Unmögliche endlose Stromquelle aus Graphen widerlegt physikalische Gesetze

Physiker der Universität von Arkansas (USA) haben erfolgreich einen Schaltkreis entwickelt, der die physikalischen Gesetze bricht. Ihre Entwicklung ist in der Lage, die thermische oder „Brownsche Molekularbewegung“ von Graphen in elektrischen Strom umzuwandeln.

„Ein Energiegewinnungsschaltkreis auf der Basis von Graphen könnte […] saubere, unbegrenzte Energie für kleine Geräte oder Sensoren bereitstellen“, sagte Forschungsleiter Professor Paul Thibado. Nach drei Jahren Forschung veröffentlichte er gemeinsam mit seinen Kollegen die Ergebnisse Anfang Oktober in der Fachzeitschrift „Physical Review E“.

Ein Hauch Graphen überrascht die Physik

Der nun vorgestellte Schaltkreis ist der Beweis einer Theorie, die die Physiker vor drei Jahren entwickelt haben. Diese besagt, dass sich Graphen – eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen – in einer Weise kräuselt und verformt, die vielversprechend für die Energiegewinnung ist.

Die Idee, Energie aus Graphen zu gewinnen, ist jedoch umstritten, da sie die Feststellung des Quantenphysikers Richard Feynman widerlegt, wonach Atomschwingungen, auch als thermische Bewegung oder Brownsche Molekularbewegung bekannt, keine Arbeit verrichten kann. Thibados Team fand heraus, dass Graphen bei Raumtemperatur tatsächlich einen Wechselstrom in einem Stromkreis induzieren kann. Etwas, das eigentlich unmöglich ist.

In den 1950er-Jahren veröffentlichte der Physiker Léon Brillouin ein bahnbrechendes Papier, in dem er die Idee widerlegte, dass das Hinzufügen einer einzelnen Diode zu einem Stromkreis die Lösung für die Energiegewinnung aus der Brownschen Bewegung ist. Die Forscher um Thibados bauten daraufhin zwei Dioden in ihren Schaltkreis und wandeln Wechselstrom in Gleichstrom um. Damit erzeugen sie einen pulsierenden Gleichstrom, der Arbeit an einem Lastwiderstand leistet.

Dank eines relativ neuen Gebiets der Physik konnten die Physiker zudem beweisen, dass die Dioden die Leistung der Schaltung erhöhen. „Beim Nachweis […] schöpften wir aus dem aufstrebenden Gebiet der stochastischen Thermodynamik und erweiterten die fast hundert Jahre alte Theorie von Nyquist“, sagte Pradeep Kumar, außerordentlicher Professor für Physik und Mitautor.

„Maxwells Dämon“ und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Der Energiegewinnungskreislauf von Thibado nutzt die atomare Bewegung des Graphens, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Dabei stehen laut Kumar Graphen und Schaltkreis in einer symbiotischen Beziehung zueinander. Obwohl die thermische Umgebung Arbeit am Lastwiderstand leistet, haben Graphen und Schaltkreis die gleiche Temperatur, und die Wärme fließt nicht zwischen den beiden.

Das sei ein wichtiger Unterschied, denn eine Temperaturdifferenz zwischen dem Graphen und dem Stromkreis, der Strom erzeugt, würde den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzten. „Das bedeutet, […] es besteht auch keine Notwendigkeit zu argumentieren, dass ‚Maxwells Dämon‘ heiße und kalte Elektronen voneinander trennt“, sagte Thibado.

Das nächste Ziel des Teams ist es, herauszufinden, ob der Gleichstrom in einem Kondensator zur späteren Verwendung gespeichert werden kann. Wenn Millionen miniaturisierter Schaltkreise auf einem 1 mal 1 Millimeter großen Chip aufgebaut werden könnten, könnten sie als Ersatz für Batterien mit geringem Stromverbrauch dienen.

(Mit Material der Universität von Arkansas)