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Molekulares Graphen “erntet” Umgebungsenergie

Neutrino Technology Graphen Titelbild

Kohlenstoffe mit unterschiedlichsten Eigenschaften: Diamanten bis Graphene - von Schmuck bis Neutrinovoltaik.

Kohlenstoff ist je nach Anordnung in seiner atomaren Struktur ein sehr vielseitiger Grundstoff und bietet uns daher – naturgemäß – auch völlig unterschiedlichen Nutzen. Hochinteressant ist,  das man bald mit der  Neutrinovoltaik sogar endlos Strom unter Beteiligung von Graphen – einem Kohlenstoff – erzeugen kann.

Kohlenstoff ist das wichtigste Element der Biosphäre, es ist in Lebewesen nach Sauerstoff (Wasser) nach Gewicht das häufigste Element. Kohlenstoff ist in allen Lebewesen enthalten, alles lebende Gewebe ist aus (organischen) Kohlenstoffverbindungen aufgebaut. Dies gilt sowohl für Pflanzen, Pilze, als auch für Tiere. Überdies sind viele elementare Derivate des Kohlenstoffes samt deren Eigenschaften uns gesellschaftlich hinlänglich bekannt und spielen global große Rollen mit deren eigenschaftsbedingt unterschiedlichen Nutzen. Wir kennen unter anderem:

Widmen wir uns heute eher dem auf Graphit beruhenden Graphen mit seinen herausragenden – teilweise noch unerforschten – Eigenschaften zur unendlichen Gewinnung von Strom.

Im Jahr 2020 hat ein russischer Journalist seine Entdeckungen dazu in einem Video veröffentlicht, welches ich als Fundstück hier verarbeiten möchte. Da das sehr anschauliche Video im Original Englisch gesprochen ist, habe ich es transkribiert und biete hier auch eine vereinfachte deutsche Übersetzung:

We could produce free energy from molecules by using graphene

[DE: Wir könnten mit Graphen freie Energie aus Molekülen gewinnen]

Originaltext Übersetzung ins Deutsche

Hello wonderful person, this is Anton, and today we're going to be talking about some of the recent and extremely exciting research around the material that you see right here, known as graphene. The material that in a sense could completely redefine our society and our civilization. And also something that many different scientists around the world studied for the past 16 years, trying to discover a lot of really interesting properties of this strange material. But now we've discovered something else absolutely mind-blowing. So let's talk a little bit more about this and also some of the other major discoveries around graphene. Although there's no way I'm going to be able to cover everything because there's just way too much to talk about and way too many different things that this material is able to do. I would even go so far as to say that back in the days when the ancient alchemists were looking for this magical material that's able to do a lot of things, and a material that is able to essentially dissolve everything, or even provide things like immortality, well, in some sense, graphene actually is that one material that provides a lot of different solutions to various problems we have today. But let's actually talk about some of the major discoveries first. But also, what exactly is graphene? Well, it's basically something made out of graphite, you know, that stuff that you find inside the lead of your pencil. Normally inside graphite you'll find layers of carbon structured three-dimensionally, but if you were to somehow remove one of these layers, it will turn into something known as graphene, which also surprisingly starts to possess a lot of different functions that graphite did not have. One of these major functions is electroconductivity. Unlike graphite, graphene becomes electroconductive. So for the past 15 years, the scientists were trying to figure out if we can actually use this as a somewhat effective semiconductor for future electronics. Here's what the structure of this material looks like if you were to look at it in the electron microscope, and you can sort of see this unusual honeycomb formation that it creates, something that graphite itself does not possess unless you remove one of the layers. Now we've actually known about graphite theoretically for many many years, but it was originally rediscovered and in some sense isolated by these two wonderful researchers you see right here, who back then were working in the University of Manchester, and they won the Nobel prize for their discovery, but it was actually made using these tools right here. They used a piece of graphite, and then they used a typical scotch tape to try to extract thin layers of graphite, turning them into graphene, discovering in the process that this was also apparently one of the strongest if not the strongest materials on the planet. But we've also known for a very long time that it possesses strange electromagnetic properties, and because of its structure, a lot of the electromagnetic properties can be actually modified by changing the structure. And so for example, in one of the recent studies that was released only a few months ago, the scientists were able to create these shapes that you see on the screen by essentially folding the graphene sheet into a slightly more deformed sheet. This was done by introducing atoms of boron in it to create these unusual structures, and what this ended up changing inside the graphene sheet is, well, it essentially turned it into a magnet. By changing the three-dimensional structure of graphene, the scientists were able to turn graphene into magnetic graphene, which by itself will already provide so many different applications for this unusual material. But that's actually not even the most exciting discovery from the past few months. The most exciting discovery is in regards to something that many different physicists, including the famous Richard Feynman, always believed to be kind of impossible, essentially finding a way to generate energy from what's known as Brownian motion, from the motion of the particles themselves. If you remember from the chemistry class, Brownian motion is defined as this random activity of different atoms and different molecules, which essentially results in a completely impossible to predict motion of particles, something that for example increases as you increase temperature and decreases as the temperature drops closer and closer to the absolute zero. And naturally by itself, there's really no way for us to somehow generate work or energy out of this motion, because it's unpredictable, because it's in every single direction, it's just kind of impossible to turn this into something useful. Which is of course something that most physicists believed for a very long time. But it looks like that particular belief might be broken now. Once again, due to a discovery that was made only a few weeks ago, that you can also read more about in the paper in the description below. And this time, the scientists from the University of Arkansas developed a very interesting circuit able to capture the Brownian motion of graphene and essentially turn it into electrical power. Not a lot of power, but power nonetheless. And as you can see in this animation from the Delft University of Technology, graphene is able to exhibit a lot of different types of motion, and some of this motion, even though technically it is Brownian motion, doesn't actually act like a typical gas or fluid. It's a lot more defined and a lot more predictable. And because it's only one single sheet, we can hypothetically create a very unique circuit that essentially captures the motion of graphene as it sort of wobbles back and forth, and then generates energy based on this motion, which is essentially the simplification you're looking at right here. This circuit was able to generate power and create tiny amounts of current that hypothetically, if you were to scale it to large proportions, could actually provide relatively large amounts of energy by essentially using nothing but the Brownian motion itself. In other words, the only thing that's happening here is the natural oscillations of atoms. That's where the work is coming from. But because they're more orderly and because they sort of generate predictable motions, and also because graphene is electroconductive and is able to send electrons back and forth, the scientists in the study were able to definitively show that tiny tiny amounts of current and voltage were produced when the graphene was just vibrating and essentially nothing else was affecting it. Now because the amounts of current we're talking about were like in nanoampere and also nanovoltages, we're still not there yet where we can use this to, for example, power your house or for example provide free energy for your electric vehicle. But because tiny amounts of current can then become larger amounts of current if you use more graphene, one day we could actually use this to produce tremendous amounts of energy completely for free by using nothing but carbon itself, which is kind of ironic because right now the biggest issue with a lot of electrical production is the excess of carbon that's produced and released into the atmosphere. So it's very possible that this is actually the solution we've been looking for. Finding a way to turn carbon back into graphene and then start creating energy that way. Now this is still really, really sort of far in the future and also we don't even know if this is going to be an effective way to generate energy, but right now the scientists are proposing that their current discovery could hypothetically be used in some of these smaller devices, like for example powering something that requires a relatively small amount of current, such as maybe pacemakers or a lot of other tools where batteries cannot be replaced quite easily, but require a long-term functionality and relatively small amounts of current. And according to them, you could technically place approximately a million of these circuits in a tiny mm by mm square, and this would hypothetically provide just enough electricity to power some of the low-powered devices. But though the theory itself is definitely there and it does seem to make a lot of sense, the problem right now would be making that million circuits, because when it comes to manufacturing massive amounts of graphene and especially creating these tiny circuits, we're still really really far from being able to do so effectively. As a matter of fact, using a tape right here might be the most effective way we have right now. And all of the graphene that was created last year for example, was only mostly used for research purposes. Only about 9 million dollars worth of graphene was produced, and that's actually very very little, considering that we would need so much more, thousands and actually millions times more, just to create a tiny little battery. So in that sense, this is still a very expensive and somewhat time consuming process. Even though the theory is there and we can hypothetically produce infinite energy by just using Brownian motion of graphene, we just don't really know how to make it effectively just yet. And that's of course the next step, and potentially the next Nobel prize, to be won by someone else who finds a very effective way of producing massive amounts of graphene that we can then use to create so many different tools. With hopefully the first such tool being an extremely effective space elevator, where the elevator cable would be made from massive amounts of graphene. So far, graphene seems to be the best candidate for creating such a device. Nevertheless, this is a super exciting discovery and will hopefully, in the next few decades, help humanity to overcome both the carbon excess problems and the energy problems we're going to be having in the next few decades. But I guess until we learn more about graphene, or until we discover something else exciting about this unusual material, that's all I wanted to mention in this video. Check out the paper in the description below, subscribe if you still haven't, share this with someone who wants to learn about space and sciences, and maybe come back tomorrow to learn something you may have not known before.

Hallo liebe Leute, hier ist Anton.

Heute werden wir über einige der jüngsten und äußerst spannenden Forschungen rund um ein Material sprechen, was Sie hier sehen. Es ist als Graphen bekannt. Dieses Material, könnte in gewisser Weise unsere Gesellschaft und unsere Zivilisation völlig neu definieren. Es ist ein Material, das viele verschiedene Wissenschaftler auf der ganzen Welt in den letzten 16 Jahren untersucht haben. Und sie haben viele wirklich interessante Eigenschaften dieses seltsamen Materials entdeckt. Kürzlich wurde noch etwas anderes entdeckt, das absolut umwerfend ist. Lassen Sie uns also ein wenig darüber und auch über einige andere wichtige Entdeckungen im Zusammenhang mit Graphen sprechen.

Vorweg, ich kann auf keinen Fall alles abdecken. Es gibt einfach viel zu viel zu berichten zu viel zu vielen verschiedenen Dinge, die dieses Material tun kann. Ich würde sogar so weit gehen zu sagen, dass in den Tagen, als die alten Alchemisten nach diesem magischen Material suchten, das eine Menge Dinge tun kann, fanden sie ein Material, das im Wesentlichen alles auflösen kann oder sogar Dinge wie Unsterblichkeit bietet. Nun, in gewissem Sinne ist Graphen tatsächlich dieses eine Material, das eine Menge verschiedener Lösungen für verschiedene Probleme bietet, die wir heute haben. Aber lassen Sie uns zuerst über einige der wichtigsten Entdeckungen sprechen.

Was genau ist Graphen?

Nun, es ist im Grunde etwas, das aus Graphit hergestellt wird. Also aus dem Material, das man in der Mine eines Bleistifts findet. Normalerweise befinden sich im Inneren von Graphit dreidimensional strukturierte Kohlenstoffschichten. Entfernt man jedoch eine dieser Schichten, verwandelt sie sich in etwas, das als Graphen bekannt und was überraschenderweise eine Menge verschiedener Funktionen besitzt, die Graphit nicht hatte.

Graphit >> Graphen

Eine dieser Hauptfunktionen ist die elektrische Leitfähigkeit. Im Gegensatz zu Graphit wird Graphen elektrisch leitend. In den letzten 15 Jahren haben die Wissenschaftler daher versucht, herauszufinden, ob wir dieses Material tatsächlich als einen einigermaßen effektiven Halbleiter für die zukünftige Elektronik verwenden können. Hier sieht man die Struktur dieses Materials, wenn man es unter dem Elektronenmikroskop betrachtet, und man kann diese ungewöhnliche Wabenstruktur erkennen, die es bildet. Etwas, das Graphit selbst nicht besitzt, es sei denn, man entfernt eine der Schichten. Wir wissen seit vielen Jahren theoretisch über Graphit Bescheid, aber es wurde ursprünglich von diesen beiden wunderbaren Forschern, die Sie hier sehen, wiederentdeckt und in gewisser Weise isoliert. Beide arbeiteten damals an der Universität von Manchester und erhielten für ihre Entdeckung den Nobelpreis.

Elektromagnetische Eigenschaften von Graphen

Sie benutzten ein Stück Graphit und dann ein typisches Klebeband, um dünne Graphitschichten zu extrahieren und diese in Graphen umzuwandeln. Dabei entdeckten sie, dass dies offenbar auch eines der stärksten, wenn nicht das stärkste Material auf dem Planeten ist. Wir wissen schon seit langem, dass es seltsame elektromagnetische Eigenschaften besitzt. Aufgrund seiner Struktur lassen sich viele der elektromagnetischen Eigenschaften durch Änderung der Struktur tatsächlich modifizieren. In einer der jüngsten Studien, die erst vor ein paar Monaten veröffentlicht wurde, konnten die Wissenschaftler beispielsweise die Formen erzeugen, die man auf dem Bildschirm sieht. Dort „falten“ sie die Graphenschicht in eine etwas stärker verformte Schicht. Dies geschah durch das Einbringen von Bor-Atomen. Das erzeugte diese ungewöhnlichen Strukturen. Was sich dadurch im Innern der Graphenschicht änderte, war, dass sie im Wesentlichen zu einem Magneten wurde. Indem sie also die dreidimensionale Struktur von Graphen veränderten, konnten die Wissenschaftler „normales“ Graphen in magnetisches Graphen verwandeln, was allein schon viele verschiedene Anwendungen für dieses ungewöhnliche Material ermöglicht.

Natürliche Brownsche Bewegung

Aber das ist noch nicht einmal die spannendste Entdeckung der letzten Monate. Die aufregendste Entdeckung betrifft etwas, das viele Physiker, darunter auch der berühmte Richard Feynman, immer für unmöglich hielten. Nämlich einen Weg zu finden, Energie aus der so genannten Brownschen Bewegung zu erzeugen, also aus der Bewegung der Teilchen selbst. Wenn Sie sich an den Chemieunterricht erinnern, wird die Brownsche Bewegung als zufällige Aktivität verschiedener Atome und Moleküle definiert, die im Wesentlichen zu einer völlig unvorhersehbaren Bewegung von Teilchen führt. Diese Bewegung nimmt beispielsweise zu, wenn die Temperatur steigt, und sie nimmt ab, wenn die Temperatur immer näher an den absoluten Nullpunkt sinkt. Natürlich gibt es für uns keine Möglichkeit, aus dieser Bewegung irgendwie Arbeit oder Energie zu erzeugen, eben weil sie unvorhersehbar ist. Es ist einfach unmöglich, sie in etwas Nützliches umzuwandeln. So zumindest glaubten die meisten Physiker für lange Zeit. Doch es sieht so aus, als ob diese Annahme jetzt überholt ist.

Brownsche Bewegungen in Graphen

Dies wieder einmal aufgrund einer Entdeckung, die erst vor ein paar Wochen gemacht wurde und über die Sie in der Veröffentlichung in der Beschreibung hier unten mehr lesen können. Dieses Mal haben die Wissenschaftler der Universität von Arkansas einen sehr interessanten Schaltkreis entwickelt, der die Brownsche Bewegung von Graphen einfangen und im Wesentlichen in elektrische Energie umwandeln kann. Nicht viel Strom, aber immerhin Strom. Wie Sie in dieser Animation der TU Delft sehen können, kann Graphen viele verschiedene Arten von Bewegungen ausführen. Einige dieser Bewegungen - obwohl es sich technisch gesehen um Brownsche Bewegungen handelt - verhalten sich nicht wie ein typisches Gas oder eine Flüssigkeit. Sie sind viel definierter und viel vorhersehbarer. Und da es sich nur um eine einzige Schicht handelt, können wir hypothetisch einen sehr einzigartigen Schaltkreis schaffen. Dieser fängt im Wesentlichen die Bewegung von Graphen ein, während es hin- und her schwingt. Dieser Schaltkreis erzeugt auf der Grundlage genau dieser Bewegung Energie. So lässt sich wesentlich vereinfacht beschreiben, was Sie hier sehen. Dieser Schaltkreis ist in der Lage, Strom zu erzeugen. Zwar winzige Mengen an Strom, doch wenn dieses System größer skaliert, könnte es tatsächlich relativ große Mengen an Energie liefern. Im Wesentlichen verwendet man dazu nur die Brownsche Bewegung selbst.

Nutzung natürlicher Schwingung

Mit noch einfacheren Worten könnte man sagen: Das Einzige, was hier passiert, ist die Nutzung der natürlichen Schwingungen von Atomen. Das ist der eigentliche Ursprung der Arbeit. Weil diese Bewegungen in Graphen geordneter sind und vorhersehbare Bewegungen erzeugen und weil Graphen elektrisch leitend ist - also Elektronen hin- und herschicken kann - konnten die Wissenschaftler in der Studie definitiv zeigen, dass winzige Mengen an Strom und Spannung erzeugt wurden. Dies allein, während das Graphen vibrierte und im Wesentlichen nichts anderes darauf einwirkte. Im Experiment lagen die Stromstärken noch im Nanoampere- und Nanovoltbereich. Das heißt, wir sind heute noch nicht soweit, dass wir damit zum Beispiel unser Haus mit Strom versorgen oder kostenlose Energie für unser Elektrofahrzeug bereitstellen können.

Jedoch, sobald man mehr Graphen verwendet, werden aus winzigen Strommengen auf kleinen Flächen größeren Strommengen auf größeren Flächen. So könnten wir eines Tages tatsächlich enorme Energiemengen kostenlos erzeugen, indem wir nichts anderes als Kohlenstoff selbst verwenden. Das ist ironisch, denn derzeit wird der Überschuss an Kohlenstoffen, welcher in die Atmosphäre als Kohlendioxid freigesetzt wird als größtes Problem bei der Stromerzeugung behandelt.

Es ist also gut möglich, dass dies DIE Lösung ist, nach der wir gesucht haben. Es gilt einen Weg finden, um Kohlenstoff nachhaltig in Graphen zu verwandeln und auf diese Weise Energie zu erzeugen. Das ist vielleicht noch weit in der Zukunft gedacht und wir wissen auch noch nicht, ob dies ein effektiver Weg zur Energieerzeugung sein wird. Jedoch schlagen die Wissenschaftler vor, ihre Entdeckung in einigen kleineren Geräte zu verwenden. So z. B. zur Stromversorgung von Herzschrittmachern oder anderer Geräte, bei denen Batterien nicht so einfach ersetzt werden können und die eine langfristige Funktion bei relativ geringer Strommenge benötigen. Man könnte etwa eine Million Schaltkreise in einem winzigen Quadrat von einem Millimeter unterbringen. Das würde bereits genug Strom liefern, um einige Geräte mit geringem Stromverbrauch zu betreiben.

Flaschenhals Industrielle Herstellung

Obwohl wir die Theorie nun kennen und diese viel Sinn ergibt, besteht die Hürde momentan noch darin, diese Million Schaltkreise herzustellen. Denn wenn es um die Herstellung großer Mengen von Graphen – und insbesondere um die Schaffung dieser winzigen Schaltkreise geht - sind wir jetzt noch weit von einer effektiven Herstellung entfernt.

In der Tat könnte die Verwendung eines Bandes hier die effektivste Methode sein, die wir derzeit haben. Das gesamte Graphen, das beispielsweise im letzten Jahr hergestellt wurde, wurde größtenteils nur für Forschungszwecke verwendet. Es wurde nur Graphen im Wert von etwa 9 Millionen Dollar hergestellt. Das ist mengenmäßig noch sehr wenig, wenn man bedenkt, dass wir viel mehr brauchen würden um kleine Batterien herzustellen. In diesem Sinne ist es also immer noch ein teurer und zeitaufwändiger Prozess. Das ist der nächste Schritt und möglicherweise der nächste Nobelpreis, der von jemandem gewonnen werden könnte, der einen effektiven Weg zur Herstellung großer Mengen von Graphen findet, [...]

Bislang scheint Graphen der beste Kandidat für die Herstellung von sauberer Energie zu sein. Es ist eine superspannende Entdeckung und wird der Menschheit hoffentlich helfen, sowohl die Probleme mit Kohlenstoffüberschuss als auch seine Energieprobleme zu überwinden. Denn beides werden wir in den nächsten Jahrzehnten haben. Ich denke, bis wir mehr über Graphen erfahren oder bis wir etwas anderes Spannendes über dieses ungewöhnliche Material entdecken, hab ich alles gesagt, was ich in diesem Video erwähnen wollte.

Schaut euch die Unterlagen unten an, abonniert mich, wenn ihr meinen Kanal noch nicht abonniert habt. Gebt die Informationen an jemanden weiter, der etwas über Wissenschaft lernen möchte, und schaut vielleicht einmal wieder vorbei, um etwas zu erfahren, das ihr vielleicht noch nicht wusstet. [...]

Weiterführende Informationen

Quelle für im Video genutzte Erklärungen

Die Neutrino® Energy Gruppe – allen voran deren CEO Holger Thorsten Schubart als Initiator – stellt sich seit einigen Jahren der Aufgabe, die industrielle Nutzung von Graphen als grundlastfähigen, sauberen  Träger zur Erzeugung von Energie voranzutreiben. Gemeinsam mit zahlreichen Wissenschaftlern weltweit arbeitet eine Allianz von Wegbereitern daran, die Technologie für uns Endverbraucher nutzbar zu machen. Viele Meilensteine konnte man bereits absolvieren, einige wenige sind noch offen. So ist zum Beispiel die maschinelle Fertigung der Cubes noch ein “Flaschenhals”, da es global nur sehr wenige Ausrüster für einen derart anspruchsvollen Fertigungsprozess gibt. Doch Vortrieb ist auch in diesem Bereich gesichert. Die ersten Cubes werden in der Schweiz gefertigt und große Kapazitäten hat sich Korea gesichert – seit je her ein technologischer Vorreiter.

Der “Point of no return” ist bereits länger überschritten. Wir werden gemeinsam mit der Neutrino® Gruppe in Kürze den Feldtest zu den Neutrino® Power Cubes ausschreiben und freuen und auf zahlreiche Beteiligung. Bald veröffentlichen wir die Rahmenbedingen zur Teilnahme an alle unsere Mitglieder.

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