Více než 190 let po neúspěšných pokusech Michaela Faradaye se vědcům podařilo dosáhnout toho, co bylo dlouhá desetiletí na základě teoretických důkazů považováno za fyzikálně nemožné: vyrobit elektřinu pouhou rotací Země skrz vlastní magnetické pole. Ačkoli to může vypadat jako čirá magie, stojí za tím důmyslný fyzikální trik, který obchází dříve platné hranice klasické elektromagnetické teorie. Klíčem je speciálně tvarovaný a materiálově vyladěný feritový válec.
Vědecký tým vedený Christopherem Chybou z Princetonské univerzity navrhl speciální zařízení: dutý válec z mangan-zinkové feritové keramiky, který je slabě vodivý a silně magneticky propustný. Pokud ho správně natočíte vůči zemské rotaci a jejímu magnetickému poli, dokáže generovat stejnosměrný proud.
Skoro 200 let stará myšlenka
Základní myšlenka není úplně nová – už Michael Faraday v roce 1832 testoval možnost výroby elektrického proudu při rotaci vodiče v magnetickém poli Země ale bez úspěchu. Fyzikální komunita pak dlouho považovala za samozřejmé, že pouhá rotace Země nestačí, protože se jakýkoli elektrický potenciál v běžném vodiči okamžitě zruší přeskupením elektronů. Stručně řečeno, žádný trvalý proud nevznikne.
Chyba a jeho kolegové však v roce 2016 přišli s teorií, že v jistých speciálních podmínkách lze tuto „automatickou“ kompenzaci obejít. Klíčem je právě použití materiálu s vysokou magnetickou permeabilitou (tedy schopností vést magnetické pole) a zároveň nízkou elektrickou vodivostí.
Takovým materiálem je třeba už zmíněná mangan-zinková feritová keramika. Důležitá je i geometrie: musí jít o dutý válec, jehož osa je kolmá vůči směru zemské rotace i magnetického pole. V podobném uspořádání už nelze nastavit vnitřní elektrické pole tak, aby kompenzovalo Lorentzovu sílu, což umožňuje vznik trvalé elektromotorické síly.
Experimenty s dutým válcem
Během experimentu vědci vyrobili skořepinu válcovitého tvaru a umístili ji na otočný stůl, aby mohli přesně měnit její orientaci. Následně měřili napětí i proud mezi konci skořepiny a zároveň pečlivě sledovali teplotní rozdíly. Experiment testoval pět konkrétních predikcí, včetně změny polarity napětí při otočení o 180° a nulového efektu u plného válce.
Speciálně tvarovaný a materiálově vyladěný feritový válec
Výsledky přesně odpovídaly předpovědím teorie a efekt byl reprodukovatelný i mimo laboratoř: při správné orientaci naměřili napětí i proud, zatímco u plného válce nebo skořepiny z jiného materiálu byl výsledek nulový. Inženýři zároveň ověřili, že data neovlivňuje rozdíl teplot (Seebeckův jev) nebo elektromagnetický šum v laboratoři.
Mikrovolty napětí a nanoampéry proudu
Získané hodnoty jsou zatím velmi nízké – jde řádově o desítky mikrovoltů a nanoampérů – ale plně odpovídají teoretickým předpovědím. Pochopitelně to je mnohem méně, než kolik je potřeba pro napájení běžných zařízení.
Přesto jde o zásadní posun. Ukázalo se, že lze přímo čerpat energii z rotace Země, a to bez jakýchkoli pohyblivých částí. Technologie by hypoteticky mohla být škálovatelná – například lze miniaturizovat skořepiny a spojovat je do sériových řetězců, nebo využít vyšší rychlosti v satelitech na oběžné dráze.
Funguje to, nebo je to jen chyba měření?
Zásadní je, že vědci vyloučili všechny běžné rušivé vlivy: kontrolovali teplotní rozdíly, elektromagnetický šum i případné změny v zapojení. Výsledek se objevil pouze tehdy, když byly splněny přesně stanovené podmínky. To je silný argument proti námitkám, které tento efekt dříve zpochybňovaly. Přesto je odborná komunita stále rozdělená – někteří fyzici považují výsledek za průlom, jiní za statistickou chybu nebo důsledek neodhaleného rušení.
Ať už se ukáže, že jde o nový zdroj energie, nebo jen o zajímavou fyzikální kuriozitu, experiment ilustruje, jak i 200 let od Faradayových pokusů může být elektromagnetismus zdrojem překvapení. Ukazuje také, jak důležitá je kombinace teoretické odvahy, pečlivosti a ochoty zpochybňovat „samozřejmé“ pravdy. Kdo ví, možná se jednou dočkáme „baterií“, které budou tiše čerpat energii jen tak (zdánlivě) z ničeho.
Autoři studie zatím mluví o „důkazu konceptu“. Potenciál pro budoucí využití ale rozhodně existuje. Miniaturní verze tohoto zařízení by teoreticky mohly sloužit jako nekonečně trvanlivé napájecí články – bez pohyblivých částí, bez údržby a bez potřeby paliva.