Satunnaisesta liikkeestä loputtomasti sähköä

Hiiliatomikerroksen annetaan olla kaikessa rauhassa. Ja yhtäkkiä syntyy sähköä. Fyysikot pitivät 50 vuotta mahdottomana, että atomien pieni liike tuottaa virtaa, mutta uudella tekniikalla on saatu aikaan energianlähde, joka toisin kuin akku ei tyhjene koskaan.

Hiiliatomikerroksen annetaan olla kaikessa rauhassa. Ja yhtäkkiä syntyy sähköä. Fyysikot pitivät 50 vuotta mahdottomana, että atomien pieni liike tuottaa virtaa, mutta uudella tekniikalla on saatu aikaan energianlähde, joka toisin kuin akku ei tyhjene koskaan.

Shutterstock

Kuvittele akku, jota ei tarvitse koskaan ladata mutta jossa riittää sähköenergiaa loputtomiin.

Vaikka ehtymätön virranlähde kuulosta scifiltä, juuri sellainen on kehitetty yhdysvaltalaisessa Arkansas'n yliopistossa siruna, joka ottaa talteen energiaa erikoisen hiilimateriaalin, grafeenin, aaltomaisista liikkeistä.

”Olemme muuttaneet grafeenin fyysiset liikkeet sähkövirraksi. Tätä on pidetty mahdottomana”, kertoo Arkansas'n yliopiston fysiikan professori Paul M. Thibado Tieteen Kuvalehdelle.

Paul M. Thibadon ja hänen tutkijatovereidensa saavutus on herättänyt huomiota, sillä he ovat ottamalla talteen energiaa grafeenin liikkeistä ja muuttamalla sitä sähköksi osoittaneet vääräksi 50 vuotta vanhan fysiikan opin. Ja he ovat käyttäneet tarkoitukseen grafeenia – materiaalia, jota vuosikymmenien ajan ei uskottu edes voivan olla olemassa.

Olemme muuttaneet grafeenin fyysisiä liikkeitä sähkövirraksi. Tätä on pidetty mahdottomana. Paul M. Thibado

Näin on onnistuttu luomaan aivan uudenlainen energianlähde, joka ei kaipaa täydennystä pistorasiasta ja jota voidaan käyttää tulevaisuudessa kaikenlaisissa laitteissa tahdistimista rannekelloihin.

Arkki aaltoilee kuin meri

Toisin kuin useimmat muut fysiikan maailman materiaalit grafeeni ei ole kolmiulotteista. Se on kaksiulotteista.

Kyse on ultraohuesta arkista, joka koostuu yhdestä kerroksesta toisiinsa hunajakennostomaisesti sitoutuneita hiiliatomeja. Kuusikulmainen rakenne muistuttaa siis kanaverkkoa.

Paul M. Thibadon tutkimusryhmä totesi, että irrallinen grafeeniarkki ei pysy samalla tavalla liikkumatta paikallaan kuin kirjoituspöydälle laskettu A4-paperiarkki. Sen sijaan se alkaa taipuilla jo huoneenlämmössä niin, että syntyy aaltomaista liikettä ilman muuta lämpöenergiaa.

”Grafeenin liikkeitä voidaan verrata meren aaltoiluun. Olemme havainneet jaksoittaista aaltoliikettä, satunnaista aaltoliikettä ja jopa hyökyaaltoja”, selittää Paul M. Thibado.

Kun havainto oli tehty, fysiikan professori pohti, voitaisiinko grafeenin liike-energiaa muuttaa sähköksi – samalla tavalla kuin aaltovoimala muuttaa meren aaltojen energiaa sähköksi.

Paul Thibado esittelee grafeenimikrosirua

Paul M. Thibado esittelee pieniä grafeenisiruja, jotka voivat korvata akkuja tulevaisuudessa.

© Russell Cothren/University of Arkansas

Jatkuvasti virtaa antava akku, joka ei vaadi koskaan latausta, mullistaisi energiatekniikan. Paul M. Thibadolla oli kuitenkin suuri ongelma: eräät 1900-luvun huippufyysikot olivat todistaneet aiemmin, että tällaista akkua ei ole mahdollista toteuttaa käytännössä.

Grafeeni on ainutlaatuinen 2D-aine

Grafeenin olemassaolosta puhui ensimmäisenä kanadalainen fyysikko P. R. Wallace vuonna 1947, mutta hänkin epäili, ettei ainetta nähdä koskaan luentosalin liitutauluun kirjoitettua kaavaa konkreettisempana.

Tilanne muuttui, kun Nobelin palkinnon saaneet fyysikot Andre Geim ja Konstantin Novoselov Manchesterin yliopistosta onnistuivat vuonna 2004 valmistamaan grafeenia laboratoriossa ja siten luomaan maailman ensimmäisen kaksiulotteisen materiaalin.

Grafeeni on tunnetuista aineista kestävintä, ja se johtaa erinomaisesti sähköä ja lämpöä. Siksi materiaalille ennustettiin heti loistavaa tulevaisuutta mitä moninaisimmissa käyttökohteissa tietokonesiruista urheiluvarusteisiin.

Energian talteenotto grafeenin liikkeistä on kuitenkin eri asia kuin grafeenin valmistaminen.

Materiaali, joka liikkuu vain lämpöenergian avulla, on yksinkertaisesti ristiriidassa fysiikan lakien kanssa. Maineikas yhdysvaltalaisfyysikko Richard Feynman todisti 1960-luvulla aiempien – muun muassa Albert Einsteinin esittämien – teorioiden pohjalta, ettei ole mahdollista ottaa talteen energiaa niin sanotusta Brownin liikkeestä.

Brownin liike on nimetty skotlantilaisen kasvitieteilijän Robert Brownin mukaan. Hän kuvasi, kuinka lämpöenergia – eikä mikään muu – saa kaasun tai nesteen hiukkaset liikkumaan satunnaisesti ja törmäämään toisiinsa.

Fysiikan lait koetuksella

Richard Feynman laajensi puolaisen fyysikon Marian Smoluchowskin vuonna toteuttamaa 1912 ajatuskoetta osoittaakseen, miksi Brownin liikkeestä on mahdoton ottaa talteen energiaa.

Pieni siipiratas sijoitetaan ilmaa sisältävään kammioon. Siipirattaaseen on liitetty akselilla hammaspyörä, joka sijaitsee toisessa kammiossa ja jolla lepää salpana toimiva pieni kieli. Tämän tehtävänä on jarruttaa hammaspyörän pyörimistä niin, että se pyörähtää vain hammas kerrallaan, ja estää taaksepäin pyöriminen.

Richard Feynman oli sitä mieltä, etteivät satunnaiset liikkeet pysty pyörittämään siipiratasta. Hän esitti ajatuskokeen tukeakseen oletustaan – ja oli periaatteessa oikeassa.

Molekyylit vaikuttavat siipirattaaseen
© Ken Ikeda Madsen

Molekyylit vaikuttavat siipirattaaseen

Molekyylit lämpenevät ja alkavat liikkua satunnaisesti (Brownin liike). Ne vaikuttavat siipirattaaseen, johon on liitetty akselilla hammaspyörä. Feynmanin käsityksen mukaan lämpöenergiasta johtuvat liikkeet eivät voineet pyörittää hammaspyörää vain yhteen suuntaan.

Hammaspyörä pyörii vain yhteen suuntaan.
© Ken Ikeda Madsen

Salpa säätelee hammaspyörää

Hammaspyörää koskettava kieli varmistaa, että se pyörii vain yhteen suuntaan. Jos hammaspyörä pyörii, se voi tehdä työtä, kuten nostaa painoa. Näin ei kuitenkaan tapahdu. Siipirattaan satunnaiset liikkeet yrittävät pyörittää hammaspyörää eteen- ja taaksepäin.

Voiko ilmamolekyylien Brownin liike pyörittää siipiratasta toisessa kammiossa ja siten saada myös toisessa kammiossa olevan hammaspyörän pyörimään? Feynmanin mukaan ei.

”Feynmanin argumentti oli, että kieli lämpenee, kun yrittää estää siipiratasta pyörimästä taaksepäin. Se, että kieli lämpenee kammiossa ja muuttuu sitten huonetta lämpimämmäksi, on ristiriidassa termodynamiikan toisen pääsäännön kanssa”, toteaa Paul M. Thibado.

Siitä huolimatta Thibadon tutkimusryhmä alkoi kehittää virtapiiriä, joka voi ottaa talteen grafeenin liikkeiden energiaa.

Paul M. Thibado tiesi fyysikko Léon Brillouinin vuonna 1950 julkaiseman tieteellisen artikkelin ansiosta, millaiseksi virtapiiri tulee suunnitella.

Brillouin todisti teoreettisesti, että vaikka Brownin liikkeestä voitaisiinkin ottaa talteen energiaa ja muuttaa sitä sähköksi, se ei olisi mahdollista virtapiirillä, johon kuuluu vain yksi diodi. Tämä elektroniikan komponentti päästää sähkövirran kulkemaan läpi vain yhteen suuntaan.

Grafeenirakenne aaltoilee kuin meri

Grafeeni on grafiitin kaksiulotteinen versio, jossa hiiliatomeista muodostuvat kuusikulmiot verkottuvat. Vahvat hiiliatomisidokset tekevät grafeenista noin 200 kertaa niin kestävää kuin teräs.

© Shutterstock

Siis samantapaisesti kuin ajatuskokeessa kieli antaa hammaspyörän pyöriä vain eteenpäin.

Syynä siihen, että tutkijat ryhtyivät ratkaisemaan ongelmaa, oli se, että fysiikan uusiin tutkimusaloihin kuuluva stokastinen termodynamiikka oli tuottanut tuloksia, jotka vihjasivat sekä Léon Brillouinin että Richard Feynmanin erehtyneen.

Kolmen vuoden työ

Paul M. Thibado sijoitti metallisondin grafeeniarkin tuntumaan ja loi jännitteen. Sitten grafeenin liikkeet – vuoroin lähellä sondia, vuoroin kaukana sondista – saivat vaihtovirran kulkemaan sondissa ja edelleen virtapiirissä.

Kävi ilmi, että grafeenin ja virtapiirin välillä ei tapahtunut lämmön siirtymistä. Niinpä termodynamiikan toista pääsääntöä ei rikottu toisin kuin esimerkiksi Feynman oli ennustanut.

”Saimme selville, että salpamme – diodi – ei lämmennyt. Tämän tiedon hankkimiseen vaadittiin kolmen vuoden työ parhaiden teoreettisen fyysikoiden kanssa ja miljoonia supertietokonesimulaatioita”, kertoo Paul M. Thibado.

Muuttaminen tasavirraksi, jolla useimmat sähkölaitteet toimivat, onnistui käyttämällä virtapiirissä kahta vastakkaista diodia yhden asemesta. Tällöin virta voi kulkea yhteen suuntaan toisen diodin läpi, kun grafeeni on lähellä sondia, ja toiseen suuntaan toisen diodin kautta grafeenin ollessa kaukana sondista.

Tuloksena on materiaali, joka on nano-ohuutensa ansiosta taitettavissa monin kerroin ja josta saadaan yli sata kertaa nykyistä pienempiä mikrosiruja. Lisäksi on selvinnyt, että diodit voivat tosiasiassa suurentaa grafeenivirtapiirin sähkömäärää, vaikka ennen oletettiin, että ne päinvastoin pienentävät sitä.

Onko sitten onnistuttu luomaan oikea ikiliikkuja? Paul M. Thibadon mukaan ei: mikään ei kestä ikuisesti – eivätkä grafeenisirut ole poikkeus. Eivätkä ne vielä pääse lähellekään samaa sähkövirtaa kuin ne akut, joita käytetään esimerkiksi puhelimissa ja sähköautoissa.

VIDEO: Paul M. Thibado näyttää, kuinka grafeeni tuottaa sähköä

Koolla voi olla väliä, ja seuraavassa vaiheessa virtapiiriä pienennetään niin, että siruun, jonka pinta-ala on neliömillimetri, mahtuu miljoonia virtapiirejä.

Tämäntyyppiset grafeeniakut ja -paristot voivat yleistyä muun muassa rannekelloissa, sydämentahdistimissa, puettavissa laitteissa ja pienissä antureissa, joita käytetään esineiden internetiksi kutsutussa teknisten laitteiden, kuten jääkaappien ja autojen, automaattisessa tiedonsiirrossa verkon kautta.

”Kehitämme sähkön tuotantoa esineiden internetille ja uskomme, että energianlähteemme voi korvata pienten antureiden akut ja paristot, joten niitä ei tarvitse enää vaihtaa”, toteaa Paul M. Thibado.