Vědci z Austrálie předvedli funkční prototyp akumulátoru, který se nabíjí laserem na dálku téměř okamžitě. Místo klasických chemických reakcí využívá jevy kvantové fyziky a pohlcuje energii světla v jednom bleskurovém „záběru“.
Zní to jako sci-fi film, ale jedná se o reálný experiment. Tým výzkumníků spojený s organizací CSIRO, Melbournskou univerzitou a RMIT představil první funkční kvantovou baterii v laboratoři.
Projekt vznikl v rámci prací australské výzkumné agentury CSIRO ve spolupráci s dvěma univerzitami z Melbourne. Výsledky byly popsány v prestižním vědeckém časopise věnovaném fotonice a novým energetickým technologiím. Klíčem bylo vytvořit úložiště energie, které překoná omezení běžných lithium-iontových článků.
Klasická baterie se nabíjí pomocí pomalého putování iontů a chemických reakcí. V kvantovém prototypu energie vstupuje do materiálu ve formě laserového světla, bez jakýchkoli kabelů. Celý proces trvá méně než sekundu a odehrává se na časových škálách měřených ve femtosekundách, tedy biliontinách částech sekundy. Kvantová baterie se nenaplňuje krok za krokem, ale pohlcuje dávku světelné energie v jednom koordinovaném aktu, což radikálně zkracuje dobu nabíjení.
Na čem stojí efekt superabsorpce
Vědci popisují použitý jev jako superabsorpci. Jde o to, že mnoho elementárních součástí baterie nepracuje nezávisle, ale chová se jako jeden synchronizovaný systém. V kvantové fyzice lze nastavit stav materiálu tak, aby reagoval na světlo kolektivním, nikoli individuálním způsobem.
V tradiční baterii každý fragment materiálu pohlcuje energii samostatně. Zde se celá struktura chová jako jedna obrovská anténa pro fotony. Čím více takových prvků spolupracuje, tím snadněji pohlcují energii z laserového paprsku a tím kratší je doba nabíjení.
Aby ověřili, zda tento efekt skutečně nastává, vědci využili ultrarychlý laser z chemické laboratoře Melbournské univerzity. Takové vybavení umožňuje sledovat proces nabíjení v mikroskopických zlomcích sekundy a měřit, kolik energie skutečně vstupuje do prototypu.
Proč se větší baterie nabíjí rychleji než malá
Nejpřekvapivější závěr výzkumu se týká škálování této technologie. Ve světě klasických baterií větší kapacita obvykle znamená delší nabíjení. Australský tým ukazuje přesně opačný trend u kvantové baterie.
S růstem velikosti kvantového systému časy nabíjení neklesají, ale rostou rychleji. Více aktivních prvků znamená silnější kolektivní efekt a rychlejší pohlcování energie z laseru. Takový výsledek je v naprostém rozporu s intuicí inženýra zvyklého na běžné akumulátory.
Z perspektivy kvantové fyziky to však dává smysl. Čím více molekul se podaří propojit v jednom stavu, tím mohutnější se stává jejich společná reakce na světlo. Tento princip otevírá zcela nové možnosti pro budoucí energetická zařízení.
Jak vypadají hlavní výhody kvantového nabíjení
Výzkumníci z CSIRO, Melbournské univerzity a RMIT identifikovali několik klíčových předností nové technologie:
- nabíjení probíhá bez kabelů, pomocí světla
- energie vstupuje do baterie v jednom koordinovaném kroku
- doba nabíjení se zkracuje na zlomky sekundy
- klíčovou roli hraje kvantové provázání mezi prvky materiálu
- větší baterie se nabíjí rychleji než menší
- systém funguje na principu kolektivní superabsorpce fotonů
- celý proces lze sledovat pomocí femtosekundových laserů
- technologie překonává fyzikální limity lithium-iontových článků
Pro ověření fungování využili badatelé ultrarychle pulsní laser, který dokáže zachytit dynamiku nabíjení v časových měřítcích nedostupných běžným přístrojům. Takové vybavení je k dispozici pouze v nejmodernějších laboratořích specializovaných na kvantovou optiku.
Co kvantové baterie znamenají pro elektromobily a elektroniku
Vědci přiznávají, že se dívají směrem k automobilovému průmyslu, spotřební elektronice a systémům skladování energie ze sítě. Vize je lákavá: elektromobil, který se zastaví na stanici na několik sekund, přijme gigantický impuls světelné energie a odjíždí s plnou nádrží.
Nabíjení na dálku bez kabelu otevírá také zcela nové scénáře v domácnosti či kanceláři. Představte si místnost s diskrétním vysílačem, který dobíjí telefony, notebooky nebo sluchátka, jakmile zjistí pokles úrovně energie. Zařízení by prakticky přestala umírat v nejméně vhodný okamžik.
Firmy zabývající se energetikou a automobilovým průmyslem již dnes projevují zájem o koncepci bleskového skladování energie. Spojení kvantových baterií s obnovitelnými zdroji, jako je fotovoltaika nebo větrné farmy, by v budoucnu mohlo usnadnit stabilizaci sítě. Výrobci elektrických aut by zase získali argument, který může skutečně přesvědčit řidiče: konec mnohahodinového čekání u nabíječky.
Jaké výzvy stojí mezi laboratorním prototypem a reálným produktem
Je však třeba pamatovat, že se bavíme o prototypu, nikoli hotovém akumulátoru do smartphonu. Současná verze má velmi malou kapacitu a slouží především k potvrzení, že koncepce funguje v praxi. Badatelé ukázali, že princip superabsorpce lze realizovat v kontrolovaných podmínkách.
Do komerčního průlomu bude potřeba několik kroků: zvýšení kapacity, udržení náboje po dlouhou dobu, zvládnutí energetických ztrát a navržení bezpečné infrastruktury pro přenos energie pomocí světla. Systémy předávající velké množství energie vzduchem musí fungovat při dodržení přísných bezpečnostních norm.
Nejde jen o zdraví lidí, ale také o rušení jiných zařízení, jako je optická komunikace nebo senzory. Technologie kvantového nabíjení musí prokázat stabilitu v běžném prostředí, kde se setkává s wifi sítěmi, bluetooth zařízeními a dalšími bezdrátovými systémy.
Proč sledovat pokroky v kvantovém skladování energie
Pro běžného uživatele se především počítá pohodlí. Pokud technologie dozraje, může změnit každodenní zvyky podobně jako rychlonabíječky pro telefony nebo indukční nabíječky. Rozdíl spočívá v tom, že tentokrát hovoříme o řádově větší rychlosti.
Australský prototyp ukazuje, že takové scénáře nejsou pouze efektním motivem ze sci-fi filmů. Zůstává otázka ne zda, ale kdy se inženýrům podaří převést kvantovou superabsorpci na něco, co skutečně dorazí do garáží a kapes uživatelů. A zda si tehdy ještě budeme pamatovat, jak vypadalo nervózní hledání zásuvky uprostřed dne.
