Ein Team von Physikern der University of Arkansas hat erfolgreich einen Schaltkreis entwickelt, der die thermische Bewegung von Graphen einfangen und in elektrischen Strom umwandeln kann.
“Eine auf Graphen basierende Schaltung zur Energiegewinnung könnte in einen Chip eingebaut werden, um kleine Geräte oder Sensoren mit sauberer, unbegrenzter Niederspannungsenergie zu versorgen”, so Paul Thibado, Professor für Physik und leitender Forscher bei der Entdeckung.
Die Ergebnisse mit dem Titel “Fluktuationsinduzierter Strom aus freistehendem Graphen”, die in der Zeitschrift Physical Review E veröffentlicht wurden, sind der Beweis für eine Theorie, die die Physiker vor drei Jahren an der Universität von A. entwickelt haben: Freistehendes Graphen – eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen – kräuselt und wölbt sich auf eine Weise, die für die Energiegewinnung vielversprechend ist.
Die Idee, Energie aus Graphen zu gewinnen, ist umstritten, weil sie die bekannte Behauptung des Physikers Richard Feynman widerlegt, dass die thermische Bewegung von Atomen, die so genannte Brownsche Bewegung, keine Arbeit verrichten kann. Thibados Team hat herausgefunden, dass die thermische Bewegung von Graphen bei Raumtemperatur tatsächlich einen Wechselstrom in einem Stromkreis erzeugt – eine Leistung, die als unmöglich galt.
In den 1950er Jahren veröffentlichte der Physiker Léon Brillouin eine bahnbrechende Arbeit, in der er die Idee widerlegte, dass das Hinzufügen einer einzelnen Diode, eines elektrischen Einweg-Gatters, zu einem Schaltkreis die Lösung für die Gewinnung von Energie aus der Brownschen Bewegung sei. Mit diesem Wissen baute Thibados Gruppe ihre Schaltung mit zwei Dioden zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom (DC). Da die Dioden einander entgegengesetzt sind und den Strom in beide Richtungen fließen lassen, bieten sie getrennte Wege durch den Stromkreis und erzeugen einen pulsierenden Gleichstrom, der an einem Lastwiderstand arbeitet.
Außerdem entdeckten sie, dass ihr Design die abgegebene Leistung erhöhte. “Wir haben auch festgestellt, dass das schalterähnliche Verhalten der Dioden die abgegebene Leistung tatsächlich verstärkt und nicht, wie bisher angenommen, verringert”, so Thibado. “Die Geschwindigkeit der Widerstandsänderung durch die Dioden fügt der Leistung einen zusätzlichen Faktor hinzu”.
Das Team nutzte ein relativ neues Gebiet der Physik, um nachzuweisen, dass die Dioden die Leistung des Schaltkreises erhöhen. “Beim Nachweis dieser Leistungssteigerung haben wir uns auf das neu entstehende Gebiet der stochastischen Thermodynamik gestützt und die fast hundert Jahre alte, berühmte Theorie von Nyquist erweitert”, sagte Koautor Pradeep Kumar, außerordentlicher Professor für Physik und Koautor.
Laut Kumar gehen Graphen und Schaltkreis eine symbiotische Beziehung ein. Obwohl die thermische Umgebung auf den Lastwiderstand einwirkt, haben das Graphen und der Schaltkreis dieselbe Temperatur und es fließt keine Wärme zwischen den beiden.
Das ist ein wichtiger Unterschied, so Thibado, denn ein Temperaturunterschied zwischen dem Graphen und dem Schaltkreis würde in einem Schaltkreis, der Energie erzeugt, dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik widersprechen. “Das bedeutet, dass der zweite Hauptsatz der Thermodynamik nicht verletzt wird, und es besteht auch keine Notwendigkeit zu argumentieren, dass der ‘Maxwellsche Dämon’ heiße und kalte Elektronen trennt”, sagte Thibado.
Das Team entdeckte auch, dass die relativ langsame Bewegung von Graphen bei niedrigen Frequenzen Strom in den Schaltkreisen induziert, was aus technologischer Sicht wichtig ist, da Elektronik bei niedrigen Frequenzen effizienter funktioniert.
“Man könnte meinen, dass sich ein Widerstand durch Stromfluss erwärmt, aber der Brownsche Strom tut das nicht. Wenn kein Strom fließen würde, würde sich der Widerstand sogar abkühlen”, erklärt Thibado. “Wir haben den Strom im Schaltkreis umgeleitet und ihn in etwas Nützliches umgewandelt”.
Das nächste Ziel des Teams ist es, herauszufinden, ob der Gleichstrom in einem Kondensator für eine spätere Verwendung gespeichert werden kann, was eine Verkleinerung des Schaltkreises und seine Strukturierung auf einer Siliziumscheibe oder einem Chip erfordert. Wenn Millionen dieser winzigen Schaltkreise auf einem 1 mal 1 Millimeter großen Chip untergebracht werden können, könnten sie als stromsparender Batterieersatz dienen.
Die Universität von Arkansas hält mehrere Patente auf dem US-amerikanischen und internationalen Markt für diese Technologie und hat sie für kommerzielle Anwendungen über die Abteilung Technology Ventures der Universität lizenziert. Die Forscher Surendra Singh, Universitätsprofessor für Physik, Hugh Churchill, außerordentlicher Professor für Physik, und Jeff Dix, Assistenzprofessor für Ingenieurwissenschaften, trugen zu der Arbeit bei, die durch den Chancellor’s Commercialization Fund, der von der Walton Family Charitable Support Foundation unterstützt wird, finanziert wurde.
