Ricercatori dell'Università dell'Arkansas, guidati Paul Thibado, hanno sviluppato un sistema per sfruttare l'energia delle fluttuazioni termiche nel grafene. Si tratta ciò di recuperare energia da un materiale in equilibrio termico: suona come una cosa quasi impossibile, e in effetti rappresenta da sempre una sfida tra le più complesse nel mondo della fisica.
L’idea di base però non sembra troppo complessa: se un sistema è in equilibrio termico le particelle al suo interno si muovono continuamente, e quando si scontrano tra loro c’è anche uno scambio di energia. Ma il totale resta, appunto, in equilibrio. Sarebbe possibile, dunque, assorbire e usare un po’ di quell’energia? In teoria dovremmo rispondere “assolutamente no”, perché starei violando la seconda legge della termodinamica, cosa che proprio non si può fare. La ricerca pubblicata lascia intendere che invece è possibile.
Ebbene, viene in soccorso l’eroe del XXI secolo, il protagonista di mille e più storielle divertenti, il nostro amato grafene, cioè un foglio di grafite spesso un solo atomo.
E forse ci vuole davvero un supereroe, visto che qui si sta mettendo in discussione un principio affermato nientemeno che da Richard Feynman. Disse, infatti, che estrarre lavoro utile dal moto browniano era impossibile, soprattutto quando i sistemi erano alla stessa temperatura (equilibrio termico). E non serve essere esperti di fisica per capire perché: se in qualche modo “rubo” energia a un sistema in equilibrio, lui non sarà più in equilibrio; con ogni probabilità lo sto raffreddando, e a un certo punto dovrei immettere nuova energia presa altrove per poter continuare.
Tuttavia, il team che ha condotto questo studio, tra cui il primo autore Paul Thibado, ha scoperto qualcosa di importante che era sfuggito - affermano esplicitamente che a “Feynman era sfuggito qualcosa di importante”.
Hanno osservato che il grafene forma naturalmente delle increspature sulla sua superficie; si comportano come piccole onde, che si muovono verso l'alto e verso il basso in risposta alle variazioni della temperatura circostante.
Se siamo in presenza di un moto ondulatorio, seppure microscopico, c’è forse dell’energia extra che si possa sfruttare? Anche in questo caso la risposta dovrebbe essere un sonoro “no”, ma il team ha progettato un circuito unico proprio per estrarre energia da queste ondulazioni.
A quanto pare il segreto è semplice: bastano due diodi per regolare la corrente: quando il circuito interagisce con le particelle in moto browniano, rompe temporaneamente l'equilibrio, consentendo il passaggio di corrente tra i diodi e la carica dei condensatori di accumulo. L'intero processo avviene nel rispetto della prima e della seconda legge della termodinamica, stando alle fonti.
“Gli autori hanno scoperto che quando i condensatori di accumulo hanno una carica iniziale pari a zero, il circuito trae energia dall'ambiente termico per caricarli. Il team ha poi dimostrato che il sistema soddisfa sia la prima che la seconda legge della termodinamica durante l'intero processo di carica. Hanno anche scoperto che i condensatori di accumulo più grandi producono una maggiore quantità di carica immagazzinata e che una capacità di grafene più piccola fornisce sia un tasso iniziale di carica più elevato sia un tempo di scarica più lungo. Queste caratteristiche sono importanti perché consentono di scollegare i condensatori di accumulo dal circuito di raccolta dell'energia prima che la carica netta vada persa”.
Sembra un risultato strabiliante, e sicuramente sarà immediatamente sottoposto a verifica.
"Ci sono fonti di energia ben note”, afferma Thibado, “Ora c'è anche l'energia termica non lineare. [...] ciò che abbiamo scoperto è una nuova fonte di energia che non è mai esistita prima. E questa nuova potenza non richiede due temperature diverse perché esiste a una sola temperatura".
Sono sicuramente affermazioni impegnative, che potrebbero non resistere al processo di verifica. Intanto però di Thibado sembra crederci, tanto che sta già pensando a un'applicazione pratica nota come Graphene Energy Harvester (GEH).