Получение энергии из случайных флуктуаций в системе, находящейся в тепловом равновесии, долгое время считалось невозможным.
Тепловые флуктуации подвешенного графена, подключенного к цепи с диодами с нелинейным сопротивлением и накопительными конденсаторами, способны заряжать данные конденсаторы, передает Phys.org.
Ученые обнаружили, что когда начальный заряд накопительных конденсаторов равен нулю, разработанная схема потребляет энергию из тепловой среды для их зарядки.
Система согласуется с первым и вторым законами термодинамики на протяжении всего процесса зарядки
Также обнаружено, что большие накопительные конденсаторы дают больше накопленного заряда, а меньшая графеновая емкость обеспечивает как более высокую начальную скорость зарядки, так и большее время разрядки. Эти характеристики важны, поскольку позволяют отключить накопительные конденсаторы от схемы сбора энергии до того, как будет потерян чистый заряд.
Исследование математически обосновало конструкцию схемы, способной собирать энергию из тепла почвы и накапливать ее в конденсаторах для последующего использования.
«Существуют хорошо известные источники энергии, такие как кинетическая, солнечная, радиационная, акустическая и тепловые градиенты. Теперь есть еще и нелинейная тепловая энергия. Обычно люди представляют себе, что для получения тепловой энергии необходим градиент температуры. Это, конечно, важный источник практической энергии, но мы обнаружили новый источник энергии, которого раньше не существовало. И эта новая энергия не требует двух разных температур, поскольку существует при одной температуре», — сказал один из авторов исследования Пол Тибадо.
Данное исследование представляет собой решение проблемы, которой Тибадо занимается уже более десяти лет, с того момента, когда он и его коллега Прадип Кумар впервые проследили динамическое движение пульсаций в подвешенном графене на атомном уровне.
Открытый в 2004 году графен представляет собой лист графита толщиной в один атом. Подвешенный графен имеет рябую структуру, причем каждая рябь меняется в зависимости от температуры окружающей среды.
Усилия Тибадо направлены на разработку устройства, которое он называет «графеновый сборщик энергии» (Graphene Energy Harvester, или GEH). В нем используется отрицательно заряженный лист графена, подвешенный между двумя металлическими электродами.
Когда графен переворачивается, он индуцирует положительный заряд в верхнем электроде. Когда он переворачивается вниз, то положительно заряжает нижний электрод, создавая переменный ток. Благодаря противоположным диодам, пропускающим ток в обоих направлениях, в цепи образуется пульсирующий постоянный ток, который совершает работу на нагрузочном резисторе.
Компания NTS Innovations, специализирующаяся на нанотехнологиях, владеет эксклюзивной лицензией на разработку GEH в коммерческих продуктах. Поскольку микросхемы GEH настолько малы, что их размер составляет всего несколько нанометров, они идеально подходят для массового тиражирования на кремниевых чипах. Когда несколько микросхем GEH встраиваются в чип в виде массивов, можно получить большую мощность. Кроме того, они могут работать в различных условиях, что делает их особенно привлекательными для беспроводных датчиков в местах, где замена батарей неудобна или дорогостояща, например, в подземных трубопроводах или внутренних кабельных каналах самолетов.
