Ścigacz.pl

Zastosowanie ładowania kwantowego pozwoliłoby na 200-krotne zwiększenie szybkości procesu w porównaniu z akumulatorami klasycznymi, co oznacza, że w warunkach domowych czas ładowania skróciłby się z 10 godzin do około 3 minut.

Niezależnie od tego czy chodzi o fotowoltaikę, czy syntezę jądrową, prędzej czy później ludzka cywilizacja musi zwrócić się ku energii odnawialnej. Biorąc pod uwagę stale rosnące zapotrzebowanie ludzkości na energię oraz ograniczony charakter paliw kopalnych, zmiana źródeł energii jest nieunikniona. W związku z tym obecnie prowadzonych jest wiele badań mających na celu opracowanie alternatywnych źródeł energii, z których większość wykorzystuje energię elektryczną.

Chyba najbardziej uderzającą zmianą w ostatnich latach jest właśnie szybkie upowszechnienie się pojazdów elektrycznych. Podczas gdy jeszcze 10 lat temu prawie nie było ich widać na drogach, obecnie sprzedaje się setki tysięcy jednośladów i czterokołowych pojazdów elektrycznych rocznie, chociaż jeszcze nie w Polsce. Mimo to, rynek pojazdów elektrycznych jest jednym z najszybciej rozwijających się sektorów, który pomógł Elonowi Muskowi stać się najbogatszym człowiekiem na świecie.

W przeciwieństwie do tradycyjnych pojazdów, które czerpią energię ze spalania paliw węglowodorowych, jednoślady i samochody elektryczne wykorzystują akumulatory jako nośnik energii. Stopniowe doskonalenie technologii akumulatorów pozwoliło w końcu na osiągnięcie akceptowalnych zasięgów pojazdów elektrycznych w porównaniu do napędzanymi benzyną. Nie ulega wątpliwości, że udoskonalenie technologii magazynowania energii było jednym z głównych problemów technicznych, które należało rozwiązać, aby zapoczątkować obecną rewolucję w dziedzinie elektrycznej mobilności.

Jednak mimo ogromnego postępu w technologii akumulatorów, konsumenci pojazdów elektrycznych napotykają dziś na kolejny problem. To powolne ładowanie. Obecnie pełne naładowanie samochodów i motocykli w domu zajmuje około 10 godzin. Nawet najszybsze ładowarki na stacjach potrzebują 20-40 minut, aby akumulator osiągnął 100 procent. Powoduje to dodatkowe koszty i niedogodności dla klientów.

Aby rozwiązać ten problem naukowcy rozpoczęli poszukiwania odpowiedzi w dziedzinie fizyki kwantowej. Ich badania doprowadziły do odkrycia, że technologie kwantowe mogą stanowić obietnicę nowych mechanizmów umożliwiających szybsze ładowanie naszych akumulatorów. Koncepcja "baterii kwantowej" została po raz pierwszy zaproponowana w przełomowej pracy opublikowanej przez Alickiego i Fannesa w 2012 roku. Stwierdzono w niej, że zasoby kwantowe, takie jak splątanie, można wykorzystać do znacznego przyspieszenia procesu ładowania akumulatora poprzez jednoczesne zbiorowe ładowanie wszystkich ogniw w akumulatorze.

Jest to szczególnie interesujące z tego powodu, że nowoczesne akumulatory o dużej pojemności mogą zawierać wiele ogniw. Zbiorowe ładowanie nie jest możliwe w klasycznych akumulatorach, w których ogniwa są ładowane równolegle, niezależnie od siebie. Przewagę  zbiorowego ładowania można zmierzyć za pomocą współczynnika zwanego "przewagą ładowania kwantowego".

W 2017 roku naukowcy zauważali, że za tą kwantową przewagą mogą kryć się dwa możliwe źródła - mianowicie "działanie globalne" - w którym wszystkie ogniwa rozmawiają ze wszystkimi innymi jednocześnie, czyli "wszyscy siedzą przy jednym stole" oraz "sprzężenie all-to-all". W tej drugiej sytuacji każde ogniwo może komunikować się z innym, ale pojedynczym ogniwem, czyli "wiele dyskusji, ale każda dyskusja ma tylko dwóch uczestników". Nie jest jednak jasne, czy oba te źródła są konieczne i czy istnieją jakieś ograniczenia co do szybkości ładowania, jaką można osiągnąć.

Niedawno naukowcy z Centrum Fizyki Teoretycznej Układów Złożonych działającego w ramach Instytutu Nauk Podstawowych (IBS) podjęli dalsze badania nad tymi zagadnieniami. Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.

Najważniejszym wnioskiem jest ustalenie, że podczas gdy w klasycznych bateriach maksymalna szybkość ładowania rośnie liniowo wraz z liczbą ogniw, baterie kwantowe wykorzystujące działanie globalne mogą osiągnąć czterokrotne skalowanie szybkości ładowania. Aby to zilustrować weźmy przykład typowego pojazdu elektrycznego z akumulatorem zawierającym około 200 ogniw. Zastosowanie ładowania kwantowego pozwoliłoby na 200-krotne zwiększenie szybkości ładowania w porównaniu z akumulatorami tradycyjnymi, co oznacza, że w warunkach domowych czas procesu skróciłby się z 10 godzin do około 3 minut! W szybkich stacjach ładowania czas ładowania skróciłby się z 30 minut do zaledwie kilku sekund.

Naukowcy twierdzą, że konsekwencje tego odkrycia mogą być dalekosiężne, a implikacje ładowania kwantowego mogą wykraczać daleko poza samochody, motocykle elektryczne i elektronikę użytkową. Na przykład, może ono znaleźć kluczowe zastosowanie w przyszłych elektrowniach termojądrowych, które wymagają błyskawicznego ładowania i rozładowywania dużych ilości energii.

Oczywiście technologie kwantowe są wciąż w powijakach i upłynie jeszcze wiele czasu, zanim metody te będzie można zastosować w praktyce. Wyniki badań, takie jak powyższe, wyznaczają jednak obiecujący kierunek i mogą zachęcić agencje finansujące i przedsiębiorstwa do dalszych inwestycji w te technologie. Uważa się, że jeśli baterie kwantowe zostaną zastosowane, całkowicie zrewolucjonizują sposób, w jaki korzystamy z energii i przybliżą nas do zrównoważonej przyszłości.