Baterie kwantowe będą się błyskawicznie ładować i gromadzić mnóstwo energii. Kiedy mogą powstać?

W tym artykule:

1. Czym są baterie kwantowe?
2. Czy baterie kwantowe mają szanse działać?
3. Kwantowe nanokropki w bateriach
4. Baterie kwantowe to szansa dla motoryzacji
5. Jak szybko będzie ładował się samochód na baterie kwantowe?

Baterie kwantowe to jeden z tych konceptów, z którymi wiąże się nadzieje na technologiczną rewolucję. Wykorzystując zjawiska takie jak kwantowe splątanie, naukowcy chcieliby zbudować akumulatory, których możliwości znacznie przewyższyłyby możliwości obecnie istniejących baterii.

Czym są baterie kwantowe?

W 2012 r. dwóch badaczy – prof. Robert Alicki z Uniwersytetu Gdańskiego i prof. Mark Fannes z Uniwersytetu Leuven – opublikowało pracę dowodzącą, że teoretycznie może istnieć coś takiego jak bateria kwantowa. Bazowałaby ona na przechowujących energię ogniwach kwantowych.

Oto lepsza alternatywa dla baterii litowo-jonowych. Naukowcy z Teksasu rozwijają baterie sodowe

Baterie sodowe znacznie szybciej się ładują i nie szkodzi im rozładowanie do zera. Czy zrewolucjonizują sposób, w jaki magazynujemy energię?

Miałyby one różne stany, reprezentujące wysoki i niski poziom energii. Alicki i Fannes zauważyli, że im więcej splątanych kwantowo ogniw wchodziłoby w skład baterii, tym szybciej przechodziłaby ze stanu niskiej energii do wysokiej. Czyli – tym szybciej by się ładowała.

Jednym z mechanizmów, który brany jest pod uwagę przy próbie zbudowania baterii kwantowej jest pochłanianie światła przez materię. To tzw. mechanizm superabsorpcji. Dzięki niemu, co ciekawe, wydajność baterii ma rosnąć wraz ze zwiększaniem się jej rozmiarów.

Czy baterie kwantowe mają szanse działać?

Dziesięć lat temu cała koncepcja była wyłącznie w sferze rozważań teoretycznych. Alicki i Fannes zaznaczyli, że nie wiadomo jeszcze, z czego można by zbudować kwantową baterię. Ich praca okazała się jednak inspirująca dla całej rzeszy naukowców, którzy zaczęli intensywnie badać zagadnienie kwantowych akumulatorów.

Odkrycia szły w dwóch kierunkach. Jednym było dalsze budowanie podstaw teoretycznych. Drugim – szukanie praktycznych rozwiązań inżynieryjnych. Na obu polach odnoszono sukcesy. W styczniu 2022 roku zespół Jamesa Quacha z Uniwersytetu w Adelajdzie ogłosił, że udało mu się przeprowadzić pierwszy praktyczny eksperyment potwierdzający istnienie zależności między wielkością baterii kwantowej a czasem jej ładowania.

Kwantowe nanokropki w bateriach

Bateria smartfonu ładująca się w 30 sekund? Mają to umożliwić tzw. kwantowe nanokropki. To kryształy o długości zaledwie dwóch nanometrów, wytwarzane z tanich, organicznych surowców. Można ich użyć nie tylko do zwiększenia pojemności baterii, ale także ulepszenia innych elementów elektronicznych, takich jak wyświetlacze, pamięć czy kamery. Nanokropki mogą teoretycznie sprawić, że elektronika będzie całkowicie pozbawiona toksycznego kadmu.

Lepszych baterii potrzebują konstruktorzy urządzeń medycznych, satelitów, samolotów, narzędzi budowlanych, robotów itd. Poza tym zużyte akumulatory stwarzają zagrożenie dla środowiska, bo często zawierają toksyczne metale ciężkie. Wydajniejsze i bardziej ekologiczne przechowywanie elektryczności stało się wielkim wyzwaniem dla całej branży technologicznej.

Baterie kwantowe mogłyby być stosowane np. w przyszłych elektrowniach termojądrowych, gdzie istotne jest błyskawiczne dostarczanie ogromnych ilości energii. Jednak technologie kwantowe ciągle są „w wieku niemowlęcym”. Na ich „dorośnięcie” będziemy więc musieli jeszcze trochę poczekać.

Baterie kwantowe to szansa dla motoryzacji

Takie baterie mogłyby wpłynąć m.in. na najważniejszy sektor motoryzacji, czyli samochody elektryczne. Ich popularność stale rośnie i są już produkowane przez praktycznie każdy liczący się koncern motoryzacyjny. Jednak ciągle mają wady utrudniające zastąpienie nimi samochodów spalinowych na masową skalę.

Niespodzianka: fuzja jądrowa może dostarczać znacznie więcej energii niż dotychczas sądzono

Naukowcy skorygowali podstawowe prawo określające, maksymalnie ile paliwa można będzie użyć w reaktorach termojądrowych. To oznacza, że fuzja jądrowa – gdy już zostanie opanowana i wyko...

Jakie to wady? Niestety, czas ładowania ich akumulatorów ciągle jest bardzo długi. Ładowanie „elektryka” może trwać kilkanaście godzin. I nawet jeśli mamy superdrogie auto wyposażone w najnowocześniejsze technologie, na postój na stacji będziemy musieli poświęcić 20–40 minut.

Jak szybko będzie ładował się samochód na baterie kwantowe?

Trzyosobowa grupa naukowców z Narodowego Uniwersytetu w Seulu opracowała inny aspekt zagadnienia baterii kwantowych – dokładny sposób ładowania ich ogniw. Ich praca została opublikowana w czasopiśmie naukowym „Physical Review Letters”.

Naukowcy najpierw opracowali konkretny schemat działania baterii składającej się z ogniw kwantowych. Następnie dokładnie policzyli, jaką oszczędność czasu dałoby się dzięki temu uzyskać podczas postoju na stacji.

Przyjmując, że mamy auto elektryczne z akumulatorem składającym się z 200 ogniw, stwierdzili, że tempo ładowania również wzrosłoby 200-krotnie. A więc czas ładowania skróciłby się z dziesięciu godzin do trzech minut. Jeśli zaś mielibyśmy superszybką stację ładującą, zamiast spędzić na niej pół godziny, ładowanie samochodu potrwałoby zaledwie kilka sekund.

Źródło: Physical Review Letters.