Impossvel? Gerador de grafeno extrai energia do movimento browniano

Energia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 22/08/2023

Extrair energia do movimento browniano

Sabemos que todos os sistemas fsicos apresentam flutuaes aleatrias constantes, resultantes do movimento trmico dos tomos, conhecido como movimento browniano.

Desde o incio do sculo XIX houve interesse em extrair trabalho til desse movimento. Mas, na dcada de 1960, o famoso fsico Richard Feynman jogou uma p de cal sobre o assunto em uma srie de palestras sobre o movimento browniano, em demonstraes que passaram a fazer parte dos livros-texto de Fsica at hoje.

Mas parece que a anlise de Feynman no era assim to completa, tendo deixado de lado algo essencial, como acaba de demonstrar uma equipe das universidades de Arkansas, Stanford (EUA) e Carlos III de Madrid (Espanha).

A equipe provou rigorosamente que as flutuaes trmicas de uma folha de grafeno, devidamente conectada a um circuito com diodos com resistncia no-linear e capacitores de armazenamento, de fato produz um trabalho til, carregando os capacitores com eletricidade.

Os pesquisadores descobriram que, quando os capacitores de armazenamento tm carga inicial zero, o circuito extrai energia do ambiente trmico para carreg-los.

Alm disso, capacitores de armazenamento maiores retiram mais carga do mesmo circuito, e uma capacitncia menor do grafeno fornece tanto uma taxa inicial de carregamento mais alta quanto um tempo mais longo para descarregar. Essas caractersticas so importantes porque permitem tempo para desconectar os capacitores de armazenamento do circuito de coleta de energia antes que a carga lquida seja perdida.

A equipe demonstrou ainda que o sistema satisfaz tanto a primeira quanto a segunda lei da termodinmica ao longo do processo de carregamento.

Energia trmica no-linear

A descoberta se baseia em dois estudos anteriores da mesma equipe. Em 2016, eles identificaram as propriedades vibracionais nicas do grafeno e seu potencial para captao de energia.

Ento, em 2020 eles propuseram um circuito usando grafeno capaz de fornecer energia limpa e ilimitada para pequenos dispositivos ou sensores.

Agora a equipe foi alm, tanto em termos de rigor matemtico quanto de aplicao prtica, apresentando o projeto de um circuito capaz de captar energia do calor da Terra e armazen-la em capacitores para uso posterior, o que eles chamam de “energia trmica no-linear”.

“Teoricamente, era isso que queramos provar. Existem fontes de energia bem conhecidas, como cintica, solar, radiao ambiente, acstica e gradientes trmicos. Agora tambm h energia trmica no-linear,” explicou o professor Paul Thibado. “Normalmente, as pessoas imaginam que a energia trmica requer um gradiente de temperatura. Isso , claro, uma importante fonte de energia prtica, mas o que descobrimos uma nova fonte de energia que nunca existiu antes. E essa nova energia no requer duas temperaturas diferentes porque ela existe em uma nica temperatura.”

Coletor de Energia de Grafeno

Tudo comeou quando a equipe monitorou no nvel atmico o movimento dinmico de ondulaes em uma folha de grafeno livre – que no est apoiada sobre um substrato. E essas ondulaes sobem e descem em resposta temperatura ambiente.

“Quanto mais fino algo , mais flexvel ,” disse Thibado. “E, com apenas um tomo de espessura, no h nada mais flexvel. como um trampolim, movendo-se constantemente para cima e para baixo. Se voc quiser impedi-lo de se mover, ter que resfri-lo a 20 Kelvin.”

Assim, pode ser que o mecanismo funcione com outros tipos de materiais monoatmicos, mas isto ainda ter que ser demonstrado. Por enquanto, a equipe fala apenas em seu “Coletor de Energia de Grafeno”, que usa uma folha de grafeno carregada negativamente suspensa entre dois eletrodos de metal.

Quando o grafeno oscila para cima, isso induz uma carga positiva no eletrodo superior; quando ele oscila para baixo, ele carrega positivamente o eletrodo inferior, criando uma corrente alternada. Com diodos conectados em oposio, permitindo que a corrente flua nos dois sentidos, criam-se caminhos separados atravs do circuito, produzindo uma corrente pulsante que realiza trabalho em um resistor de carga.

Da impossibilidade fsica ao mercado

Os pesquisadores j esto trabalhando com uma empresa emergente, para lanar seus coletores de energia de grafeno visando o mercado da internet das coisas e sensores em geral, um espao at agora ocupado pelos nanogeradores triboeltricos.

“Sempre houve essa pergunta: ‘Se nosso dispositivo de grafeno estiver em um ambiente realmente silencioso e escuro, ele coletaria alguma energia ou no?’ A resposta convencional no, j que isto aparentemente desafia as leis da fsica. Mas a fsica nunca foi analisada com cuidado.”

“Acho que as pessoas ficaram com um pouco de medo do assunto por causa do Feynman. Ento, todo mundo disse: ‘No vou tocar nisso.’ Mas a questo continuou exigindo nossa ateno. Honestamente, sua soluo s foi encontrada atravs da perseverana e abordagens diversificadas de nossa equipe nica,” concluiu Thibado.

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