Bateria kwantowa już działa. Przyszłość smartfonów nadchodzi
Naukowcy pokazali działający prototyp, który po raz pierwszy wykonuje pełny cykl ładowania, magazynowania i oddawania energii elektrycznej w architekturze mikrownękowej baterii kwantowej. Od takiego demonstratora do akumulatora w smartfonie jest jeszcze bardzo daleko, ale kierunek jest jasny.
Zespół z CSIRO, RMIT University i University of Melbourne opisał w Light: Science & Applications urządzenie, które autorzy przedstawiają jako pierwszy eksperymentalny przykład mikrownękowej baterii kwantowej zdolnej nie tylko do szybkiego ładowania, lecz także do kontrolowanego oddawania energii w postaci prądu. Wcześniejsze eksperymenty badały raczej pojedyncze własności baterii kwantowych i nie demonstrowały w jednym układzie pełnego cyklu.
Badacze połączyli szybkie kwantowe ładowanie, krótkotrwałe przechowanie energii i jej elektryczne wyprowadzenie w jednym urządzeniu działającym w temperaturze pokojowej. To naprawdę wielki postęp.
Czym właściwie jest bateria kwantowa?
Jeśli wyobrażasz sobie miniaturowy odpowiednik ogniwa litowo-jonowego, tylko na sterydach kwantowych, to nie tędy droga. Badacze zbudowali wielowarstwowe urządzenie optoelektroniczne oparte na rezonansowej mikrownęce. Jego sercem jest materiał absorbujący światło (miedziowa ftalocyjanina, czyli CuPc) sprzężony silnie z polem elektromagnetycznym wewnątrz wnęki. To właśnie to silne sprzężenie światła z materią ma wywoływać kolektywne efekty kwantowe, dzięki którym ładowanie rośnie szybciej niż wynikałoby to z intuicji klasycznej.
Urządzenie ładuje się światłem (zarówno spójnym, jak i niespójnym) a następnie przetwarza zgromadzoną energię na prąd dzięki warstwom transportującym ładunek. Nie jest to więc magiczna bateria, która po prostu przechowuje energię lepiej od litowo-jonowej.
To raczej wyspecjalizowany układ fotoniczno-elektroniczny, w którym fizyka kwantowa ma poprawić szybkość i charakter przepływu energii. Sama publikacja zresztą sugeruje, że mechanizm może mieć znaczenie nie tylko dla przyszłych baterii kwantowych, lecz także dla fotowoltaiki wzmacnianej wnękami optycznymi.
Skąd bierze się ten kwantowy zysk?
Klucz tkwi w tym, że elementy tej baterii nie działają osobno, tylko wspólnie. W zwykłym, klasycznym myśleniu większa bateria oznacza zwykle więcej materiału do napełnienia, więc ładowanie raczej się wydłuża.
W tym układzie badacze pokazują, że gdy liczba cząsteczek rośnie, zaczynają one współpracować w taki sposób, że cały system może ładować się coraz sprawniej. Większa bateria kwantowa nie musi więc z definicji być wolniejsza. Przy odpowiedniej konstrukcji może wręcz zyskiwać na skali, bo energia nie trafia do wielu elementów po kolei, tylko rozchodzi się w bardziej zbiorowy, skoordynowany sposób.
W artykule nie chodzi jednak wyłącznie o samą szybkość wzbudzenia. Autorzy pokazują też coś, co z punktu widzenia praktyki jest nawet ważniejsze: superekstensywne skalowanie mocy elektrycznej podczas rozładowania w stanie ustalonym. I to pod słabym, niespójnym oświetleniem. Taki rezultat pozwala wyjść poza ramy czystej teorii i przekształcić pomysł w prototyp o konkretnym, użytkowym zastosowaniu.
Energia nie ucieka od razu
Wcześniejsze baterie kwantowe miały dość poważny problem: potrafiły bardzo szybko przyjąć energię, ale niemal równie szybko ją traciły. To trochę tak, jakby udało się błyskawicznie napełnić zbiornik, który od razu zaczyna przeciekać. W nowym badaniu udało się ten problem częściowo ograniczyć. Energia po ładowaniu nie znika natychmiast, tylko trafia do stanu, który działa jak krótkotrwały przedsionek magazynowania. Dzięki temu da się ją zatrzymać na dłużej niż w poprzednich podobnych układach.
To wciąż są jednak bardzo krótkie czasy z punktu widzenia codziennej technologii. Nie mówimy o sekundach, minutach ani godzinach, tylko o dziesiątkach nanosekund, czyli niewiarygodnie krótkich ułamkach sekundy.
Z jednej strony to ogromny postęp dla tej konkretnej klasy urządzeń, bo wcześniejsze prototypy wypadały pod tym względem dużo gorzej. Z drugiej strony właśnie tutaj najlepiej widać różnicę między laboratoryjnym przełomem a baterią do telefonu. Tak, energia jest chwilowo przechowywana. Nie, nie w taki sposób, który da się dziś porównać z akumulatorem w smartfonie.
Sami autorzy uczciwie zaznaczają, że istnieją inne eksperymentalne baterie kwantowe, które potrafiły utrzymać stan naładowania znacznie dłużej – nawet przez minuty. Tyle że tam z kolei nie chodziło o taki sam typ urządzenia ani o równie użyteczne, elektryczne oddawanie energii. Ten nowy prototyp nie jest więc rekordzistą we wszystkim, ale łączy kilka ważnych cech naraz, a to właśnie czyni go tak interesującym.
Co ta praca naprawdę mówi o przyszłości baterii?
Prototyp nie przypomina klasycznej baterii w takim sensie, do jakiego jesteśmy przyzwyczajeni. To raczej urządzenie stojące na styku kilku światów naraz: magazynowania energii, optyki i elektroniki. Nie wygląda więc jak prosty następca ogniwa litowo-jonowego, tylko jak zupełnie nowa klasa układów, które mogą kiedyś znaleźć zastosowanie tam, gdzie liczy się bardzo szybkie przechwytywanie i przekazywanie energii.
Sami autorzy sugerują zresztą bardziej ostrożne i wiarygodne scenariusze. Z ich perspektywy ten typ technologii może okazać się ważny np. dla układów pracujących przy słabym oświetleniu albo dla systemów, które są stale delikatnie doładowywane z otoczenia. To brzmi mniej spektakularnie niż smartfon nabijający się od zera do setki w sekundę, ale paradoksalnie właśnie dlatego brzmi też bardziej przekonująco.
Przeczytaj także:
Warto też dodać, że poprawa osiągów w tym eksperymencie nie jest jeszcze tak wielka, jak moglibyśmy sobie wyobrażać. To nie jest przeskok o kilka epok technologicznych. To raczej wyraźny, mierzalny krok naprzód, który pokazuje, że taki kierunek ma sens i daje dobry efekt. Najlepiej czytać tę publikację nie jak zapowiedź końca baterii litowo-jonowych, ale jak dowód, że fizyka kwantowa może zacząć dostarczać użytecznych rozwiązań w urządzeniach działających w temperaturze pokojowej.
