Avance en energía limpia: generación de energía “imposible” utilizando grafeno Desafíos Siglo

Un equipo de investigadores informa que han logrado refutar un principio de larga data de la física moderna (que no se puede obtener trabajo útil a partir de fluctuaciones térmicas aleatorias) gracias en parte a las propiedades únicas del grafeno.

El movimiento microscópico de partículas dentro de un fluido, también conocido como movimiento browniano por su descubrimiento por el científico escocés Robert Brown, se ha considerado durante mucho tiempo un medio imposible de intentar generar trabajo útil.

La idea fue desechada hace décadas por el físico Richard Feynman, quien propuso un experimento mental en mayo de 1962 que involucraba una máquina de aparente movimiento perpetuo, denominada trinquete browniano.

En teoría, este dispositivo consistiría en un engranaje y un trinquete que vibra mientras se sumerge en un baño térmico, permitiendo el movimiento sólo en una dirección. La premisa es que el movimiento unidireccional produciría una fuerza en ausencia de cualquier gradiente de calor, aparentemente desafiando la segunda ley de la termodinámica. Sin embargo, Feynman argumentó que dado que los componentes de la máquina también sufrirán movimiento browniano, inevitablemente habrá fallas en su funcionamiento, cancelando así cualquier trabajo útil que pueda generar.

Ahora, un equipo de investigadores del Departamento de Física de la Universidad de Arkansas sostiene que han demostrado que las fluctuaciones térmicas en el grafeno independiente pueden usarse como parte de un nuevo método novedoso que permite la creación de trabajos útiles, poniendo fin a más de un siglo de métodos convencionales. Pensamiento en la física moderna.

El grafeno es un fullereno formado por una lámina de grafito de tan solo un átomo de espesor. Debido a la estructura ondulada que posee el grafeno independiente, su comportamiento único en respuesta a la temperatura ambiente lo hizo ideal para su uso en la investigación del equipo.

En un artículo que describe su descubrimiento, el equipo considera teóricamente "una onda de grafeno como una partícula browniana", que está acoplada a un circuito de almacenamiento de energía. Si el circuito y la partícula browniana permanecen a una temperatura constante, no se puede generar energía a partir de la partícula según la segunda ley de la termodinámica. Esto sigue siendo cierto incluso si se introduce un diodo rectificador en el circuito.

"Sin embargo, cuando el circuito contiene una unión seguida de dos diodos conectados en oposición", explican los autores del artículo, "el acercamiento al equilibrio puede volverse ultralento". Más específicamente, el equilibrio entre estos elementos se interrumpe temporalmente cuando la corriente pasa entre un par de diodos, que carga los condensadores de almacenamiento.

"La energía recolectada por cada condensador proviene del baño térmico de los diodos", explican los autores del artículo, "mientras que el sistema obedece la primera y la segunda ley de la termodinámica". Por lo tanto, aunque no se desafían leyes termodinámicas, se genera trabajo útil a partir del movimiento browniano, desafiando en gran medida los argumentos en sentido contrario de Feynman que datan de décadas de antigüedad.

Durante el proceso de investigación, el equipo, dirigido por el profesor de física de la Universidad de Arkansas, Paul Thibado, descubrió que, si bien los condensadores más grandes producen más carga almacenada, el uso de condensadores más pequeños basados ​​en grafeno ofrecía no sólo una mayor tasa de carga inicial sino que también se descargaba a lo largo de un tiempo. período más largo, un factor importante, ya que el uso de capacitancia de grafeno de esta manera permite que los capacitores de almacenamiento se desconecten del circuito utilizado para recolectar la energía antes de que se pierda la carga neta.

En un correo electrónico a The Debrief, Thibado explicó que la nueva fuente de energía que él y sus colegas descubrieron logró evadir a los físicos durante tanto tiempo debido a las limitaciones que enfrentaron los investigadores en la década de 1960 durante los primeros intentos de resolver una ecuación diferencial parcial que ha dejado perplejos a los físicos durante mucho tiempo. .

"Encontramos esta nueva fuente de energía resolviendo la ecuación de Fokker-Planck (FPE)", dice Thibado.

En la década de 1960, aproximadamente al mismo tiempo que Feynman presentó sus argumentos sobre el uso del movimiento browniano para producir trabajo útil, los científicos también hicieron sus primeros intentos de resolver la ecuación de Fokker-Planck.

"Esta es una ecuación diferencial parcial difícil de resolver", dice Thibado, y durante los intentos que se hicieron en la década de 1960, las computadoras no estaban disponibles para ayudar en los cálculos necesarios.

"Aunque los estudios se publicaron en la década de 1960, se cometieron errores", dijo Thibado a The Debrief. Thibado dice que los principales problemas surgieron del diodo, que posee una resistencia no lineal. Por esta razón, la ecuación de Fokker-Planck debe resolverse numéricamente.

Según Thibado, "la mayoría de los físicos intentarían utilizar la ecuación del diodo ideal, pero descubrimos que esta ecuación no era realista". Esto se debe a que la corriente que se genera crece ilimitadamente con el voltaje.

"Como resultado, no se puede encontrar la solución a la ecuación de Fokker-Planck", dijo Thibado a The Debrief. "Un modelo mejorado utiliza el diodo ideal pero en serie con una resistencia".

"Usamos esto y controló las dificultades numéricas", dice Thibdo.

Aunque durante mucho tiempo se ha entendido que un gradiente de temperatura es un requisito para generar energía térmica en entornos tradicionales, Thibado dijo a The Debrief que él y su equipo pudieron superar esto porque, en el método que desarrollaron, la nueva energía térmica se genera mediante procesos no lineales. resistencia del diodo.

"Si el diodo se reemplaza por una resistencia, entonces la fuente de energía desaparece", explicó Thibado.

"Sin embargo, es importante darse cuenta de que se trata de un efecto transitorio", añadió. “Muchos científicos sólo se centrarán en el estado de equilibrio termodinámico final del sistema. Este fue otro error”.

“Resolvimos todo”, dijo Thibdao.

“Además, encontramos un diseño de circuito especial que permite la carga ultrarrápida de los condensadores de almacenamiento y también permite la descarga ultralenta hasta el equilibrio termodinámico. Esto proporciona tiempo para recolectar la energía para una aplicación y repetirla”.

En última instancia, los hallazgos del equipo representan la solución a un problema que Thibado ha pasado más de una década estudiando. Ahora planea construir lo que él llama un Recolector de Energía de Grafeno (GEH), que emplea una lámina de grafeno cargada negativamente colocada entre un par de electrodos metálicos que pueden producir una corriente continua pulsante, realizando así trabajo en una resistencia de carga.

El GEH se desarrollará en productos comerciales en cooperación con la empresa de nanotecnología NTS Innovations.

El artículo reciente de Thibado y su equipo, “Carga de condensadores a partir de fluctuaciones térmicas mediante diodos”, se publicó en Physical Review E el 16 de agosto de 2023.

Micah Hanks es el editor jefe y cofundador de The Debrief. Se le puede contactar por correo electrónico a[email protected] . Sigue su trabajo enmicahhanks.comy en Twitter:@MicaHanks.