Graphen, Umgebungswärme und Strom: Feynmans Grenze

Graphen, Umgebungswärme und Strom: die von Feynman gesetzte Grenze

Paul Thibado, Physikprofessor an der University of Arkansas, vertritt die These, dass seine Graphenvorrichtung elektrischen Strom aus der Umgebungswärme zieht, angetrieben durch dieselbe Brownsche Bewegung, die jedes Molekül bei Raumtemperatur in Schwingung versetzt. Er besitzt ein Patent, hat einen Prototyp-Chip und hat Ergebnisse in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht. Würde der Mechanismus in nützlicher Maßstab funktionieren, würde das Gerät Strom erzeugen, indem es die Luft daneben abkühlt: Kühlschränke würden aufhören, Energie zu verbrauchen, und beginnen, sie zu produzieren, und die Menschheit hätte eine saubere, unbegrenzte Energiequelle. Das Problem ist jedoch, dass diese Tür laut dem im Diskurs zitierten Richard Feynman vor Jahrzehnten geschlossen wurde – mit Namen und Nachnamen.

Was genau schlägt die Graphenvorrichtung vor?

Die Grundidee ist bekannt: Die Moleküle jedes Materials vibrieren ständig, und diese thermische Unruhe, die Brownsche Bewegung, steht rund um die Uhr kostenlos zur Verfügung. Diskutiert wird, ob dieses Hin und Her gleichgerichtet und in nutzbaren Strom bei Raumtemperatur ohne Kältesenke umgewandelt werden kann. Befürworter der Erfindung behaupten ja, Graphen erlaube es, diese Agitation einzufangen und Strom aus der Umgebungswärme zu gewinnen, mit Anwendungen, die vom winzigen Chip bis zur Industrieanlage reichen.

Man muss zwei Dinge trennen, die in der Diskussion oft vermischt werden: die Physik des Phänomens und das Marketing der Nachricht. Es ist eines, wenn ein nanostrukturiertes Material Mikroströme erkennt, die mit minimalen Temperaturunterschieden verbunden sind, und ein anderes, ob wir hier die endgültige Lösung für den Klimawandel haben. Dazwischen liegen mehrere Größenordnungen.

Feynmans Einwand und Maxwells Dämon

Der Nobelpreisträger Richard Feynman schrieb nieder, dass man keine Energie aus der Brownschen Bewegung gewinnen kann, um Arbeit zu verrichten; dies wäre ein Perpetuum mobile zweiter Art. Das Argument knüpft an den alten Maxwellschen Dämon an, ein imaginäres Wesen, das schnelle von langsamen Molekülen trennt und einen Teil des Behälters ohne Aufwand abkühlt. Die klassische Thermodynamik antwortet, dass der Dämon Information benötigt, und deren Beschaffung kostet.

Trotzdem geben nicht alle die Sache als erledigt auf. Einige erinnern daran, dass der zweite Hauptsatz statistischer Natur ist und dass die Quantenmechanik auf atomarer Ebene Verhaltensweisen einführt, die nicht vollständig verstanden werden. Im Grunde verhält sich die Vorrichtung wie ein selektiver Gleichrichter: Sie filtert eine Richtung der thermischen Bewegung. Ob dies das zweite Gesetz verletzt oder nur umgeht, bleibt in den physikalischen Kreisen offen diskutiert.

Wie viel Energie kommt tatsächlich heraus?

Die Daten, die die Angelegenheit entkräften, betreffen die Größe: Laut den Debattenbeiträgen wird die gewonnene Leistung in Mikrowatt gemessen. Damit lässt sich kein Kühlschrank betreiben, geschweige denn ein Haus. Die optimistische Berechnung, die ebenfalls im Thread kursiert, schlägt vor, die Leistungsdichte auf einen Quadratmeter hochzurechnen und mit Tausenden oder Millionen von Geräten zu multiplizieren; dagegen warnen andere, dass die Effizienz dieser Geräte sinkt, wenn man nach respektablen Energiemengen strebt, sodass das Ergebnis eine Laborneugier bleibt.

Die Frage, die über der ganzen Angelegenheit schwebt, ist einfach: Wenn dies respektable Energie produzieren würde, warum gibt es dann noch keine Fabriken, die es in Serie herstellen? Es gibt keine abschließende Antwort, und diese Abwesenheit wiegt schwerer als jede Pressemitteilung.

Offenes System, geschlossenes System und Präzedenzfälle aus 2011 und 2012

Eine der fundiertesten Klarstellungen ist lehrbuchmäßig: Die Entropie wächst in einem geschlossenen System, und ein Chip, der aus der Umgebung „atmet“, ist keines. Die Herstellung all dieses Graphens hatte bereits enorme Mengen an Entropie erzeugt, bevor das Gerät irgendetwas tat. Was die Vorrichtung erreicht, ist nicht die Umkehrung der Unordnung, sondern die Ordnung von Strömen in einer bestimmten Richtung innerhalb eines kleinen Raumbereichs.

Es ist auch nicht das erste Mal, dass Ähnliches angekündigt wird. Im Jahr 2011 wurden thermo-elektrische und Selbstkühl-Effekte in Graphentransistoren beschrieben. Im Jahr 2012 kursierte die Nachricht, dass in Hongkong Umgebungswärme mit demselben Material in Strom umgewandelt worden sei. Präzedenzfälle existieren; die Neuheit liegt darin, es zu einem patentierten Chip zu bringen.

Ist dies nur ein effizienterer Peltier-Effekt?

Wahrscheinlich nicht, oder zumindest noch nicht. Dem im Thread gezogenen Parallel zufolge erzeugt eine Peltier-Vorrichtung Strom aus einem Temperaturunterschied, erfordert aber einen erheblichen Sprung, um zu starten, und verbraucht viel Energie, wenn sie rückwärts zum Kühlen genutzt wird. Der Vorteil des Peltier-Effekts liegt woanders: Er ermöglicht exakte Temperaturen und ist sehr kompakt.

Der Vergleich bringt ein häusliches Beispiel ins Spiel, das oft zitiert wird, um den Hype zu dämpfen: Seit Jahrhunderten gibt es ein Gefäß, das Flüssigkeiten kühlt, ohne eingesteckt zu werden, indem es die Verdunstung nutzt. Es heißt Botijo (ein poröses Tongefäß). Niemand stellt es als Verletzung der Thermodynamik dar, und dennoch kühlt es.

Die Analyse staut sich genau hier. Mit Mikrowatt in der Hand ist die Hochrechnung auf industrielle Skala ein Glaubenssprung, keine Berechnung. Und solange niemand das vollständige Blatt mit Verlusten und Ausbeuten veröffentlicht, steht das Kraftwerk weiter.