Funkcinės kvantinės baterijos idėja iš teorijos persikėlė į laboratoriją . Australijos tyrėjų grupei pavyko sukurti tai, kas jau laikoma pirmuoju pilnu prototipu, galinčiu įkrauti, kaupti energiją ir ją kontroliuojamai išlaisvinti – tai, kas iki šiol buvo tyrinėjama tik popieriuje arba atliekant dalines demonstracijas. Ši pažanga atveria duris naujam energijos kaupimo supratimo būdui, labai besiskiriančiam nuo klasikinių cheminių baterijų, kurias naudojame kasdien.
Šią tendenciją ypač stebina tai, kad akumuliatoriaus veikimas gerėja didėjant įrenginiui – priešingai nei nutinka su įprastais akumuliatoriais. Technologija remiasi kvantinės mechanikos reiškiniais, tokiais kaip superpozicija ir susietumas, kad būtų pasiektas itin greitas įkrovimas, potencialiai belaidžiu būdu ir nuotoliniu būdu, o padidinus efektyvumą, dabartinės ličio jonų baterijos galėtų tapti nebenaudojamos.
Kas tiksliai yra kvantinė baterija?
Prieš pradedant detaliau nagrinėti, svarbu suprasti, ką reiškia, kad baterija yra kvantinė. Skirtingai nuo tradicinių baterijų, kurios energiją kaupia elektrocheminių reakcijų metu savo ląstelėse, kvantinė baterija potencialiai energijai kaupti naudoja dalelių (tokių kaip atomai ar molekulės) kvantines būsenas. Ši energija „kaupiama“, kai šios dalelės sužadinamos iki aukštesnio energijos lygio, ir vėliau kontroliuojamai išskiriama.
Griežtai kalbant, jokia baterija nekaupia neapdorotos elektros energijos , o potencialios energijos, kuri vėliau paverčiama elektros energija arba kitu naudingu darbu. Nuo ličio baterijų mobiliuosiuose telefonuose iki gravitacijos pagrindu veikiančių sistemų, kurios panaudoja pastatų ar aukštų konstrukcijų energiją, visos jos veikia kaupdamos šią talpą darbui atlikti ir ją išlaisvindamos, kai to reikia. Kvantinės baterijos nekeičia šio bendro principo, bet pakeičia jo įgyvendinimo būdą.
Svarbiausias proveržis slypi tame, kad kvantinė baterija išnaudoja kvantinės mechanikos reiškinius, tokius kaip superpozicija ir susietumas . Užuot pasikliavusi lėta jonų migracija per elektrolitą, ji naudoja kolektyvines kvantines būsenas, kurios leidžia daug greičiau sąveikauti su įėjimo energija, pavyzdžiui, lazerio šviesa.
Kitas svarbus skirtumas nuo įprastų baterijų yra tas, kad kvantinės baterijos vidiniai kaupikliai neveikia nepriklausomai . Jie toli gražu nefunkcionuoja kaip atskiri elementai, o yra stipriai susiję: sistema įsikrauna ir vystosi kaip visuma, todėl atsiranda kolektyvinis poveikis, kurio nėra įprastoje elektronikoje.
Tai reiškia, kad padidinus bateriją sudarančių kvantinių vienetų skaičių, ne tik padidėja talpa, bet ir sutrumpėja įkrovimo laikas . Kitaip tariant, didesnė kvantinė baterija įkraunama ne ilgiau, o greičiau greičiau – visiškai priešingai nei šiandien naudojamos technologijos.
Pirmasis veikiantis prototipas: kas slypi už proveržio
Šį svarbų etapą pasiekė Australijos tyrėjų komanda, bendradarbiaudama su kitų šalių mokslininkais. Tarp žymiausių vardų yra Jamesas Quachas iš Australijos nacionalinės mokslo agentūros CSIRO , taip pat tokie specialistai kaip Jamesas Hutchisonas ir Trevoras Smithas iš Melburno universiteto, Danielis Tibbenas iš RMIT universiteto ir Kieranas Hymasas, taip pat iš CSIRO. Keletas šių centrų yra pažangiausių fotonikos ir kvantinių technologijų tyrimų priešakyje.
Ši grupė paskelbė savo rezultatus žurnale „Light: Science & Applications“ techniniame straipsnyje pavadinimu „Superextensive electrical power from a quantum battery“ (liet. „Superekstensyvi elektros energija iš kvantinės baterijos“). Straipsnyje išsamiai aprašoma, kaip jiems pirmą kartą pavyko atlikti visą baterijos ciklą: energijos įkrovimą, kaupimą ir iškrovimą vienoje funkcinėje sistemoje.
Kvantinės baterijos koncepcija nėra nauja: ji pirmą kartą buvo pasiūlyta apie 2013 m., o nuo to laiko buvo pateikti teoriniai modeliai ir dalinės demonstracijos. Tačiau nė vienam iš šių dizainų nepavyko integruoti visų veikimo ciklo etapų į vieną praktišką įrenginį. Arba buvo pademonstruotas įkrovimas, bet nebuvo jokio naudingo būdo išgauti energiją, arba reikalingos sąlygos (pvz., ekstremali temperatūra) pasirodė esančios nerealistiškos.
Quacho komanda šią idėją plėtoja nuo 2018 m. 2022 m. jie pristatė pirmąjį prototipą, kuris eksperimentiškai pademonstravo greitėjantį įkrovimą didėjant dydžiui, naudojant labai sudėtingą organinę mikroertmę – sluoksniuotą struktūrą, kuri labai specifiniu būdu sulaiko šviesą. Tačiau toje versijoje trūko veiksmingo mechanizmo, kaip sulaikytą energiją paversti naudinga elektros srove.
Savo naujame darbe tyrėjai žengė kitą žingsnį: pridėjo prie įrenginio papildomų sluoksnių, kurie leidžia jam paversti sukauptą energiją elektra . Tokiu būdu dabartinis prototipas gali ne tik įkrauti ir ribotą laiką išlaikyti energiją, bet ir iškrauti ją kaip elektros srovę, užbaigdamas tikrąjį akumuliatoriaus veikimo ciklą.
Kaip sukonstruota kvantinė baterija ir kaip ji veikia
Virusiniu būdu išplitęs prototipas iš esmės yra mažytis organinis įrenginys, sudarytas iš kelių sluoksnių , išdėstytų savotiškame nanometriniame „sumuštinyje“. Šis dizainas žinomas kaip organinė mikroertmė ir yra specialiai sukurtas labai efektyviai sąveikauti su lazerio šviesa.
Įkrovimas atliekamas belaidžiu būdu: lazerio spindulys trenkia į įrenginį, ir jo energija beveik akimirksniu absorbuojama , tai vadina „superabsorbcijos“ epizodu. Užuot kiekvienas vidinis akumuliatoriaus blokas sugeręs šviesą atskirai, sistema elgiasi kaip darni visuma, bendrai ir itin greitai surydama energiją.
Kai sistema sužadinama, energija kaupiama mikroertmės organinių komponentų kvantinėse būsenose , analogiškai tam, kas vyksta atomuose, kai elektronas peršoka į aukštesnės energijos orbitalę. Ši kaupiama energija išlieka trumpą, bet išmatuojamą laiko intervalą, po kurio ją galima išgauti kaip elektros srovę, naudojant prie naujausios prototipo versijos pridėtus sluoksnius.
Kad pasiektų tokį elgesį, baterija remiasi kolektyviniais kvantiniais efektais . Mikroskopiniai vienetai, kurie ją sudaro (kvantiniai elementai), neveikia kaip maži, izoliuoti blokai, o kaip viena, koordinuota sistema, kurioje visi elementai yra stipriai susiję. Šis ryšys lemia labai specifinę įkrovimo dinamiką.
Dėl to, didėjant kvantinių ląstelių skaičiui, didėja ne tik bendra energijos talpa , bet ir kiekvienos ląstelės įkrovimo greitis. Tai tyrėjai apibūdina kaip „superekstensyvų“ elgesį: įkrovimo galia auga greičiau nei akumuliatoriaus dydis.
Pagrindinis reiškinys: didesnis dydis, trumpesnis įkrovimo laikas
Kaip žino kiekvienas vartotojas, kuo didesnė ličio jonų arba švino rūgšties akumuliatorių talpa, tuo ilgesnis įkrovimo laikas . Mobilusis telefonas su didele baterija įkrauna 100 % gerokai ilgiau nei su maža, o elektromobiliui visiškai įkrauti reikia kelių valandų, o baką benzino galima pripildyti vos per kelias minutes.
Kvantinės baterijos visiškai paneigia šią intuiciją. Dėl superpozicijos ir susietumo efektų bateriją sudarančios kvantinės ląstelės veikia darniai . Kuo daugiau įrenginyje sujungtų ląstelių, tuo didesnis bendras įkrovimo greičio padidėjimas. Todėl tyrėjai teigia: kvantinės baterijos įkraunamos greičiau, kuo jos didesnės.
Dabartiniame prototipe išmatuotas laikas yra stulbinantis: įkrovimas vyksta femtosekundžių (10⁻¹⁵ sekundžių) tvarka , o gauta energija saugoma nanosekundes (10⁻⁹ sekundžių). Tarp šių dviejų skaičių yra maždaug šešių dydžių eilių skirtumas.
Pats Jamesas Quachas tai iliustruoja labai vaizdingu pavyzdžiu: jei įprasta baterija būtų įkrauta per vieną minutę, šis šešių dydžių santykis reikštų, kad ji galėtų išlikti įkrauta maždaug dvejus metus . Laboratorijoje absoliučios vertės vis dar yra labai mažos, tačiau neatitikimas tarp įkrovimo laiko ir energijos išlaikymo laiko yra tai, kas iš tikrųjų jaudina mokslo bendruomenę.
Prototipo pasiekiama energijos talpa vis dar labai maža – siekia milijardus elektronvoltų . Šis skaičius, nors ir įspūdingas, gerokai atsilieka nuo tikro elektroninio prietaiso energijos poreikių. Nepaisant to, kaip koncepcijos įrodymas, tai rodo, kad itin greito įkrovimo ir trumpo, bet efektyvaus saugojimo reiškinys yra įmanomas eksperimentinėje aplinkoje kambario temperatūroje.
Dabartiniai apribojimai ir iššūkiai, kuriuos reikia išspręsti
Nepaisant entuziazmo, patys tyrėjai tvirtina, kad kvantinės baterijos dar toli gražu nėra komercinio naudojimo . Prototipas gali sukaupti labai mažą energijos kiekį, o laikas, per kurį jis išlaiko tą energiją, matuojamas nanosekundėmis – sekundės dalimi, todėl naudojant dabartines technologijas visiškai neįmanoma maitinti mobiliojo telefono, kompiuterio ar elektromobilio.
Vienas iš pagrindinių iššūkių yra užtikrinti, kad kvantinės būsenos išliktų stabilios esant aplinkos trikdžiams. Bet koks nedidelis temperatūros, vibracijos ar elektromagnetinio triukšmo pokytis gali sukelti dekoherenciją, tai yra, sutrikdyti subtilią kvantinę koordinaciją, kuri įgalina superabsorbciją ir efektyvų iškrovimą.
Komandos žodžiais tariant, kitas žingsnis – padidinti įrenginio dydį ir gerokai pailginti jo įkrovos išlaikymo laiką . Galutinis tikslas – sukurti hibridinius dizainus, kurie apjungtų geriausias abiejų pasaulių savybes: kvantinio įkrovimo greitį ir tradicinių baterijų tvirtumą bei talpą.
Kitas rūpestis yra energijos išsisklaidymas įkrovimo ir iškrovimo procesų metu . Realioje kvantinėje sistemoje nuostoliai dėl sąveikos su aplinka praktikoje gali panaikinti teorinius pranašumus. Viena iš aktyviausių tyrimų sričių yra architektūrų, kurios sumažintų šiuos nuostolius, kūrimas.
Be eksperimentinio darbo Australijoje, teorinės grupės kitose šalyse, pavyzdžiui, Kinijoje, daugiausia dėmesio skiria konceptualių sistemų, skirtų kvantinėms baterijoms padaryti atsparesnėms, paieškai . Tarp šių tyrimų krypčių išsiskiria topologijos idėjų panaudojimas kuriant stabilesnes kvantines baterijas.
Topologija ir kvantinės baterijos: teorinis Kinijos indėlis
Kol Quacho grupė daro pažangą laboratorijoje, kitos komandos dirba ties teorine puse, kad įveiktų praktinius apribojimus. RIKEN kvantinių skaičiavimų centro ir Huazhongo mokslo ir technologijų universiteto tyrėjai pasiūlė sukurti topologinę kvantinę bateriją, kuria siekiama beveik tobulo energijos perdavimo ir didesnio atsparumo išsisklaidymui.
Savo analizėje, paskelbtoje žurnale „Physical Review Journals“ , jie aprašo modelį, pagrįstą fotoniniais bangolaidžiais ir dviejų lygių atomais, kuriame sistemos topologinės savybės leidžia energijai keliauti iš vieno galo į kitą su minimaliais nuostoliais. Šis metodas išnaudoja struktūras, kurios išlieka nekintamos esant mažoms deformacijoms , todėl įkrovimo ir iškrovimo procesas yra atsparesnis realaus pasaulio įrenginio netobulumams.
Pasak autorių, įmanoma rasti konfigūracijų, kuriose sistema tampa praktiškai atspari išsklaidymui – vienam iš pagrindinių kvantinių baterijų priešų. Jei tokio tipo dizainus būtų galima pritaikyti iš teorinės srities fiziniuose įrenginiuose, būtų galima įveikti kai kurias kliūtis, kurios šiuo metu trukdo pereiti nuo mažyčių prototipų prie kvantinių baterijų su praktiniu pritaikymu.
Pagrindinis tyrimo autorius Zhi-Guang Lu pabrėžia, kad ši tyrimų kryptis siūlo aiškias kvantinių baterijų veikimo optimizavimo realiomis sąlygomis gaires . Galutinis tikslas – paspartinti perėjimą nuo idealizuotų modelių prie mikroenergijos kaupimo įrenginių, kurie gali veikti ne laboratorijoje.
Šios teorinės pastangos papildo tokių komandų kaip Australijos eksperimentinį darbą, sukurdamos tyrimų ekosistemą, kurioje teorija vadovauja naujų prototipų projektavimui , o praktiniai rezultatai savo ruožtu suteikia grįžtamąjį ryšį ir koreguoja matematinius modelius.
Galimos taikymo sritys: nuo kvantinių skaičiavimų iki elektromobilių
Kvantiniai kompiuteriai veikia pagal tuos pačius fizikos dėsnius, kurie reglamentuoja kvantines baterijas, ir jiems reikalingi itin tikslūs ir efektyvūs energijos šaltiniai, kurie maitintų jų jautrius komponentus. Specialiai šioms sistemoms sukurta kvantinė baterija galėtų optimizuotu būdu tiekti koherentinę energiją, sumažindama nuostolius ir trikdžius, kurie veikia kubitus.
Tokie ekspertai kaip Andrew White'as, Kvinslando universiteto kvantinių technologijų laboratorijos direktorius , pabrėžė, kad tokio tipo įrenginiai gali būti trūkstama dalis, reikalinga kvantinių skaičiavimų plėtrai iki didesnių, naudingesnių mašinų. Tai, kad jau egzistuoja veikiantis prototipas, rodo, kad kvantinė baterija nebėra tik spėlionės.
Žvelgdami į tolimesnę ateitį, tyrėjai įsivaizduoja tokias taikymo sritis kaip belaidis dronų įkrovimas skrydžio metu arba transporto priemonių, kurios įkraunamos vairuojant, įkrovimas . Kvantinės baterijos gebėjimas nuotoliniu būdu, be laidų, sugerti lazerio šviesą atveria duris scenarijams, kai įkrovimo infrastruktūra labai skirtųsi nuo tos, kuri yra šiandien.
Jamesas Quachas netgi įsivaizdavo ateitį, kai elektromobilių nereikės sustoti fiksuotoje vietoje , kad juos įkrautų; vietoj to energija bus tiekiama dinamiškai, kol transporto priemonė važiuos. Visa tai, žinoma, priklauso nuo technologijos, kuri įveiks milžiniškus masto ir stabilumo barjerus, su kuriais ji vis dar susiduria.
Ličio jonų akumuliatorių skirtumai ir galimi privalumai
Ličio jonų baterijos dabar yra faktinis standartas mobiliuosiuose telefonuose, nešiojamuosiuose kompiuteriuose ir elektromobiliuose, tačiau jos turi gerai žinomų apribojimų : gana ilgą įkrovimo laiką, degradaciją ciklų metu, perkaitimo riziką ir talpos apribojimus, todėl reikia ieškoti efektyvesnių alternatyvų.
Teoriškai kvantinė baterija galėtų pasiūlyti daug greitesnį įkrovimą ir didesnį efektyvumą išgaunant naudingą darbą iš sukauptos energijos. Remiantis kvantiniais reiškiniais, o ne lėtais cheminiais procesais, įkrovimo greičio neribotų jonų migracija, o generuojama energija tūrio vienetui galėtų būti žymiai didesnė.
Kitas galimas privalumas yra tas, kad tinkamai suprojektuotos kvantinės baterijos galėtų veikti kambario temperatūroje be ekstremalių kriogeninių sąlygų, o tai yra labai svarbus veiksnys, lemiantis jų platų pritaikymą. Australijoje sukurtas prototipas jau veikia įprastomis sąlygomis, o tai rodo, kad bent jau nedideliu mastu egzotiška aplinka nėra būtina šiems efektams pasireikšti.
Be to, galimybė įkrauti didelius atstumus lazeriais iš esmės pakeistų mūsų požiūrį į įkrovimo infrastruktūrą. Įsivaizduokite paskirstytas lazerines įkrovimo stotis, maitinančias dronus, nuotolinius jutiklius ar transporto priemones, taip sumažinant laidų, kištukų ir ilgesnių prastovų poreikį.
Vis dėlto patariama būti atsargiems: šie privalumai kol kas tėra sąlyginiai pažadai, priklausantys nuo technologijos pritaikomumo neprarandant pagrindinių kvantinių savybių . Kol nebus sukurti įrenginiai su naudinga kaupimo talpa ir žymiai ilgesniu energijos išlaikymo laiku, jie liks laboratoriniu priedu, o ne tiesioginiu dabartinių baterijų pakaitalu.
Įvairių komandų visame pasaulyje, nuo Australijos iki Kinijos, darbas rodo, kad kvantinių baterijų sritis artėja prie mokslinės brandos etapo . Pirmieji funkciniai prototipai ir pažangūs teoriniai modeliai rodo, kad tai ne tik mokslinė fantastika, bet ir technologija, turinti realų potencialą, nors vis dar ribotą labai mažu mastu.
Šiandien kvantinių baterijų situacija primena ankstyvųjų kvantinių kompiuterių situaciją: vis dar kuklūs įrenginiai, kupini techninių iššūkių , tačiau jau peržengę ribą tarp teorinės idėjos ir apčiuopiamo eksperimento. Jei tyrėjams pavyks pagerinti stabilumą, padidinti talpą ir perkelti topologinius dizainus iš popieriaus į lustą, ateinančiais dešimtmečiais galime pamatyti, kaip baterijų koncepcija pasikeis taip pat iš esmės, kaip ir pačių kompiuterių.
