Obtenir un travail utile à partir de fluctuations aléatoires dans un système à l’équilibre thermique a longtemps été considéré comme impossible. En fait, dans les années 1960, l'éminent physicien américain Richard Feynman a effectivement mis fin à toute enquête après avoir soutenu dans une série de conférences que le mouvement brownien, ou le mouvement thermique des atomes, ne pouvait pas accomplir de travail utile.
Maintenant, une nouvelle étude publiée dans Physical Review E intitulé "Charger les condensateurs à partir des fluctuations thermiques à l'aide de diodes" a prouvé que Feynman avait raté quelque chose d'important.
Trois des cinq auteurs de l'article sont issus du département de physique de l'Université de l'Arkansas. Selon le premier auteur Paul Thibado, leur étude prouve rigoureusement que les fluctuations thermiques du graphène autonome, lorsqu'il est connecté à un circuit avec des diodes ayant une résistance non linéaire et des condensateurs de stockage, produisent un travail utile en chargeant les condensateurs de stockage.
Les auteurs ont découvert que lorsque les condensateurs de stockage ont une charge initiale nulle, le circuit tire de l'énergie de l'environnement thermique pour les charger.
L’équipe a ensuite montré que le système satisfait à la fois aux première et deuxième lois de la thermodynamique tout au long du processus de chargement. Ils ont également constaté que des condensateurs de stockage plus grands produisent davantage de charge stockée et qu'une capacité de graphène plus petite offre à la fois un taux de charge initial plus élevé et un temps de décharge plus long. Ces caractéristiques sont importantes car elles laissent le temps de déconnecter les condensateurs de stockage du circuit de récupération d'énergie avant que la charge nette ne soit perdue.
Cette dernière publication s'appuie sur deux des études précédentes du groupe. Le premier a été publié dans un Physical Review Letters de 2016. . Dans cette étude, Thibado et ses co-auteurs ont identifié les propriétés vibratoires uniques du graphène et son potentiel de récupération d'énergie.
Le second a été publié dans un Physical Review E de 2020. article dans lequel ils discutent d'un circuit utilisant du graphène qui peut fournir une énergie propre et illimitée pour les petits appareils ou capteurs.
Cette dernière étude va encore plus loin en établissant mathématiquement la conception d'un circuit capable de collecter l'énergie de la chaleur de la terre et de la stocker dans des condensateurs pour une utilisation ultérieure.
"En théorie, c'est ce que nous cherchions à prouver", a expliqué Thibado. "Il existe des sources d'énergie bien connues, telles que les gradients cinétiques, solaires, ambiants, acoustiques et thermiques. Il existe désormais également l'énergie thermique non linéaire. Habituellement, les gens imaginent que l'énergie thermique nécessite un gradient de température. Bien sûr, , une source importante d'énergie pratique, mais ce que nous avons découvert est une nouvelle source d'énergie qui n'a jamais existé auparavant. Et cette nouvelle énergie ne nécessite pas deux températures différentes car elle existe à une seule température. "
Outre Thibado, les co-auteurs incluent Pradeep Kumar, John Neu, Surendra Singh et Luis Bonilla. Kumar et Singh sont également professeurs de physique à l'Université de l'Arkansas, Neu à l'Université de Californie à Berkeley et Bonilla à l'Université Carlos III de Madrid.
Une décennie d'enquête
L'étude représente la solution à un problème que Thibado étudie depuis plus d'une décennie, lorsque lui et Kumar ont suivi pour la première fois le mouvement dynamique des ondulations dans le graphène autonome au niveau atomique. Découvert en 2004, le graphène est une feuille de graphite d'un atome d'épaisseur. Le duo a observé que le graphène autonome a une structure ondulée, chaque ondulation oscillant de haut en bas en réponse à la température ambiante.
"Plus quelque chose est fin, plus il est flexible", a déclaré Thibado. "Et avec seulement un atome d'épaisseur, il n'y a rien de plus flexible. C'est comme un trampoline, qui monte et descend constamment. Si vous voulez l'empêcher de bouger, vous devez le refroidir à 20 Kelvin."
Ses efforts actuels dans le développement de cette technologie se concentrent sur la construction d’un appareil qu’il appelle Graphene Energy Harvester (ou GEH). GEH utilise une feuille de graphène chargée négativement suspendue entre deux électrodes métalliques.
Lorsque le graphène se relève, il induit une charge positive dans l’électrode supérieure. Lorsqu'il s'abaisse, il charge positivement l'électrode inférieure, créant ainsi un courant alternatif. Avec des diodes câblées en opposition, permettant au courant de circuler dans les deux sens, des chemins séparés sont fournis à travers le circuit, produisant un courant continu pulsé qui effectue un travail sur une résistance de charge.
NTS Innovations, une société spécialisée dans la nanotechnologie, détient la licence exclusive pour développer GEH en produits commerciaux. Étant donné que les circuits GEH sont si petits, de seulement quelques nanomètres, ils sont idéaux pour la duplication en masse sur des puces de silicium. Lorsque plusieurs circuits GEH sont intégrés sur une puce dans des réseaux, davantage de puissance peut être produite. Ils peuvent également fonctionner dans de nombreux environnements, ce qui les rend particulièrement intéressants pour les capteurs sans fil dans des endroits où le changement des piles est peu pratique ou coûteux, comme un système de canalisations souterraines ou des goulottes de câbles à l'intérieur d'un avion.
Donald Meyer, fondateur et PDG de NTS Innovations, a déclaré :« Les recherches de Paul renforcent notre conviction que nous sommes sur la bonne voie avec la récupération d'énergie du graphène. Nous apprécions notre partenariat avec l'Université de l'Arkansas pour commercialiser cette technologie. »
Ryan McCoy, vice-président des ventes et du marketing de NTS Innovations, a ajouté :« Il existe une large demande dans l'industrie électronique pour réduire les facteurs de forme et diminuer la dépendance aux batteries et à l'alimentation filaire. Nous pensons que la récupération d'énergie au graphène aura un impact profond sur les deux. "
À propos du long chemin parcouru pour réaliser sa dernière percée théorique, Thibado a déclaré :« Il y a toujours eu cette question :« Si notre appareil au graphène est dans un environnement vraiment calme et très sombre, récoltera-t-il de l'énergie ou non ? La réponse conventionnelle à cette question est non, car cela défie apparemment les lois de la physique. Mais la physique n’a jamais été étudiée attentivement. »
"Je pense que les gens avaient un peu peur du sujet à cause de Feynman. Alors, tout le monde a simplement dit :'Je ne touche pas à ça.' Mais la question n'a cessé de réclamer notre attention, honnêtement, sa solution n'a été trouvée que grâce à la persévérance et aux approches diversifiées de notre équipe unique. "
Plus d'informations : P. M. Thibado et al, Chargement des condensateurs à partir des fluctuations thermiques à l'aide de diodes, Physical Review E (2023). DOI :10.1103/PhysRevE.108.024130
Informations sur le journal : Lettres d'examen physique , Examen physique E
Fourni par l'Université de l'Arkansas
