Oregelbundna rörelser skapar oändlig energi

Ett enda lager av kolatomer som spontant alstrar ström. I 50 år ansåg fysikerna att det var omöjligt att utvinna energi ur atomernas pyttesmå rörelser, men nu har en ny teknik skapat en energikälla som till skillnad från batterier aldrig tar slut.

Ett enda lager av kolatomer som spontant alstrar ström. I 50 år ansåg fysikerna att det var omöjligt att utvinna energi ur atomernas pyttesmå rörelser, men nu har en ny teknik skapat en energikälla som till skillnad från batterier aldrig tar slut.

Shutterstock

Föreställ dig ett batteri som aldrig behöver laddas, utan bara fortsätter att alstra ström i det oändliga.

Det låter kanske som science fiction, men det är just vad en grupp forskare vid University of Arkansas i USA har skapat i form av ett chips som utvinner energi ur vågliknande rörelser i det fascinerande kolmaterialet grafen.

”Vi har omvandlat grafenets rörelser till elektricitet. Det har man tidigare trott var omöjligt”, berättar Paul M. Thibado, professor i fysik vid University of Arkansas, för Illustrerad Vetenskap.

Paul M. Thibado och hans kollegors bedrift är uppseendeväckande, eftersom forskarna genom att utvinna energi ur dessa rörelser och omvandla dem till el har motbevisat ett halvt århundrades fysikalisk lärdom. Det har de gjort genom att använda materialet grafen, som fysiker i årtionden inte trodde kunde existera.

Vi har omvandlat grafenets rörelser till elektricitet. Det har man tidigare trott var omöjligt. Paul M. Thibado

Därmed har man skapat en helt ny typ av energikälla, som aldrig behöver tas ur stickkontakten och som i framtiden kan komma att användas i allt från pacemakrar till armbandsur.

Ark böljar som havet

Till skillnad från de flesta andra material från den fysiska världen är grafen inte något tredimensionellt material, utan tvådimensionellt.

Det består av ultratunna, endast en atom tjocka ark av kol och är uppbyggt av sexkantiga strukturer som påminner om ett hönsnät.

Paul M. Thibado och hans forskarkollegor har upptäckt att ett grafenark inte bara ligger still som ett A4-ark på ett skrivbord, utan spontant vrider och vänder på sig i vågliknande rörelser, som uppstår till följd av värmeenergin vid normal rumstemperatur.

”Vi föreställer oss grafenets rörelser som dem vi känner igen från havets vågor. Vi har observerat periodiska vågrörelser, oregelbundna vågrörelser och till och med monstervågor”, berättar Paul M. Thibado.

Efter upptäckten tänkte fysikprofessorn att det måste gå att utvinna grafenets rörelseenergi och omvandla den till elektricitet på samma sätt som en vågenergianläggning omvandlar energin i havets vågor.

Paul Thibado visar mikrochips med grafen.

Paul M. Thibado visar de små chips med grafen som i framtiden kan komma att ersätta batterier.

© Russell Cothren/University of Arkansas

Ett batteri som inte behöver laddas, utan bara fortsätter att leverera elektricitet skulle revolutionera energitekniken. Paul M. Thibado hade dock ett stort problem. Några av 1900-talets främsta fysiker hade lett i bevis att ett sådant batteri inte var praktiskt möjligt att bygga.

Grafen är ett unikt 2D-material

Grafen presenterades för första gången av den kanadensiske fysikern P.R. Wallace år 1947, men Wallace betvivlade att materialet någonsin skulle komma att existera på något annat sätt än som formler på tavlan i en föreläsningssal.

Det ändrade dock de två Nobelprisbelönade fysikerna Andre Geim och Konstantin Novoselov vid engelska University of Manchester på år 2004, då de lyckades framställa grafen i laboratoriet och därmed skapade världens första tvådimensionella material.

Världens starkaste material grafen är dessutom en mycket bra ledare av elektricitet och värme. Materialet spåddes därför snart gå en strålande framtid till mötes i allt från datorchips till idrottsutrustning.

Det är dock en sak att framställa grafen och något helt annat att utvinna energi ur dess rörelser.

Ett material som rör sig enbart med hjälp av värmeenergi bryter helt enkelt mot fysikens lagar. Baserat på äldre teorier av bland andra Albert Einstein visade den berömde amerikanske fysikern Richard Feynman på 1960-talet att det inte går att utvinna energi ur så kallad brownsk rörelse.

Brownsk rörelse är en effekt uppkallad efter den skotske botanikern Robert Brown, som beskrev att enbart värmeenergi får partiklar i en gas eller vätska att röra sig slumpmässigt och kollidera med varandra.

Experiment bröt mot fysikens lagar

År 1912 gjorde den polske fysikern Marian Smoluchowski ett tankeexperiment som Richard Feynman byggde vidare på för att argumentera för varför energiutvinning ur brownsk rörelse är omöjlig.

Ett litet kvarnhjul är placerat i en kammare med luft. Via en axel är kvarnhjulet kopplat till ett kugghjul, som befinner sig i en annan kammare och är försett med en hake, det vill säga en liten tapp som sticker in i kugghjulet. Haken bromsar kugghjulets rotation, så att det bara vrids en kugge i taget. Den hindrar även hjulet från att gå baklänges.

Oregelbundna rörelser skulle inte kunna driva ett kvarnhjul, hävdade Richard Feynman. Han gjorde sitt tankeexperiment för att bevisa sin poäng, och fick till en början rätt.

Molekyler påverkar kvarnhjul
© Ken Ikeda Madsen

Molekyler påverkar kvarnhjul

Molekyler värms upp och skapar oregelbundna rörelser (brownsk rörelse). De påverkar ett kvarnhjul som via en axel är kopplat till ett kugghjul. Feynman hävdade att rörelserna från värmeenergin inte kunde få kugghjulet att vridas åt enbart ett håll.

Kugghjul vrids åt enbart ett håll.
© Ken Ikeda Madsen

Hake påverkar kugghjul

En hake sitter monterad på kugghjulet, så att det bara kan vridas åt ett håll. Om kugghjulet vrids kan det utföra arbete som att lyfta en vikt, men det går inte. De oregelbundna rörelserna från kvarnhjulet försöker få hjulet att vridas åt båda hållen.

Kan luftmolekylernas brownska rörelse sätta kvarnhjulet i den ena kammaren i rörelse och därmed driva kugghjulet i den andra? Svaret är nej, hävdade Feynman.

”Feynmans argument är att haken värms upp efter hand som den försöker hindra kvarnhjulet från att röra sig baklänges. Att haken värms upp av rummet och sedan blir varmare än rummet strider mot termodynamikens andra lag”, förklarar Paul M. Thibado.

Trots det bestämde sig Thibado och de övriga forskarna för att försöka utveckla en elektrisk krets som kan utvinna energi ur grafenets rörelser.

Efter att ha läst en vetenskaplig artikel publicerad av fysikern Léon Brillouin år 1950 hade Paul M. Thibado lärt sig att den elektriska kretsen behövde konstrueras på ett visst sätt.

Brillouin visade teoretiskt att även om man kunde utvinna energi ur brownsk rörelse och omvandla den till ström, så skulle det inte gå med en elektrisk krets där det bara ingår en diod, en elektrisk komponent som låter strömmen passera åt ena hållet och stoppar den i den motsatta riktningen.

Grafenstruktur böljar som ett hav

Grafen är en tvådimensionell variant av grafit, en typ av kol i en sexkantig gallerstruktur. Kolatomernas starka bindningar gör att grafen är cirka 200 gånger starkare än stål.

© Shutterstock

Det fungerar ungefär på samma sätt som att haken i tankeexperimentet bara låter kugghjulet vridas åt ett håll.

Anledningen att forskarna ändå gav sig i kast med att försöka lösa problemet var att ny forskning inom en modern gren av fysiken, stokastisk termodynamik, tydde på att både Léon Brillouins och Richard Feynmans antaganden kunde vara fel.

Insikt tog tre år

Paul M. Thibado placerade en metallsond nära grafenarket och utsatte det för spänning. Därefter fick grafenets rörelser, växelvis nära sonden och långt ifrån den, en växelström att gå i metallsonden och vidare ut i den elektriska kretsen.

Det visar sig att det inte utväxlas någon värme mellan grafenet och den elektriska kretsen längs vägen. Därmed bryter det inte mot termodynamikens andra lag, som bland andra Feynman förutsade.

”Vi upptäckte att vår hake, dioden, inte värms upp. Att nå denna djupa insikt krävde tre års arbete med de bästa teoretiska fysikerna och miljontals simuleringar med superdatorer”, berättar Paul M. Thibado.

För att omvandla den till likström, som de flesta elektroniska apparater använder, försåg forskarna kretsen med två motriktade dioder i stället för en. Det gör det möjligt för strömmen att passera genom den ena dioden när grafenet befinner sig nära sonden och strömmen går åt ena håller och genom den andra dioden när grafenet befinner sig långt bort från sonden och strömmen därför går i motsatt riktning.

Resultatet är ett material som med sin nanotjocklek kan vikas i lager och skapa ett mikrochips som är över hundra gånger mindre än dagens vanliga mikrochips. Dessutom kom forskarna fram till att dioderna faktiskt ökar mängden ström som alstras av grafenkretsen i stället för att minska den, som man tidigare trott var fallet.

Har forskarna därmed skapat en evighetsmaskin? Nej, svarar Paul M. Thibado, inget varar för evigt, inte ens grafenchips. Än så länge kan de inte heller alstra ens i närheten av den strömstyrka som batterier som sitter i exempelvis smartmobiler och elbilar gör.

VIDEO: Paul M. Thibado visar hur grafen alstrar ström.

Nästa steg är att göra kretsen mindre, så att miljontals kretsar kan klämmas in på ett chips som inte är större än en kvadratmillimeter.

Denna typ av ”grafenbatterier” kommer att kunna användas i stället för vanliga batterier i exempelvis armbandsur, pacemakrar, kroppsburen teknik eller små sensorer som används i framtidens internet, där inte bara datorer utan även kylskåp, bilar och andra produkter är uppkopplade mot nätet.

”Vi arbetar med att förse sakernas internet med el och tänker oss att vår energikälla kan ersätta batterier i små sensorer som man aldrig behöver byta batteri i”, säger Paul M. Thibado.