Forestill deg et batteri som aldri må lades opp, men bare fortsetter og fortsetter å levere strøm.
Det høres kanskje ut som science fiction, men det er nettopp det forskere ved University of Arkansas nå har frambrakt i form av en brikke som høster energien fra bølgeaktige bevegelser i det særpregede karbonmaterialet grafen.
«Vi har gjort om grafenets fysiske bevegelser til elektrisk strøm. Det har man tidligere ment var umulig», forteller Paul M. Thibado, professor i fysikk ved University of Arkansas, til Illustrert Vitenskap.
Thibado og kollegene hans har gjort en oppsiktsvekkende bragd. Ved å høste energien fra bevegelsene i grafenet og gjøre den om til strøm har de motbevist fysikklærdom fra et halvt århundre. Og de har gjort det ved å bruke materialet grafen, som fysikere i flere tiår ikke trodde kunne eksistere.
Vi har omdannet grafenets fysiske bevegelser til elektrisk strøm. Det har man tidligere ment var umulig. Paul M. Thibado
Dermed har de skapt en helt ny form for energikilde som aldri må hentes i stikkontakten, og som kan brukes i alt fra pacemakere til armbåndsur i framtiden.
Ark bølger som havet
Grafen er, i motsetning til de fleste andre materialer, ikke et tredimensjonalt materiale, men et todimensjonalt.
Det består av ultratynne ark av karbon – bare ett atom tykt – og er bygd opp av sekskantede strukturer som får det til å minne om et hønsenetting.
Paul M. Thibado og forskerkollegene hans har oppdaget at et frittstående ark av grafen ikke bare ligger stille som et A4-ark på et skrivebord, men i stedet helt av seg selv vrir og kruser seg i bølgelignende bevegelser som oppstår utelukkende på grunn av varmeenergien ved vanlig romtemperatur.
«Vi forestiller oss grafenets bevegelser som de man kjenner fra havet. Vi har observert periodiske bølgebevegelser, tilfeldige bølgebevegelser og til og med monsterbølger», forklarer Thibado.
Etter oppdagelsen tenkte fysikkprofessoren at det måtte være mulig å høste grafenets bevegelsesenergi og gjøre den om til strøm – på samme måte som et bølgeenergianlegg gjør om energien i bølgene i havet om til elektrisitet.
Paul M. Thibado viser de små brikkene med grafen som kan bli framtidens batterier.
Et batteri som ikke krever noen form for oppladning, men bare fortsetter å levere strøm, ville revolusjonere energiteknologien. Men Thibado hadde et stort problem: Noen av det 20. århundrets største fysikere hadde ført bevis for at et slikt batteri ikke var mulig å bygge.
Grafen er unikt 2D-materiale
Grafen ble første gang lagt fram som en teori av den kanadiske fysikeren P.R. Wallace i 1947, men Wallace tvilte på at grafen noen gang ville komme til å eksistere som annet enn formler på tavlen i et auditorium.
Det endret de to nobelprisvinnende fysikere Andre Geim og Konstantin Novoselov ved Universitetet i Manchester på i 2004: De klarte å lage grafen i laboratoriet og dermed skape verdens første todimensjonale materiale.
Grafen er verdens sterkeste materiale og leder både elektrisitet og varme veldig effektivt. Derfor var det mange som mente at materialet ville bli viktig i alt fra databrikker til sportsutstyr.
Men en ting er å lage grafen, noe annet er å høste energi fra bevegelsene i materialet.
Basert på tidligere teorier framsatt av blant annet Albert Einstein viste den berømte amerikanske fysikeren Richard Feynman på 1960-tallet at det ikke er mulig å utvinne energi fra såkalte brownske bevegelser.
De brownske bevegelsene er oppkalt etter den skotske botanikeren Robert Brown, som beskrev hvordan varmeenergien – og ingenting annet – får partikler i en gass eller væske til å bevege seg tilfeldig rundt og støte sammen med hverandre.
Eksperiment brøt fysikkens lover
I 1912 utførte den polske fysikeren Marian Smoluchowski et tankeeksperiment som Richard Feynman bygde videre på for å argumentere for at det ikke er mulig å hente ut energi fra brownske bevegelser.
Et lite møllehjul er plassert i et kammer med luft. Møllehjulet er via en aksel forbundet med et tannhjul som befinner seg i et annet kammer, og som er utstyrt med en sperrehake som sørger for at det bare kan dreie i én retning.
Tilfeldige bevegelser kunne ikke drive møllehjul
Molekyler påvirker møllehjul
Molekyler blir varmet opp og skaper tilfeldige bevegelser (brownske bevegelser). De påvirker et møllehjul som er forbundet med et tannhjul via en aksel. Feynman argumenterte for at bevegelsene fra varmeenergien ikke kunne få tannhjulet til bare å bevege seg den ene veien.
Sperrehake kontrollerer tannhjul
En sperrehake er montert på tannhjulet for å sikre at det bare kan rotere i én retning. Hvis tannhjulet hadde rotert, kunne det ha utført arbeid som å løfte en vekt. Men de tilfeldige bevegelsene fra møllehjulet vil forsøke å få hjulet til å rotere i begge retninger.
Kan de brownske bevegelsene i luften skyve på møllen i det ene kammeret og dermed drive tannhjulet rundt i det andre? Svaret er nei, mente Feynman.
«Feynmans argument er at bolten vil bli varmet opp etter hvert som den forsøker å hindre møllehjulet i å bevege seg baklengs. At bolten blir varmet opp av rommet og deretter blir varmere enn rommet, er i strid med termodynamikkens andre lov», sier Paul M. Thibado.
Likevel satte Thibado og de andre forskerne seg som mål å utvikle et elektrisk kretsløp som kan hente ut energien fra bevegelsene i grafenet.
En vitenskapelig artikkel utgitt av fysikeren Léon Brillouin i 1950 ga Thibado en indikasjon på hvordan det elektriske kretsløpet skulle konstrueres.
Brillouin viste på et teoretisk nivå at selv om man kunne høste energien fra brownske bevegelser og gjøre dem om til strøm, ville det ikke være mulig med et elektrisk kretsløp der det bare inngår en diode – en elektrisk komponent som lar strømmen passere i den ene retningen og sperrer for den i motsatt retning.
Grafen er den todimensjonale utgaven av grafitt – en form for karbon i en sekskantet gitterstruktur. De sterke karbonbindingene betyr at grafen er omkring 200 ganger så sterkt som stål.
Litt på samme måte som bolten i tankeeksperimentet bare lar tannhjulet rotere i en retning.
Når forskerne likevel ga seg i kast med å løse problemet, skyldes det at ny forskning i en moderne gren av fysikken – stokastisk termodynamikk – kunne tyde på at antagelsene til både Brillouin og Feynman var feil.
Erkjennelse tok tre år
Paul M. Thibado satte en metallsonde nesten helt inntil grafenarket og skrudde på spenningen. Bevegelsene i grafenet – først nær sonden og så lenger unna – skapte en vekselstrøm i metallsonden og videre ut i det elektriske kretsløpet.
Det viser seg at det ikke utveksles varme mellom grafenet og det elektriske kretsløpet underveis – og dermed blir ikke termodynamikkens andre lov brutt – noe Feynman forutsa.
«Vi fant ut at sperrehaken vår – dioden – ikke blir varmet opp. Å oppnå denne dype erkjennelsen krevde tre års arbeid med de beste teoretiske fysikerne og millioner av simuleringer på superdatamaskiner», forteller Thibado.
For å forvandle vekselstrømmen til likestrøm, som de fleste elektroniske apparater bruker, koblet forskerne på to motsattrettede dioder i stedet for en. Det gjør det mulig for strømmen å gå gjennom den ene dioden når grafenet er nær sonden, og gjennom den andre dioden når grafenet er langt fra sonden og strømmen derfor går i motsatt retning.
Blafrende karbonark skaper strøm
Grafenets naturlige bølgebevegelser kan brukes til å høste energi som kan gjøres om til elektrisk strøm. Grafenet er 10 mikrometer på hver side og er så smått at det kreves 20 000 stykker for å dekke et knappenålshode.
1. Grafen settes mellom metallsonder
Et ark av grafen er spent ut i et vakuumkammer. Grafenet beveger seg ved romtemperatur i bølger som oppstår ut fra materialets egen varmeenergi. Dette kalles brownske bevegelser. Utenfor grafenet befinner det seg metallsonder som er elektrisk ladet.
2. Bevegelser setter strøm i bevegelse
Grafenet bølger opp og ned mellom metallsondene i kretsløpet. Bevegelsen får de elektriske ladningene til å flytte seg fram og tilbake mellom de to metallsondene – og skaper dermed elektrisk strøm i kretsløpet.
3. Pacemakere får strøm
Strømmen går først i den ene banen, med klokken, og deretter i den andre, mot klokken, i takt med bølgene i grafenarket. Det skaper vekselstrøm som deretter kan gjøres om til likestrøm til elektriske apparater som for eksempel en pacemaker.
Materialet er så tynt at det kan foldes i lag og danne mikrobrikker som bare er en hundredel av størrelsen til de som brukes i dag. Dessuten fant forskerne ut at diodene øker mengden strøm som produseres av grafenkretsløpet – i stedet for å redusere den, som man tidligere trodde ville være tilfellet.
Men har forskerne skapt en evighetsmaskin? Nei, forklarer Paul M. Thibado, for ingenting holder evig – heller ikke grafenbrikkene. Og de kan fortsatt ikke levere i nærheten av samme strømstyrke som de batteriene vi for eksempel kjenner fra smarttelefoner eller elbiler.
VIDEO: Paul M. Thibado viser hvordan grafen skaper strøm
De små bølgebevegelsene i grafenet kan kanskje erstatte batteriet i en klokke, slik at det aldri blir nødvendig å skifte det.
Men de kan også bli enda mindre, og neste skritt er å virkelig krympe kretsløpet – slik at millioner av mikrobrikker kan få plass på en kvadratmillimeter.
Denne typen «grafenbatterier» vil kunne brukes som erstatning for batterier i for eksempel armbåndsur, pacemakere eller små sensorer som brukes i framtidens internett – der ikke bare datamaskiner, men også kjøleskap, biler og andre produkter er koblet til nettet.
«Vi arbeider for å levere strøm til tingenes internett. Kanskje energikilden vår kan erstatte batterier i små sensorer, slik at du aldri må skifte dem», sier Thibado.