Stel je een batterij voor die nooit hoeft te worden opgeladen, maar gewoon oneindig stroom blijft leveren.
Het klinkt misschien als sciencefiction, maar onderzoekers van de universiteit van Arkansas hebben het voor elkaar: ze hebben een chip gemaakt die energie aftapt van golfachtige bewegingen in het bijzondere koolstofmateriaal grafeen.
‘We hebben de fysieke bewegingen van grafeen omgezet in elektrische stroom. Voorheen werd dit onmogelijk geacht,’ vertelt Paul M. Thibado, hoogleraar natuurkunde aan de universiteit van Arkansas, aan het tijdschrift Science.
De prestatie van Thibado en zijn collega’s is opzienbarend, want door de energie van de beweging van grafeen af te tappen en in stroom om te zetten, hebben ze een halve eeuw aan natuurkundige inzichten ontkracht. En dat met grafeen, een materiaal waarvan natuurkundigen tientallen jaren dachten dat het niet kon bestaan.
We hebben de fysieke bewegingen van grafeen omgezet in elektrische stroom. Voorheen werd dit onmogelijk geacht. Paul M. Thibado
Hierdoor is een volledig nieuwe energiebron ontstaan waar geen stopcontact aan te pas komt en die in de toekomst alom toepasbaar zal zijn, zoals in pacemakers of horloges.
Vellen golven als de zee
In tegenstelling tot de meeste andere materialen in de fysieke wereld is grafeen geen driedimensionaal maar een tweedimensionaal materiaal.
Het bestaat uit ultradunne velletjes koolstof van slechts één atoom dik en is opgebouwd uit zeshoekige structuren, waardoor het lijkt op kippengaas.
Thibado en zijn team hebben ontdekt dat een enkel vel grafeen niet gewoon stilligt als een A4’tje op een bureau, maar vanzelf kronkelt en krult in golfachtige bewegingen die uitsluitend voortkomen uit de warmte-energie bij kamertemperatuur.
‘We stellen ons de grafeenbewegingen voor als wat we kennen van golven in zee. We hebben periodieke golfbewegingen, willekeurige golfbewegingen en zelfs monstergolven waargenomen,’ vertelt Paul Thibado.
Na de ontdekking dacht de hoogleraar natuurkunde dat het mogelijk moest zijn de bewegingsenergie van grafeen te oogsten en om te zetten in stroom, net zoals een golfenergiecentrale de energie van golven in zee omzet in elektriciteit.
Paul M. Thibado laat de kleine chips met grafeen zien, die batterijen in de toekomst kunnen vervangen.
Een batterij die eeuwig meegaat zonder opladen zou een revolutie betekenen voor de energietechnologie. Maar Paul Thibado had een groot probleem: Enkele van de grootste natuurkundigen van de 20e eeuw hadden bewezen dat een dergelijke batterij niet te maken was.
Grafeen is uniek 2D-materiaal
Het bestaan van grafeen werd voor het eerst serieus genomen door de Canadese natuurkundige P.R. Wallace in 1947, maar hij betwijfelde of het niet bij een formule op het bord van een collegezaal zou blijven.
De Nobelprijswinnaars Andre Geim en Konstantin Novoselov van de universiteit van Manchester slaagden er in 2004 echter in om grafeen in het laboratorium te produceren en zo ’s werelds eerste tweedimensionale materiaal te creëren.
Grafeen is het sterkste materiaal ter wereld en een uitstekende geleider van elektriciteit en warmte. Er werd dan ook al snel voorspeld dat het materiaal een grote toekomst zou hebben in computerchips, sportuitrusting en nog veel meer.
Maar grafeen maken is één ding, energie oogsten uit de bewegingen ervan is iets anders.
Een materiaal dat alleen beweegt door middel van warmte-energie is in strijd met de natuurkundewetten. Op basis van eerdere theorieën van Albert Einstein en anderen toonde de beroemde Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman in de jaren 1960 aan dat het niet mogelijk is energie te onttrekken aan zogeheten Brownse bewegingen.
Brownse bewegingen zijn genoemd naar de Schotse botanicus Robert Brown, die beschreef hoe warmte-energie – en niets anders – deeltjes in een gas of vloeistof willekeurig doet bewegen en met elkaar in botsing brengt.
Experiment brak met natuurkunde
In 1912 voerde de Poolse natuurkundige Marian Smoluchowski een gedachte-experiment uit waarop Richard Feynman voortborduurde om te beargumenteren waarom energiewinning uit Brownse bewegingen niet mogelijk is.
Een klein schoepenrad wordt in een kamer met lucht geplaatst. Het rad is via een as verbonden met een tandwiel in een andere kamer, dat is voorzien van een pal – een pinnetje dat in het tandwiel steekt. De pal remt de rotatie van het tandwiel af, zodat het slechts één tand tegelijk draait, en voorkomt ook dat het wiel achteruit draait.
Willekeurige bewegingen konden rad niet aandrijven
Moleculen beïnvloeden schoepenrad
Moleculen worden verhit en creëren willekeurige bewegingen (Brownse bewegingen). Ze beïnvloeden een schoepenrad dat met een as verbonden is aan een tandwiel. Feynman betoogde dat de bewegingen van de warmte-energie het tandwiel niet slechts één kant op konden laten draaien.
Pal controleert tandwiel
Op het tandwiel is een pal aangebracht om ervoor te zorgen dat het slechts één kant op kan draaien. Een draaiend tandwiel kan arbeid verrichten, zoals een gewicht heffen, maar dat kan dit tandwiel niet. De willekeurige bewegingen van het rad zullen proberen het wiel in beide richtingen te laten draaien.
Kunnen de Brownse bewegingen van de luchtmoleculen het rad in de ene kamer voortstuwen en zo het tandwiel in de andere kamer aandrijven? Het antwoord is nee, dacht Feynman.
‘Feynman’s argument is dat de pal warm wordt doordat hij moet voorkomen dat het schoepenrad achteruitgaat. Dat de pal verwarmd wordt door de ruimte en dan warmer wordt dan de ruimte is in strijd met de 2e wet van de thermodynamica,’ zegt Paul M. Thibado.
Toch begonnen Thibado en de andere onderzoekers een elektrisch circuit te ontwikkelen dat de energie van de bewegingen van grafeen kon opvangen.
Uit een artikel dat de natuurkundige Léon Brillouin in 1950 publiceerde, wist Thibado dat het elektrische circuit op een bepaalde manier moest worden geconstrueerd.
Brillouin toonde theoretisch aan dat zelfs als je de energie van Brownse beweging zou kunnen oogsten en omzetten in stroom, dit niet mogelijk zou zijn in een elektrisch circuit met slechts één diode – een elektrisch onderdeel dat stroom in één richting doorlaat en in de andere richting blokkeert.
Grafeen is de tweedimensionale versie van grafiet – een vorm van koolstof in een hexagonale roosterstructuur. Door de sterke koolstofverbindingen is grafeen circa 200 keer zo sterk als staal.
Net zoals de pal in het gedachte-experiment het tandwiel maar één kant op laat draaien.
De wetenschappers bogen zich echter toch over het probleem omdat nieuw onderzoek in een moderne tak van de natuurkunde, de stochastische thermodynamica, erop duidde dat de aannames van zowel Léon Brillouin als Richard Feynman wel eens onjuist zouden kunnen zijn.
Erkenning duurt drie jaar
Paul Thibado plaatste een metalen sonde dicht bij het vel grafeen en voerde spanning toe. De bewegingen van het grafeen – afwisselend dicht bij de sonde en er ver vandaan – veroorzaakten wisselstroom in de sonde zelf en verder in het elektrische circuit.
Het grafeen en het elektrische circuit wisselen geen warmte uit, en dus wordt de tweede wet van de thermodynamica niet geschonden, zoals Feynman en anderen voorspelden.
‘We hebben ontdekt dat ons palletje – de diode – niet verwarmd wordt. Voor dit diepgaande inzicht moesten de beste theoretisch natuurkundigen wel drie jaar aan de slag en waren er miljoenen supercomputersimulaties nodig,’ aldus Thibado.
Om gelijkstroom te verkrijgen, die de meeste elektronische apparaten gebruiken, voorzagen de onderzoekers het circuit van twee tegenover elkaar geplaatste diodes in plaats van één. Zo kan stroom door de ene diode lopen wanneer het grafeen dicht bij de sonde is en de stroom de ene kant op loopt, en door de andere diode wanneer het grafeen ver van de sonde verwijderd is en de stroom dus de andere kant op loopt.
Wapperend velletje koolstof creëert stroom
De natuurlijke golfbeweging van het grafeen kan worden gebruikt om energie te oogsten die in elektrische stroom kan worden omgezet. De mazen van grafeen, van 10 x 10 micrometer, zijn zo klein dat er 20.000 op een speldenknop passen.
1. Grafeen wordt tussen metalen sondes geplaatst
Een vel grafeen wordt uitgespannen in een vacuümkamer. Het grafeen beweegt bij kamertemperatuur in golven die ontstaan uit de thermische energie van het materiaal zelf, zogeheten Brownse bewegingen. Buiten het grafeen bevinden zich elektrisch geladen metalen sondes.
2. Bewegingen laten stroom lopen
Het grafeen golft tussen de metalen sondes van het circuit. Door die beweging bewegen de elektrische ladingen tussen de twee metalen sondes heen en weer, waardoor in het circuit een elektrische stroom gaat lopen.
3. Pacemakers krijgen stroom
De stroom loopt afwisselend in het ene circuit met de klok mee en in het andere tegen de klok in, terwijl de grafeenlaag golft. Zo ontstaat wisselstroom, die kan worden omgezet in gelijkstroom voor elektrische apparaten als pacemakers.
Het resultaat is een materiaal dat, met zijn nanodikte, in lagen kan worden gevouwen tot een microchip die ruim 100 keer zo klein is als de huidige microchips. De hoeveelheid stroom die door het grafeencircuit wordt geproduceerd, blijkt bovendien door de diodes verhoogd te worden, en niet verlaagd, zoals eerder werd gedacht.
Maar hebben de onderzoekers een echte eeuwigheidsmachine gemaakt? Nee, legt Paul M. Thibado uit, want niets gaat eeuwig mee – zelfs grafeenchips niet. En ze kunnen nog lang niet het vermogen leveren als de batterijen die we kennen van bijvoorbeeld telefoons of elektrische auto’s.
VIDEO: Paul M. Thibado laat zien hoe grafeen energie opwekt
De kleine golfbewegingen van grafeen kunnen in wezen de batterij in een horloge vervangen, zodat deze nooit verwisseld hoeft te worden.
De volgende stap is het circuit zo te verkleinen dat er miljoenen van in een piepkleine chip van een vierkante millimeter kunnen worden geperst.
Dit soort ‘grafeenbatterijen’ kunnen echte batterijen vervangen in horloges, pacemakers, wearables of kleine sensoren die worden gebruikt in het internet van de toekomst, waarbij niet alleen computers maar ook koelkasten, auto’s en andere producten met het net zijn verbonden.
‘We werken aan de stroomvoorziening voor het Internet of Things en stellen ons voor dat onze energiebron batterijen kan vervangen in kleine sensoren, waarvan je dus nooit de batterijen hoeft te verwisselen,’ besluit Paul Thibado.