Durante mucho tiempo se ha considerado imposible obtener trabajo útil a partir de fluctuaciones aleatorias en un sistema en equilibrio térmico. De hecho, en la década de 1960 el eminente físico estadounidense Richard Feynman efectivamente cerró la investigación después de argumentar en una serie de conferencias que el movimiento browniano, o el movimiento térmico de los átomos, no puede realizar un trabajo útil.
Ahora, un nuevo estudio publicado en Physical Review E El artículo titulado "Cargar condensadores a partir de fluctuaciones térmicas mediante diodos" ha demostrado que a Feynman se le pasó por alto algo importante.
Tres de los cinco autores del artículo son del Departamento de Física de la Universidad de Arkansas. Según el primer autor, Paul Thibado, su estudio demuestra rigurosamente que las fluctuaciones térmicas del grafeno independiente, cuando se conecta a un circuito con diodos que tienen resistencia no lineal y condensadores de almacenamiento, produce un trabajo útil al cargar los condensadores de almacenamiento.
Los autores descubrieron que cuando los condensadores de almacenamiento tienen una carga inicial de cero, el circuito extrae energía del entorno térmico para cargarlos.
Luego, el equipo demostró que el sistema satisface tanto la primera como la segunda ley de la termodinámica durante todo el proceso de carga. También descubrieron que los condensadores de almacenamiento más grandes producen más carga almacenada y que una capacitancia de grafeno más pequeña proporciona una tasa de carga inicial más alta y un tiempo de descarga más largo. Estas características son importantes porque dan tiempo para desconectar los condensadores de almacenamiento del circuito de recolección de energía antes de que se pierda la carga neta.
Esta última publicación se basa en dos de los estudios anteriores del grupo. El primero se publicó en Physical Review Letters de 2016. . En ese estudio, Thibado y sus coautores identificaron las propiedades vibratorias únicas del grafeno y su potencial para recolectar energía.
El segundo se publicó en una Physical Review E de 2020. artículo en el que analizan un circuito que utiliza grafeno que puede suministrar energía limpia e ilimitada para pequeños dispositivos o sensores.
Este último estudio avanza aún más al establecer matemáticamente el diseño de un circuito capaz de recolectar energía del calor de la tierra y almacenarla en condensadores para su uso posterior.
"En teoría, esto era lo que nos propusimos demostrar", explicó Thibado. "Existen fuentes de energía bien conocidas, como la cinética, la solar, la radiación ambiental, la acústica y los gradientes térmicos. Ahora también existe la energía térmica no lineal. Por lo general, la gente imagina que la energía térmica requiere un gradiente de temperatura. Es decir, por supuesto. , una fuente importante de energía práctica, pero lo que encontramos es una nueva fuente de energía que nunca antes había existido y esta nueva energía no requiere dos temperaturas diferentes porque existe a una sola temperatura".
Además de Thibado, los coautores incluyen a Pradeep Kumar, John Neu, Surendra Singh y Luis Bonilla. Kumar y Singh también son profesores de física en la Universidad de Arkansas, Neu en la Universidad de California, Berkeley y Bonilla en la Universidad Carlos III de Madrid.
Una década de investigación
El estudio representa la solución a un problema que Thibado ha estado estudiando durante más de una década, cuando él y Kumar rastrearon por primera vez el movimiento dinámico de las ondas en el grafeno independiente a nivel atómico. Descubierto en 2004, el grafeno es una lámina de grafito de un átomo de espesor. El dúo observó que el grafeno independiente tiene una estructura ondulada, y cada ondulación se mueve hacia arriba y hacia abajo en respuesta a la temperatura ambiente.
"Cuanto más delgado es algo, más flexible es", dijo Thibado. "Y con sólo un átomo de espesor, no hay nada más flexible. Es como un trampolín, que se mueve constantemente hacia arriba y hacia abajo. Si quieres evitar que se mueva, tienes que enfriarlo a 20 Kelvin".
Sus esfuerzos actuales en el desarrollo de esta tecnología se centran en construir un dispositivo al que llama Graphene Energy Harvester (o GEH). GEH utiliza una lámina de grafeno cargada negativamente suspendida entre dos electrodos metálicos.
Cuando el grafeno se levanta, induce una carga positiva en el electrodo superior. Cuando gira hacia abajo, carga positivamente el electrodo inferior, creando una corriente alterna. Con diodos conectados en oposición, lo que permite que la corriente fluya en ambos sentidos, se proporcionan caminos separados a través del circuito, lo que produce una corriente CC pulsante que realiza trabajo en una resistencia de carga.
NTS Innovations, una empresa especializada en nanotecnología, posee la licencia exclusiva para desarrollar GEH en productos comerciales. Debido a que los circuitos GEH son tan pequeños, de apenas nanómetros de tamaño, son ideales para la duplicación masiva en chips de silicio. Cuando se integran múltiples circuitos GEH en un chip en forma de matrices, se puede producir más energía. También pueden funcionar en muchos entornos, lo que los hace particularmente atractivos para sensores inalámbricos en lugares donde cambiar las baterías es inconveniente o costoso, como un sistema de tuberías subterráneas o conductos de cables en el interior de un avión.
Donald Meyer, fundador y director ejecutivo de NTS Innovations, afirmó:"La investigación de Paul refuerza nuestra convicción de que estamos en el camino correcto con Graphene Energy Harvesting. Apreciamos nuestra asociación con la Universidad de Arkansas para llevar esta tecnología al mercado".
Ryan McCoy, vicepresidente de ventas y marketing de NTS Innovations, añadió:"Existe una amplia demanda en toda la industria electrónica para reducir los factores de forma y disminuir la dependencia de las baterías y la energía por cable. Creemos que Graphene Energy Harvesting tendrá un profundo impacto en ambos. "
Sobre el largo camino para lograr su último avance teórico, Thibado dijo:"Siempre hubo esta pregunta:'Si nuestro dispositivo de grafeno está en un ambiente realmente silencioso y realmente oscuro, ¿recogerá energía o no?' La respuesta convencional es no, ya que aparentemente desafía las leyes de la física. Pero la física nunca había sido analizada detenidamente."
"Creo que la gente tenía un poco de miedo del tema debido a Feynman. Entonces, todo el mundo simplemente dijo:'No voy a tocar eso'. Pero la pregunta siguió exigiendo nuestra atención. Honestamente, su solución sólo se encontró gracias a la perseverancia y los diversos enfoques de nuestro equipo único."
Más información: P. M. Thibado et al, Carga de condensadores a partir de fluctuaciones térmicas utilizando diodos, Physical Review E (2023). DOI:10.1103/PhysRevE.108.024130
Información de la revista: Cartas de revisión física , Revisión física E
Proporcionado por la Universidad de Arkansas
