Физики из США создали бестопливный генератор на основе графена

Физики из Университета штата Арканзас разработали схему на основе графена, которая преобразует его тепловые колебания в электрический ток, тем самым опровергая утверждения сразу двух известных ученых прошлого. Об этом 2 октября сообщил научный интернет-журнал phys.org.

Графен — это наноматериал, состоящий из углерода, атомы которого располагаются в виде двумерной решётки. То есть, этот материал представляет собой пластинку толщиной в один атом.

Теория о поведении графена под действием броуновского (теплового хаотичного) движения появилась у Пола Тибады и его команды три года назад. Теперь ученым удалось доказать её. Теория гласит, что под действием теплового движения в окружающей среде пластинка графена будет испытывать периодические деформации. Используя эти колебания можно получить в цепи высокочастотный переменный ток.

Идея извлечения энергии из графена является спорной, поскольку она опровергает известное утверждение физика Ричарда Фейнмана о том, что тепловое движение атомов, известное как броуновское движение, не может совершать полезную работу, то есть тепло окружающей среды не может быть собрано. Команда Тибадо обнаружила, что при комнатной температуре тепловое движение графена действительно индуцирует переменный ток в цепи, что считалось невозможным.

Также в 1950-х годах физик Леон Бриллюэн опубликовал работу, опровергающую идею о том, что добавление одного диода (то есть создание на его основе одностороннего электрического затвора) в схему является решением проблемы сбора энергии из броуновского движения. Вопреки этому, группа Тибадо построила свою схему с двумя диодами для преобразования переменного тока в постоянный. Диоды в их схеме противовключены, позволяя току течь в обе стороны разными путями через цепь. Схема работает как двухполупериодный выпрямитель, производя пульсирующий постоянный ток, который выполняет работу на нагрузочном резисторе.

Кроме того, они обнаружили, что их цепь увеличивает количество собираемой графеном энергии, в то время как сопротивление диодов должно бы рассеивать получаемую энергию. «Мы также обнаружили, что подобное переключателю поведение диодов на практике увеличивает собираемую мощность, а не уменьшает ее, как считалось ранее», — сказал Тибадо.

«Доказывая это увеличение мощности, мы опирались на недавно возникшую область стохастической термодинамики и расширили знаменитую почти столетнюю теорию Найквиста (Найквиста-Михайлова — прим. автора)»,  — сообщил соавтор Прадип Кумар, доцент физики. Согласно Кумару, графен и схема создают общий резонансный контур. Хотя тепловое движение и выполняет работу на нагрузочном резисторе, графен и нагрузка имеют одинаковую температуру, и тепло не передаётся между ними!

Это важный момент, считает Тибадо, потому что разница температур между графеном и нагрузкой в контуре, производящем энергию, противоречила бы второму закону термодинамики. «Это означает, что второй закон термодинамики не нарушается, и нет никакой необходимости доказывать, что „демон Максвелла“ разделяет горячие и холодные электроны», — утверждает Тибадо.

«Люди могут думать, что ток, протекающий в резисторе, заставляет его нагреваться, но броуновский ток этого не делает. На самом деле, если бы ток не протекал, резистор остыл бы», — объяснил Тибадо. — «Всё, что мы сделали, это перенаправили ток в цепи и превратили его во что-то полезное».

Следующая задача команды — определить, можно ли хранить такой ток в конденсаторе.

Если уменьшить схему так, что на квадратном кристалле один на один миллиметр разместились бы миллионы таких схем, то можно было бы создать маломощную батарею. «Схема сбора энергии на основе графена может быть встроена в чип, чтобы обеспечить чистое, неограниченное, низковольтное питание для небольших устройств или датчиков», — считает Пол Тибадо.