Creato un circuito che genera energia pulita e illimitata dal grafene

Un team di fisici della University of Arkansas ha sviluppato un circuito capace di catturare il movimento termico del grafene e convertirlo in corrente elettrica. "Un circuito di raccolta dell'energia basato sul grafene potrebbe essere integrato in un chip per fornire energia pulita, illimitata e a bassa tensione a piccoli dispositivi o sensori", ha spiegato Paul Thibado, professore di fisica e ricercatore a capo del team.

Lo studio, pubblicato su Physical Review E, dimostra una teoria che i fisici dell'ateneo avevano avanzato tre anni fa, secondo cui il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio, si increspa e si piega in un modo che apre le porte alla raccolta di energia. L'idea di recuperare energia dal grafene è controversa perché confuta quanto affermato dal fisico Richard Feynman, secondo cui il moto termico degli atomi, noto come moto browniano, non può funzionare. Il team di fisici ha scoperto che a temperatura ambiente il movimento termico del grafene induce una corrente alternata (CA) in un circuito, un risultato che si riteneva impossibile.

Negli anni '50, il fisico Léon Brillouin pubblicò uno studio che respingeva l'idea secondo cui l'aggiunta di un singolo diodo a un circuito fosse la soluzione per raccogliere energia dal moto browniano. Il gruppo guidato da Thibado ha così costruito il proprio circuito con due diodi per convertire la corrente alternata in corrente continua (CC).

I diodi in opposizione permettono alla corrente di fluire in entrambe le direzioni, creando percorsi separati lungo il circuito e producendo una corrente continua pulsante che opera su un resistore di carico. Inoltre, i fisici hanno scoperto che il loro progetto ha aumentato la quantità di potenza erogata. "Abbiamo anche riscontrato che il comportamento on-off dei diodi, simile a un interruttore, amplifica davvero la potenza fornita, anziché ridurla, come si pensava in precedenza. La velocità di cambiamento nella resistenza fornito dai diodi aggiunge un fattore extra alla potenza".

"Per dimostrare questo potenziamento, abbiamo attinto al campo emergente della termodinamica stocastica e abbiamo esteso la quasi centenaria e celebre teoria di Nyquist", ha detto il coautore Pradeep Kumar, professore associato di fisica.

Paul Thibado, professore di fisica, mostra i chip per la raccolta dell'energia in fase di sviluppo - foto: Russell Cothren

Secondo Kumar, il grafene e il circuito hanno una relazione simbiotica. Anche se l'ambiente termico opera sul resistore di carico, il grafene e il circuito sono alla stessa temperatura e il calore non scorre tra i due. Si tratta di un aspetto importante, perché una differenza di temperatura tra il grafene e il circuito, in un circuito che produce energia, contradirebbe la seconda legge della termodinamica. "Ciò significa che la seconda legge della termodinamica non viene violata, né è necessario sostenere che il 'Demone di Maxwell' separa gli elettroni caldi e freddi", ha detto Thibado.

Il team ha anche scoperto che un movimento relativamente lento del grafene induce corrente nel circuito a basse frequenze, il che è importante tecnologicamente parlando perché gli elettroni funzionano in modo più efficiente a basse frequenze. "La gente può pensare che la corrente che fluisce in un resistore lo faccia riscaldare, ma la corrente browniana no. In realtà, se non circolava corrente, il resistore si sarebbe raffreddato", ha spiegato Thibado. "Quello che abbiamo fatto è stato reindirizzare la corrente nel circuito e trasformarla in qualcosa di utile".

Il prossimo obiettivo del team è determinare se la corrente continua può essere immagazzinata in un condensatore per un uso successivo, un obiettivo che richiede la miniaturizzazione del circuito e la sua modellazione su un chip di silicio. "Se si potessero costruire milioni di questi minuscoli circuiti su un chip da 1 millimetro per 1 millimetro, potrebbero servire come sostituti di batterie a bassa potenza", si legge sul sito dell'ateneo.