นักฟิสิกส์สร้างวงจรไฟฟ้าที่มีแผ่นกราฟีนเป็นส่วนประกอบเพื่อใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า
โดยอาศัยการเคลื่อนที่ทางความร้อนของเหล่าอะตอมในแผ่นกราฟีนเพื่อเหนี่ยวนำเป็นพลังงานไฟฟ้า
ชิปขนาดจิ๋วที่สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าเพื่อใช้งานด้วยตัวมันเอง
เคยได้ยินแนวคิดเกี่ยวกับ "ปีศาจของแมกซ์เวลล์" ไหมครับ แนวคิดของเครื่องปรับอากาศที่ไม่ต้องใช้พลังงานในการทำความเย็น
ในห้องปิดอะตอมของก๊าซที่ลอยเลื่อนอยู่แต่ละตัวมีระดับพลังงานไม่เท่ากัน ถ้าเราเฝ้าดูและคัดแยกอะตอมที่มีพลังงานสูงที่ลอยเลื่อนผ่านช่องประตูและปิดขังพวกมันไว้ก็จะทำให้สองฟากของห้องนั้นร้อนและเย็นได้
ซึ่งแนวคิดนี้ไม่ได้ขัดแย้งกับหลักของเทอร์โมไดนามิกส์เสียด้วย แต่แน่นอนว่าประตูปิศาจที่ใช้ เปิด-ปิด เพื่อคัดเลือกอะตอมของก๊าซที่มีอุณหภูมิแตกต่างกันย่อมต้องใช้พลังงานอยู่ดี
มาวันนี้ขอพูดอีกหนึ่งแนวคิดในการเก็บเกี่ยวพลังงานจากการเคลื่อนที่ทางความร้อนของอะตอมอย่างอิสระแบบสุ่มหรือที่เรียกว่าการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน (Brownian motion)
โดยทีมนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Arkansas ได้พัฒนาวงจรไฟฟ้าที่มีแผ่นกราฟีนที่บางเฉียบเป็นส่วนประกอบในการผลิตกระแสไฟฟ้า
ภาพตัวชิปขณะทำการทดลองผลิตกระแสไฟฟ้า
โดยวงจรไฟฟ้ารูปแบบนี้มาจากแนวคิดของ Léon Brillouin นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสที่นำเสนอแนวคิดการเก็บเกี่ยวพลังงานจากการเคลื่อนที่บราวเนียน
ซึ่งหลักการของวงจรไฟฟ้าที่ใช้ผลิตไฟฟ้าจากการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนนี้ขัดแย้งกับแนวคิดของ Richard Feynman นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันที่บอกว่าเราไม่สามารถจะได้งานออกมาจากผลของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนของอะตอมได้
หลักการทำงานขอบเจ้าชิปกราฟีนนี้หัวใจหลักคือแผ่นกราฟีนบางเฉียบทำหน้าที่เป็นขั้วเหนี่ยวนำประจุบวก บรรจุอยู่ในช่องสุญญากาศ
โดยจะมีตัวไดโอด อุปกรณ์ที่บังคับให้กระแสไฟฟ้าไหลไปได้ในทิศทางเดียวเท่านั้น ติดตั้งอยู่ในวงจรจำนวน 2 ตัวตามภาพ
ประจุไฟฟ้าที่ได้จากการเหนี่ยวนำนั้นจะถูกกักเก็บไว้ในตัวเก็บประจุเพื่อไว้สำหรับจ่ายไฟกระแสตรงแรงดันต่ำให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้ายามที่ต้องการ
ในจังหวะที่แผ่นกราฟีนไหลเลื่อนมาใกล้ขั้วไฟฟ้าจากผลของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน ก็จะเกิดการเหนี่ยวนำให้ประจุลบมาออที่ขั้วไฟฟ้า (Electrode) ทำให้ตัวกราฟีนเองนั้นเต็มไปด้วยประจุบวก
และตัวกราฟีนเองก็จะปลดปล่อยประจุลบวิ่งไปในวงจรไฟฟ้าผ่านไดโอดตัวที่1 วิ่งกลับมาเข้าที่แบตเตอรี่ในวงจรที่ติดตั้งใกล้ขั้วไฟฟ้า
เมื่อแผ่นกราฟีนเลื่อนห่างขั้วไฟฟ้าออกไป ประจุลบที่เคยอออยู่ก็จะวิ่งกลับไปที่แบตเตอรี่
ประจุลบส่วนเกินก็จะไหลจากแบตเตอรี่ไปยังตัวเก็บประจุเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไหลย้อนผ่านไดโอดตัวที่ 2 กลับไปยังแผ่นกราฟีนจนทำให้แผ่นกราฟีนมีสภาพทางไฟฟ้าเป็นกลางอีกครั้ง
และเมื่อจังหวะเป็นใจแผ่นกราฟีนเลื่อนมาใกล้ขั้วไฟฟ้าอีกก็จะเกิดการเหนี่ยวนำคล้ายกับที่เกิดก่อนหน้า แต่แตกต่างกันที่ในตัวเก็บประจุนั้นมีประจุไฟฟ้าสะสมอยู่ประมาณหนึ่งแล้ว
เมื่อเกิดการทำซ้ำไปเรื่อย ๆ โดยรอจังหวะที่แผ่นกราฟีนลอยเลื่อนมาใกล้ขั้วไฟฟ้าก็เก็บประจุใส่ตัวเก็บประจุเอาไว้
เมื่อได้ประจุเต็มถังก็พร้อมที่จะเอาพลังงานไฟฟ้าที่สะสมไว้นี้กลับมาใช้งาน
ด้วยการสับสวิทซ์เพื่อให้ตัวเก็บประจุจ่ายไฟผ่านอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต้องการใช้งาน โดยในวงจรจะจ่ายไฟเป็นไฟฟ้ากระแสตรงด้วยตัวเก็บประจุไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้า
ทั้้งนี้แบตเตอรี่ที่อยู่ในวงจรนี้ไม่ได้จ่ายไฟไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้าแต่อย่างใด ทำหน้าที่แค่จ่ายประจุเหนี่ยวนำให้กับแผ่นกราฟีนเท่านั้น
ซึ่งคอนเซปนี้ดูเผิน ๆ เหมือนจะขัดกับกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์เพราะดูราวกับว่าเป็นการสร้างพลังงานขึ้นมาจากที่ไม่มีอะไรเลย
แต่มันก็ไม่ได้ขัดแต่อย่างใดเพราะไม่มีความต่างของอุณหภูมิของแผ่นกราฟีนและวงจรไฟฟ้าจึงไม่มีการไหลของความร้อน และผลที่เกิดขึ้นนั้นมาจากการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนของอะตอมคาร์บอนในแผ่นกราฟีน
การทดลองนี้กำลังจะพิสูจน์ถึงความเป็นไปได้ในการเก็บเกี่ยวพลังงานออกมาได้เรื่อย ๆ แม้ว่าพลังงานที่ได้นั้นจะยังน้อยและเป็นไฟฟ้าแรงดันต่ำก็ตาม
การกระเพื่อมเพียงเล็กน้อยบนผิวแผ่นกราฟีนจากการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนนี้คือหัวใจของการผลิตไฟฟ้ารูปแบบใหม่นี้
ทั้งนี้งานวิจัยนี้ยังอยู่ในขั้นตอนการทดสอบหลักการการผลิตกระแสไฟฟ้า ก่อนที่จะไปยังขั้นตอนถัดไปในการทดสอบการต่อวงจรกับตัวเก็บประจุเพื่อดูความเป็นไปได้ในการเก็บพลังงานไฟฟ้าเอาไว้ใช้ยามที่ต้องการ
ก็นับว่าน่าสนใจทีเดียวคอนเซปคล้ายกับ "ปีศาจของแมกซ์เวลล์" แต่ไม่ต้องมีปีศาจมาคอยเปิดปิดประตู ตามดูกันต่อไปไม่แน่ว่าอีกหน่อยเราอาจมีชิปที่ผลิตไฟฟ้าใช้ได้ในตัวมันเองไม่ต้องอาศัยแหล่งพลังงานภายนอกเลยก็เป็นได้
Source:
- 21
ดูเพิ่มเติมในซีรีส์
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
