Australijscy naukowcy z Uniwersytetu w Adelajdzie i ich zagraniczni partnerzy podjęli ważny krok w kierunku urzeczywistnienia baterii kwantowych. Udało im się udowodnić zjawisko superabsorpcji, czyli koncepcję, która leży u podstaw fizyki kwantowej.
Na czym polega superabsorpcja?
Proces superabsorpcji obejmuje zasadę mechaniki kwantowej związanej ze zdolnością cząsteczek do pochłaniania światła, co wymaga krótszego czasu ładowania, im bardziej się splatają. Innymi słowy, splecione cząsteczki mogą tak zadziałać wspólnie, że doprowadzi to do efektów kwantowych, m.in. do superabsorpcji, co poprawi zdolność cząsteczek do pochłaniania światła.
Superabsorpcja to kwantowy efekt kolektywny, w którym przejścia między stanami cząsteczek zakłócają się konstruktywnie. Konstruktywna interferencja występuje we wszystkich rodzajach fal (światło, dźwięk, fale na wodzie) i pojawia się, gdy różne fale sumują się, aby dać większy efekt niż każda z fal osobno. Co najważniejsze, pozwala to połączonym cząsteczkom absorbować światło wydajniej, niż gdyby każda cząsteczka działała indywidualnie.
dr James Q. Quach z Uniwersytetu w Adelajdzie, jeden z autorów badania
Zatem teoretycznie możliwe jest, aby moc ładowania baterii kwantowej wzrastała szybciej niż jej rozmiar. Superabsorpcja oznacza więc, że im więcej jest cząsteczek magazynujących energię, tym wydajniej będą one pracować, aby wchłonąć energię. Pisząc wprost: im większa jest bateria, tym szybciej się naładuje. Naukowcy traktują superabsorpcję jako klucz do nowej generacji baterii kwantowych.
Udowodniono podstawę baterii kwantowych
Zdaniem naukowców technologia baterii kwantowych mogłaby zrewolucjonizować magazynowanie energii dzięki wykorzystaniu zjawiska superabsorpcji. Dlatego tak ważne było jego udowodnienie. Jednak wcześniej nie udało się przeprowadzić tego efektu na wystarczająco dużą skalę, co – według teorii – pozwoliłoby zbudować baterię kwantową. Dopiero nowe badanie to umożliwiło. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Science Advances.
Zespół naukowców z Uniwersytetu w Adelajdzie po raz pierwszy zademonstrował mechanikę kwantową superabsorpcji, która stanowi podstawę baterii kwantowych, w urządzeniu do weryfikacji koncepcji. Aby udowodnić koncepcję, naukowcy zbudowali kilka mikrownęk. Następnie umieścili w nich aktywną warstwę cząsteczek pochłaniających światło między lustrami i ładowali je laserem.
Wraz ze wzrostem wielkości mikrownęki i liczby cząsteczek, czas ładowania się skracał. To znaczący przełom i kamień milowy w rozwoju baterii kwantowej.
dr James Q. Quach
Znaczenie baterii kwantowych
Standardowe akumulatory działają według znanej zasady: im większą mają pojemność, tym dłużej trwa ich naładowanie. Dlatego ładowanie bywa uciążliwe w przypadku ogniw o dużej pojemności, takich jakie mają np. auta elektryczne. Tymczasem, dzięki wspomnianemu już zjawisku superabsorpcji, baterie kwantowe miałyby zachowywać się odwrotnie, rozwiązując problem zbyt długiego czasu ładowania.
Baterie kwantowe, które wykorzystują zasady mechaniki kwantowej do zwiększenia swoich możliwości, wymagają tym mniej czasu ładowania, im są większe. Teoretycznie możliwe jest, że moc ładowania baterii kwantowych wzrasta szybciej niż rozmiar baterii, co mogłoby pozwolić na nowe sposoby przyspieszenia ładowania.
dr James Q. Quach
Badacze przewidują, że do 2040 roku ilość energii zużywanej przez ludzi wzrośnie o 28% w porównaniu z poziomem z 2015 roku. W dodatku produkcja większości energii nadal będzie kosztowna dla środowiska, gdyż będzie pochodzić z paliw kopalnych. Jednak bateria zdolna do jednoczesnego pozyskiwania i magazynowania energii słonecznej umożliwiłaby znaczne zmniejszenie kosztów. Ta nowa perspektywa dla technologii magazynowania może stać się rzeczywistością.
Koncepcje, nad którymi pracował dr Quach i jego zespół, otwierają możliwość stworzenia nowej klasy kompaktowych i wydajnych urządzeń magazynujących energię.
prof. Peter Veitch, kierownik Wydziału Nauk Fizycznych Uniwersytetu w Adelajdzie
Dalsze kroki i oczekiwane rezultaty
Chociaż wyniki zaprezentowanych badań już teraz wyglądają obiecująco, to na urządzenia praktycznie przydatne musimy jeszcze długo poczekać. Należy zdawać sobie sprawę, że były to dopiero wstępne badania. Mimo, że stanowią one dowód zasadności teoretycznych podstaw działania tego typu baterii, to naukowców wciąż czeka jeszcze dużo pracy.
Kolejnym wyzwaniem jest wypełnienie luki między dowodem słuszności zasady dla małego urządzenia a wykorzystaniem tych samych pomysłów w większych urządzeniach. W dalszej kolejności również ważne jest zbadanie możliwości połączenia tego z innymi sposobami magazynowania i przesyłania energii. Tak, aby finalnie dostarczyć na rynek produkt użyteczny. Naukowcy mają nadzieję, że opracowanie w pełni działającego prototypu baterii kwantowej pozwoli na zapoczątkowanie nowej ery ultrawydajnych baterii do użytku w pojazdach elektrycznych i urządzeniach elektronicznych.