Forestil dig et batteri, som aldrig skal lades op, men bare bliver ved og ved med at levere strøm i det uendelige.
Det lyder måske som science fiction, men det er netop, hvad forskere fra University of Arkansas nu har frembragt i form af en chip, der høster energien fra bølgeagtige bevægelser i det særprægede kulstofmateriale grafen.
“Vi har omdannet grafens fysiske bevægelser til elektrisk strøm. Det har man tidligere ment var umuligt,” fortæller Paul M. Thibado, professor i fysik ved University of Arkansas, til Illustreret Videnskab.
Paul M. Thibado og kollegernes bedrift er opsigtsvækkende, fordi forskerne ved at høste energien fra grafens bevægelser og lave den om til strøm har modbevist et halvt århundredes fysiklærdom. Og de har gjort det ved at bruge materialet grafen, som fysikere i årtier ikke troede kunne eksistere.
Vi har omdannet grafens fysiske bevægelser til elektrisk strøm. Det har man tidligere ment var umuligt. Paul M. Thibado
Dermed er det lykkedes at skabe en helt ny form for energikilde, som aldrig skal hentes i stikkontakten og kan bruges i alt fra pacemakere til armbåndsure i fremtiden.
Ark bølger som havet
Grafen er modsat de fleste andre materialer fra den fysiske verden ikke et tredimensionelt materiale, men todimensionelt.
Det består af ultratynde ark af kulstof på kun ét atoms tykkelse og er opbygget af sekskantede strukturer, som får det til at minde om et hønsenet af udseende.
Paul M. Thibado og hans forskerkolleger har opdaget, at et fritstående ark af grafen ikke bare ligger stille som et stykke A4-papir på et skrivebord, men i stedet helt af sig selv vrider og kruser sig i bølgelignende bevægelser, der opstår alene ud fra varmeenergien ved almindelig stuetemperatur.
“Vi forestiller os grafens bevægelser som dem, man kender fra havets bølger. Vi har observeret periodiske bølgebevægelser, tilfældige bølgebevægelser og endda monsterbølger,” forklarer Paul M. Thibado.
Efter opdagelsen tænkte fysikprofessoren, at det måtte kunne lade sig gøre at høste grafens bevægelsesenergi og omdanne den til strøm – på samme måde som et bølgeenergianlæg omdanner energien i havets bølger til elektricitet.
Paul M. Thibado viser de små chips med grafen, der kan erstatte fremtidens batterier.
Et batteri, som ikke kræver nogen form for opladning, men bare bliver ved med at levere strøm, ville revolutionere energiteknologien. Men Paul M. Thibado havde et stort problem: Nogle af det 20. århundredes største fysikere havde ført bevis for, at et sådant batteri ikke var praktisk muligt at bygge.
Grafen er unikt 2D-materiale
Eksistensen af grafen blev foreslået for første gang af den canadiske fysiker P.R. Wallace i 1947, men Wallace tvivlede på, at grafen nogensinde ville komme til at eksistere som andet end formler på tavlen i et auditorium.
Det ændrede de to nobelprisvindende fysikere Andre Geim og Konstantin Novoselov fra Manchester Universitet dog på i 2004, hvor det lykkedes dem at fremstille grafen i laboratoriet og dermed skabe verdens første todimensionelle materiale.
Grafen er verdens stærkeste materiale og er desuden fremragende til at lede elektricitet og varme. Materialet blev derfor hurtigt spået en stor fremtid i alt fra computerchips til sportsudstyr.
Men ét er at fremstille grafen, noget andet er at høste energi fra dets bevægelser.
Et materiale, der kun bevæger sig vha. varmeenergi strider ganske enkelt mod fysikkens love. Baseret på tidligere teorier fremsat af bl.a. Albert Einstein viste den berømte amerikanske fysiker Richard Feynman i 1960’erne, at det ikke er muligt at udvinde energi fra såkaldte brownske bevægelser.
De brownske bevægelser er opkaldt efter den skotske botaniker Robert Brown, der beskrev, hvordan varmeenergien – og intet andet – får partikler i en gas eller væske til at bevæge sig tilfældigt rundt og støde sammen med hinanden.
Eksperiment brød fysikkens love
I 1912 udførte den polske fysiker Marian Smoluchowski et tankeeksperiment, som Richard Feynman byggede videre på for at argumentere for, hvorfor energiudvinding fra brownske bevægelser ikke er mulig.
Et lille møllehjul er placeret i et kammer med luft. Møllehjulet er via en aksel forbundet til et tandhjul, der befinder sig i et andet kammer og er udstyret med en pal – dvs. en lille tap, der stikker ind i tandhjulet. Palen bremser tandhjulets rotation, så det kun drejer én tand ad gangen, og forhindrer derudover hjulet i at dreje baglæns.
Tilfældige bevægelser kunne ikke drive møllehjul
Molekyler påvirker møllehjul
Molekyler bliver varmet op og skaber tilfældige bevægelser (brownske bevægelser). De påvirker et møllehjul, der er forbundet med en aksel til et tandhjul. Feynman argumenterede, at bevægelserne fra varmeenergien ikke kunne få tandhjulet til kun at dreje den ene vej.
Pal kontrollerer tandhjul
En pal er monteret på tandhjulet for at sikre, at det kun kan dreje i én retning. Hvis tandhjulet drejer, kan det udføre arbejde som at løfte en vægt, men det kan det ikke. De tilfældige bevægelser fra møllehjulet vil forsøge at få hjulet til at dreje i begge retninger.
Kan luftmolekylernes brownske bevægelser skubbe til møllen i det ene kammer og dermed drive tandhjulet rundt i det andet? Svaret er nej, mente Feynman.
“Feynmans argument lyder, at palen vil blive varmet op, efterhånden som den forsøger at stoppe møllehjulet i at bevæge sig baglæns. At palen bliver opvarmet af rummet og derefter bliver varmere end rummet, er i strid med termodynamikkens 2. lov,” siger Paul M. Thibado.
Alligevel satte Thibado og de øvrige forskere sig for at udvikle et elektrisk kredsløb, der kan opsamle energien fra grafens bevægelser.
Fra en videnskabelig artikel udgivet af fysikeren Léon Brillouin i 1950 vidste Paul M. Thibado, at det elektriske kredsløb skulle konstrueres på en bestemt måde.
Brillouin viste på et teoretisk niveau, at selv hvis man kunne høste energien fra brownske bevægelser og omdanne dem til strøm, ville det ikke være muligt med et elektrisk kredsløb, hvor der kun indgår én diode – en elektrisk komponent, der lader strømmen passere i den ene retning og spærrer for den i den modsatte retning.
Grafen er den todimensionelle udgave af grafit – en form for kulstof i en sekskantet gitterstruktur. De stærke kulatombindinger betyder, at grafen er omkring 200 gange stærkere end stål.
Lidt på samme måde som palen i tankeeksperimentet kun lader tandhjulet dreje i en retning.
Når forskerne alligevel kastede sig ud i at løse problemet, skyldes det, at ny forskning inden for en moderne gren af fysikken kaldet stokastisk termodynamik pegede på, at både Léon Brillouins og Richard Feynmans antagelser kunne være forkerte.
Erkendelse tog tre år
Paul M. Thibado placerede en metalsonde tæt på grafenarket og satte spænding på. Derefter fik grafenets bevægelser – skiftevis tæt på sonden og langt fra den – en vekselstrøm til at løbe i metalsonden og videre ud i det elektriske kredsløb.
Det viser sig, at der ikke udveksles varme mellem grafenet og det elektriske kredsløb undervejs – og dermed bliver termodynamikkens 2. lov ikke brudt, som bl.a. Feynman ellers forudsagde.
“Vi fandt ud af, at vores pal – dioden – ikke bliver varmet op. At opnå denne dybe erkendelse krævede tre års arbejde med de bedste teoretiske fysikere og millioner af supercomputersimuleringer,” fortæller Paul M. Thibado.
For at forvandle det til jævnstrøm, som de fleste elektroniske apparater anvender, forsynede forskerne kredsløbet med to modsatrettede dioder i stedet for én. Det gør det muligt for strømmen at løbe gennem den ene diode, når grafenet er tæt på sonden, og strømmen løber den ene vej, og igennem den anden diode, når grafenet er langt væk fra sonden, og strømmen derfor løber i modsat retning.
Blafrende kulstof-ark skaber strøm
Grafens naturlige bølgebevægelser kan bruges til at høste energi, der kan omdannes til elektrisk strøm. Grafenet er 10 mikrometer på hver led og er så småt, at der skal 20.000 stk. til at dække et knappenålshoved.
1. Grafen placeres imellem metalsonder
Et ark af grafen er spændt ud i et vakuumkammer. Grafenet bevæger sig ved stuetemperatur i bølger, som opstår ud fra materialets egen varmeenergi, kaldet brownske bevægelser. Ud for grafenet befinder der sig elektrisk ladede metalsonder.
2. Bevægelser får strøm til at løbe
Grafenet bølger op og ned mellem kredsløbets metalsonder. Bevægelsen får de elektriske ladninger til at flytte sig frem og tilbage mellem de to metalsonder – og får dermed en elektrisk strøm til at løbe i kredsløbet.
3. Pacemakere får strøm
Strømmen løber skiftevis i den ene bane med uret og dernæst den anden mod uret, i takt med at grafenarket bølger. Det skaber dermed vekselstrøm, som herefter kan omdannes til jævnstrøm til elektriske apparater som fx en pacemaker.
Resultatet er et materiale, som med sin nanotykkelse kan foldes i lag og skabe en mikrochip over hundrede gange mindre end gængse mikrochips i dag. Ovenikøbet fandt forskerne ud af, at dioderne faktisk øger mængden af strøm, der produceres af grafenkredsløbet, i stedet for at mindske den, som man ellers tidligere troede ville være tilfældet.
Men har forskerne så skabt en regulær evighedsmaskine? Nej, forklarer Paul M. Thibado, for intet holder evigt – heller ikke grafenchipsene. Og endnu kan de heller ikke levere nær samme strømstyrker som de batterier, vi fx kender fra smartphones eller elbiler.
VIDEO: Paul M. Thibado viser, hvordan grafen skaber strøm
Grafens små bølgebevægelser kan potentielt erstatte batteriet i et ur, så det aldrig bliver nødvendigt at udskifte det.
Men mindre kan også gøre det, og næste skridt er at skrumpe kredsløbet ned i størrelse, så millioner af dem kan presses ind i en lille chip i størrelsesordenen en kvadratmillimeter.
Denne type “grafenbatterier” vil kunne bruges som erstatning for rigtige batterier i fx armbåndsure, pacemakere, wearables eller små sensorer, der bruges i fremtidens internet, hvor ikke bare computere, men også køleskabe, biler og andre produkter er koblet til nettet.
“Vi arbejder på at levere strøm til Internet of Things og forestiller os, at vores energikilde kan erstatte batterier i små sensorer, som du aldrig vil skulle sætte nye batterier i,” siger Paul M. Thibado.