De nieuwsgierigheid van uitvinder en tekentalent Leonardo da Vinci kende geen grenzen. Hij is bekend van zijn vliegmachines, naar hedendaagse normen sadistische oorlogswapens en schilderijen, zoals het Laatste Avondmaal en de Mona Lisa. Minder bekend is dat hij zich ook bezig hield met pogingen om Moeder Natuur te slim af te zijn en energie uit het niets te halen. In deze video probeersels van hem en anderen uit de Renaissance en daarna.
Achter elke perpetuum mobile in dit filmpje zit een denkfout, die te maken heeft met een slecht begrip van de natuurkunde. Dat kunnen we Leonardo niet kwalijk nemen, want in die tijd bestond er geen noemenswaardige natuurkunde. Maar toch. Welke denkfout maakte Leonardo? Een leuke puzzel.
Onmogelijk, zegt de gezaghebbende Tweede Hoofdwet. Toch is dit precies wat lijkt te gebeuren in een nieuwe Chinese op grafeen gebaseerde batterij. Een doorbraak of houden Zihan Xu en zijn medewerkers zichzelf (of de lezers) voor de gek?
Groep-Zihan Xu beweert Tweede Hoofdwet te hebben gekraakt
Op kamertemperatuur is de snelheid van moleculen enorm. In een oplossing, bijvoorbeeld, bereiken de snelheden van ionen al gauw honderden meters per seconde. Een zeer interessante energiebron dus. Althans: als je geen rekening houdt met de onverbiddelijke Tweede Hoofdwet van de thermodynamica, die stelt dat er geen vrije energie is te onttrekken aan omgevingswarmte zonder temperatuursverschil. Zihan Xu van de Hong Kong Polytechnic University stelt met een viertal collega’s nu in een artikel op ArXiv.org dat zij er niet alleen in in geslaagd zijn energie te onttrekken aan een oplossing met ionen, maar ook dat in een bruikbaar prototype hebben ondergebracht.
De grafeenbatterij klinkt te mooi om waar te zijn. Botsende koper-II ionen onttrekken omgevingswarmte en zetten deze om in elektriciteit.
Botsende ionen wekken energie op
Hun elektrische circuit bestaat uit een LEDje, verbonden met een strook grafeen door middel van een stukje elektriciteitskabel. Ze plaatten het grafeen in een oplossing van koper (II) chloride en keken toe. Het gevolg: de LED begon op te lichten. In feite hadden ze zes circuits nodig om de vereiste 2 volt spanning op te wekken om daarop weer de LED te laten branden.
De verklaring, volgens Zihan en zijn collega’s, is dat de koper-II (Cu2+) ionen in de oplossing met gemiddeld 300 meter per seconde, de snelheid van een verkeersvliegtuig, door de vloeistof razen. Als een ion met deze snelheid tegen het grafeenoppervlak botst, wordt er een elektron losgeslagen uit het grafeen. Het elektron heeft twee opties: het grafeen verlaten en combineren met het koperion of door het grafeen en het elektrische circuit heen reizen.
Naar blijkt, reizen elektronen veel gemakkelijker door grafeen dan door de oplossing, waardoor het elektron de weg van de minste weerstand volgt en het circuit volgt. Dit laat de LED oplichten. In de woorden van Zihan en co: “De vrijgemaakte elektronen reizen liever door het grafeenoppervlak dan terug te leren naar de elektrolyt. Dit is hoe ons ontwerp spanning genereert.”
‘Energie uit omgevingswarmte’
Met andere woorden: de energie die door deze opstelling wordt opgewekt, is afkomstig van omgevingswarmte. Inderdaad rapporteert de groep dat ze er in zijn geslaagd het vermogen op te voeren door verhitting en door ultrageluid. Ze beweren zelfs er in te zijn geslaagd, hun grafeenbatterij gedurende twintig dagen te laten draaien op niets dan afvalwarmte. Dit zou uiteraard buitengewoon sensationeel nieuws zijn.
Echter: sinds de eerste formulering van de Tweede Hoofdwet door de Franse fysicus Sadi Carnot in 1824 is er nog geen één uitzondering op deze wet gevonden. Vandaar dat het verstandig is zeer stevige vraagtekens te zetten bij deze interpretatie van dit meetresultaat en ook alternatieve verklaringen te onderzoeken. Bijvoorbeeld, dat een of andere chemische reactie de energie levert, zoals in een normale batterij.
Zihan en zijn groep beweren echter dat ze deze mogelijkheid hebben uitgesloten met een aantal controle-experimenten. Deze staan echter beschreven in supplementair materiaal dat niet gepubliceerd is op ArXiv. Gezien de uiterst controversiële uitkomsten van dit experiment kunnen de heren hun huiswerk maar beter erg goed doen, want ze krijgen gegarandeerd de hele natuurkundige gemeenschap over zich heen. Aan de andere kant: anderen zijn er al eerder in geslaagd stroom in grafeen op te wekken door er water overheen te laten stromen, dus waarom zouden bewegende ionen niet hetzelfde effect kunnen bereiken?
Perpetuüm mobile?
Overleeft dit experiment de replicatie door andere onderzoekers, dan zijn de mogelijkheden immens. We kunnen dan iets doen dat tot nu toe onmogelijk was: vrije energie onttrekken aan afvalwarmte. Een koelkast die tegelijkertijd stroom levert. Geen moeilijk gedoe meer met windmolens of zonnecellen: ieder huishouden een generator en NUON en dergelijke kunnen de tent sluiten. Onze energieproblemen zouden hiermee in één klap zijn opgelost. Zihan en zijn groep formuleren het als volgt: “Het vertegenwoordig een grote doorbraak voor het onderzoek naar energiezelfvoorzienende technologie.”
Laten we hopen dat ze gelijk hebben. Maar, zoals gezegd, de Tweede Hoofdwet bleek net als de lichtsnelheid tot nu toe onverbiddelijk. Aan de andere kant: het zal de eerste keer niet zijn dat al eeuwen vaststaande zogeheten “waarheden” met een uitgekiende schop door een eigenwijze wetenschapper aan het wankelen zijn gebracht. Denk aan Galileo Galilei die met een eenvoudig experiment aantoonde dat de duizenden jaren oude en tot dan toe onomstreden theorie van Aristoteles, dat zware voorwerpen sneller vallen dan lichte, onzin is. Wellicht dat door een zeer vernuftige proefopstelling toch de Tweede Hoofdwet te omzeilen is en dat onze eigenwijze vrienden uit Hong Kong hierin als eersten zijn geslaagd.
