вверх и вниз. Если вы хотите, чтобы он не двигался, вам нужно охладить его до 20 градусов по Кельвину».
Его текущие усилия по развитию этой технологии сосредоточены на создании устройства, которое он называет Graphene Energy Harvester (или GEH). GEH использует отрицательно заряженный лист графена, подвешенный между двумя металлическими электродами. Когда графен переворачивается, он индуцирует положительный заряд на верхнем электроде. Когда он переворачивается вниз, он положительно заряжает нижний электрод, создавая переменный ток. Когда диоды подключены друг к другу, что позволяет току течь в обоих направлениях, в цепи предусмотрены отдельные пути, создающие пульсирующий постоянный ток, который выполняет работу на нагрузочном резисторе.
Коммерческие приложения
НТС Инновации, компания, специализирующаяся на нанотехнологиях, владеет эксклюзивной лицензией на превращение GEH в коммерческие продукты. Поскольку схемы GEH настолько малы, всего нанометры, они идеально подходят для массового дублирования на кремниевых чипах. Когда несколько схем GEH встроены в микросхему в виде массивов, можно получить больше энергии. Они также могут работать во многих средах, что делает их особенно привлекательными для беспроводных датчиков в местах, где замена батарей неудобна или дорога, например, в подземных трубопроводах или кабельных каналах внутри самолетов.
Дональд Мейер, основатель и генеральный директор NTS Innovations, сказал о последних усилиях Тибадо: «Исследование Пола укрепляет нашу уверенность в том, что мы на правильном пути с Graphene Energy Harvesting. Мы ценим наше партнерство с Университетом Арканзаса в выводе этой технологии на рынок».
Райан Маккой, вице-президент NTS Innovations по продажам и маркетингу, добавил: «В электронной промышленности существует широкий спрос на уменьшение форм-факторов и снижение зависимости от батарей и проводного питания. Мы считаем, что Graphene Energy Harvesting окажет глубокое влияние на обе стороны».
О долгом пути к своему последнему теоретическому прорыву Тибадо сказал: «Всегда возникал вопрос: «Если наше графеновое устройство находится в очень тихой, очень темной среде, будет ли оно собирать энергию или нет?» Традиционный ответ на это — нет, поскольку это явно противоречит законам физики. Но физику никогда не рассматривали внимательно. Я думаю, что люди немного боялись этой темы из-за Фейнмана. Итак, все просто сказали: «Я не буду этого касаться». Но вопрос продолжал требовать нашего внимания. Честно говоря, ее решение было найдено только благодаря настойчивости и разнообразным подходам нашей уникальной команды».
Ссылка: «Зарядка конденсаторов от тепловых колебаний с использованием диодов», П. М. Тибадо, Дж. К. Ной, Прадип Кумар, Сурендра Сингх и Л. Л. Бонилла, 16 августа 2023 г., Физический обзор E.
DOI: 10.1103/PhysRevE.108.024130
2023-08-21 20:33:22
1692660445
#Нелинейная #схема #собирает #чистую #энергию #помощью #графена
:quality(70)/cloudfront-eu-central-1.images.arcpublishing.com/irishtimes/JQDZLXELAZHQHNMSQMVPIUMQNM.jpg?resize=150%2C150&ssl=1)
