Avanço em energia limpa: geração de energia “impossível” usando grafeno desafia o século

Uma equipe de pesquisadores relata que conseguiu refutar um princípio de longa data da física moderna – que trabalho útil não pode ser obtido a partir de flutuações térmicas aleatórias – graças, em parte, às propriedades únicas do grafeno.

O movimento microscópico de partículas dentro de um fluido, também conhecido como movimento browniano devido à sua descoberta pelo cientista escocês Robert Brown, há muito é considerado um meio impossível de tentar gerar trabalho útil.

A ideia foi posta de lado há décadas pelo físico Richard Feynman, que propôs um experimento mental em maio de 1962 envolvendo uma aparente máquina de movimento perpétuo, apelidada de catraca browniana.

Em teoria, esse dispositivo seria composto por uma engrenagem e uma catraca que vibra enquanto está imersa em um banho térmico, permitindo o movimento apenas em uma direção. A premissa é que o movimento unidirecional produziria uma força na ausência de qualquer gradiente de calor, aparentemente desafiando a segunda lei da termodinâmica. No entanto, Feynman argumentou que, uma vez que os componentes da máquina também sofrerão movimento browniano, haverá inevitavelmente falhas na forma como funciona, anulando assim qualquer trabalho útil que possa gerar.

Agora, uma equipe de pesquisadores do Departamento de Física da Universidade de Arkansas argumenta que demonstraram que as flutuações térmicas no grafeno independente podem de fato ser usadas como parte de um novo método que permite a criação de trabalhos úteis, derrubando mais de um século de métodos convencionais. pensando na física moderna.

O grafeno é um fulereno composto por uma folha de grafite com apenas um átomo de espessura. Devido à estrutura ondulada que o grafeno independente possui, seu comportamento único em resposta à temperatura ambiente o tornou ideal para uso na pesquisa da equipe.

Num artigo que descreve a sua descoberta, a equipa considera teoricamente “uma ondulação de grafeno como uma partícula browniana”, que está acoplada a um circuito de armazenamento de energia. Se o circuito e a partícula browniana permanecerem a uma temperatura consistente, a energia não poderá ser gerada a partir da partícula de acordo com a segunda lei da termodinâmica. Isto permanece verdadeiro mesmo se um diodo retificador for introduzido no circuito.

“No entanto, quando o circuito contém uma junção seguida por dois diodos conectados em oposição”, explicam os autores do artigo, “a abordagem ao equilíbrio pode se tornar ultralenta”. Mais especificamente, o equilíbrio entre estes elementos é temporariamente interrompido à medida que a corrente passa entre um par de diodos, que carrega os capacitores de armazenamento.

“A energia captada por cada capacitor vem do banho térmico dos diodos”, explicam os autores do artigo, “enquanto o sistema obedece à primeira e à segunda leis da termodinâmica”. Assim, embora não existam leis termodinâmicas a serem desafiadas, trabalho útil é, no entanto, gerado a partir do movimento browniano, desafiando em muito os argumentos de Feynman em sentido contrário, de décadas atrás.

Durante o processo de pesquisa, a equipe, liderada pelo professor de física da Universidade de Arkansas, Paul Thibado, descobriu que, embora capacitores maiores produzam mais carga armazenada, o uso de capacitores menores à base de grafeno oferecia não apenas uma taxa inicial de carga mais alta, mas também descarregava ao longo de um período de tempo. período mais longo - um fator significativo, já que o uso da capacitância do grafeno dessa forma permite que os capacitores de armazenamento sejam desconectados do circuito usado para coletar a energia antes da perda da carga líquida.

Em um e-mail para The Debrief, Thibado explicou que a nova fonte de energia que ele e seus colegas descobriram conseguiu escapar dos físicos por tanto tempo por causa das limitações que os pesquisadores enfrentaram na década de 1960 durante as primeiras tentativas de resolver uma equação diferencial parcial que há muito deixa os físicos perplexos. .

“Encontramos esta nova fonte de energia resolvendo a equação de Fokker-Planck (FPE)”, diz Thibado.

Na década de 1960, mais ou menos na mesma época em que Feynman apresentou os seus argumentos sobre a utilização do movimento browniano para produzir trabalhos úteis, os cientistas também fizeram as primeiras tentativas para resolver a equação de Fokker-Planck.