Průlom v australských laboratořích
Zní to jako scéna z vědeckofantastického filmu, ale jde o skutečný experiment. Australští vědci představili prototyp baterie, která se nabíjí laserem na dálku — prakticky okamžitě.
Tým výzkumníků spojený s organizací CSIRO, Univerzitou v Melbourne a RMIT předvedl první funkční kvantovou baterii v laboratorních podmínkách. Místo klasických chemických reakcí využívá jevy z kvantové fyziky a absorbuje světelnou energii v jediném bleskurychlém „záchvatu".
Projekt vznikl v rámci výzkumné agentury CSIRO ve spolupráci se dvěma melbournskými univerzitami. Výsledky byly popsány v prestižním vědeckém časopise zaměřeném na fotoniku a nové energetické technologie. Hlavní cíl: vytvořit zásobník energie, který překoná omezení běžných lithium-iontových článků.
Jak se kvantová baterie liší od té klasické
Klasická baterie se nabíjí pomalým pohybem iontů a chemickými reakcemi. V kvantovém prototypu vstupuje energie do materiálu ve formě laserového světla — bez jediného kabelu. Celý proces trvá méně než sekundu a odehrává se na časových škálách měřených ve femtosekundách, tedy biliontinách sekundy.
Kvantová baterie se „neplní" postupně krok za krokem. Pohltí dávku světelné energie v jediném koordinovaném aktu, což radikálně zkracuje dobu nabíjení.
Na čem je založena superabsorpce
Vědci označují využívaný jev jako superabsorpci. Spočívá v tom, že elementární „stavební kameny" baterie nepracují nezávisle, ale chovají se jako jeden synchronizovaný celek. V kvantové fyzice lze nastavit stav materiálu tak, aby reagoval na světlo kolektivně, nikoli individuálně.
Proč to nabíjení urychluje
V tradiční baterii absorbuje energii každá část materiálu zvlášť. Zde se celá struktura chová jako jedna obrovská anténa pro fotony. Čím více těchto prvků spolupracuje, tím snáze pohltí energii z laserového paprsku — a tím kratší je doba nabíjení.
- nabíjení probíhá bezdrátově, prostřednictvím světla;
- energie vstupuje do baterie v jediné koordinované fázi;
- doba nabíjení se zkracuje na zlomky sekundy;
- klíčovou roli hraje kvantová provázanost mezi prvky materiálu.
K ověření tohoto efektu využili vědci ultrarychký laser z chemické laboratoře Univerzity v Melbourne. Takové zařízení umožňuje „sledovat" proces nabíjení v mikroskopických časových úsecích a měřit, kolik energie skutečně do prototypu vstupuje.
Čím větší baterie, tím rychleji se nabíjí
Nejpřekvapivější závěr výzkumu se týká škálování technologie. V běžném světě platí, že větší kapacita znamená delší nabíjení. Australský tým ukazuje pro kvantovou baterii přesně opačný trend.
S rostoucí velikostí kvantového systému doby nabíjení neklesají — zkracují se. Více „aktivních" prvků znamená silnější kolektivní efekt a rychlejší absorpci energie z laseru. To zcela odporuje intuici inženýra zvyklého na klasické akumulátory. Z pohledu kvantové fyziky to však dává smysl: čím více částic se podaří korelovat do jednoho stavu, tím mocnější je jejich společná odezva na světlo.
Co to může znamenat pro vozidla a elektroniku
Vědci otevřeně přiznávají, že se zaměřují na automobilový průmysl, spotřební elektroniku a systémy ukládání energie ze sítě. Lákavá vize: elektromobil zastaví na stanici na několik vteřin, přijme obrovský impulz světelné energie a odjede s plným „tankem".
Bezdrátové nabíjení na dálku otevírá také zcela nové scénáře v domácnosti či kanceláři. Představte si místnost s nenápadným vysílačem, který dobíjí telefony, laptopy nebo sluchátka, jakmile zjistí, že klesá úroveň energie. Zařízení by prakticky přestala „umírat" v nejméně vhodnou chvíli.
Od laboratoře k reálným produktům je ještě daleko
Je však třeba mít na paměti, že se stále jedná o prototyp, nikoli o hotový akumulátor pro smartphone. Současná verze má velmi malou kapacitu a slouží především k potvrzení, že koncept v praxi funguje. Vědci prokázali:
| Vlastnost | Dnešní prototyp | Cíl do budoucna |
|---|---|---|
| Způsob nabíjení | Laser v kontrolované laboratoři | Bezdrátové stanice vysílající světlo o bezpečném výkonu |
| Doba nabíjení | Zlomek sekundy | Okamžik prakticky nepozorovatelný pro uživatele |
| Kapacita | Symbolická, čistě experimentální | Úroveň dostačující pro vozidla, elektroniku a energetické zásobníky |
| Stabilita | Předběžně potvrzena v krátkém časovém úseku | Opakované nabíjecí cykly po celé roky provozu |
K dosažení komerčního průlomu bude zapotřebí několik kroků: zvýšení kapacity, udržení náboje po dlouhou dobu, zvládnutí energetických ztrát a navržení bezpečné infrastruktury pro přenos výkonu pomocí světla.
Co vlastně znamená „kvantová baterie"
Označení „kvantová" snadno rozpaluje fantazii, ale skutečný smysl se přitom lehce vytratí. V tomto případě jde o velmi konkrétní sadu efektů: kvantové stavy, ve kterých mnoho molekul nebo aktivních center funguje jako jeden celek, a přesná kontrola nad tím, jak absorbují fotony.
Nepřipomíná to ani jaderný reaktor, ani futuristickou „kouli energie". Je to spíše specializovaný materiál, který za správných podmínek funguje jinak než vše, na co nás klasická elektronika připravila.
Rizika a výzvy, o nichž se mluví jen zřídka
Fantastické vize rychlého nabíjení snadno zastíní obtížné otázky. Systémy přenášející velké množství energie vzduchem musí splňovat přísné bezpečnostní normy. Nejde jen o zdraví lidí, ale také o rušení jiných zařízení — například optické komunikace nebo senzorů.
Stejně důležitá je energetická stránka věci. Je třeba ověřit, kolik výkonu je v praxi potřeba k nabití širokého spektra zařízení a zda takový proces negeneruje značné ztráty. Kvantové technologie mohou být v mikroměřítku nesmírně efektivní, ale jejich škálování na masová řešení bývá obtížné.
Proč stojí za to sledovat vývoj takových baterií
Pro běžného uživatele je na prvním místě komfort. Pokud technologie dozraje, může změnit každodenní návyky podobně jako rychlonabíječky telefonů nebo bezdrátové nabíjení. Rozdíl spočívá v tom, že tentokrát hovoříme o řád vyšší rychlosti.
Energetické a automobilové firmy se konceptem bleskového ukládání energie zajímají již dnes. Propojení kvantových baterií s obnovitelnými zdroji, jako jsou fotovoltaika nebo větrné farmy, by mohlo v budoucnu usnadnit stabilizaci sítě. Výrobci elektromobilů by zase získali argument, který řidiče skutečně přesvědčí: konec hodinového čekání u nabíječky.
Australský prototyp dokazuje, že takové scénáře nejsou jen efektními motivy z filmů science fiction. Zbývá otázka ne „zda", ale kdy se inženýrům podaří převést kvantovou superabsorpci do něčeho, co skutečně skončí v garážích a kapsách uživatelů. A zda si tehdy ještě vůbec vzpomeneme, jaké to bylo nervózně hledat zásuvku uprostřed dne.
