Die moderne Batterie hat in ihrer 224-jährigen Geschichte eine lange Entwicklung durchgemacht. Anstelle der Stapel aus Metallscheiben und in Salzlake getränkten Tüchern von Alessandro Volta haben wir heute Batterien in der Größe eines Graham Crackers, die tagelang halten, bevor sie wieder aufgeladen werden müssen.
Doch wo liegt die Obergrenze der derzeit auf dem Markt erhältlichen Geräte? Welche technischen Herausforderungen müssen überwunden werden, um diese Obergrenze zu durchbrechen, und wann werden solche Hürden überwunden sein? Wie sieht die Zukunft der Energiespeicherung aus?
Eine Handvoll Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten an einer Antwort: einer Batterietechnologie, die zur Speicherung einer Ladung die Gesetze der Quantenphysik statt der klassischen Physik nutzt. Das ist noch sehr, sehr fern, aber Rom wurde auch nicht an einem Tag erbaut – und schon gar nicht an einem Tag mit Strom versorgt.
Die beliebte Basisbatterie
Eine Batterie ist ein Stück Technologie, das chemische Reaktionen nutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Haushaltsbatterien erzeugen elektrische Energie durch den Fluss von Elektronen durch einen Stromkreis. Im Laufe der Jahrhunderte wurden unterschiedliche Batteriezellen entwickelt; Benjamin Franklin gilt als derjenige, der den Begriff „elektrische Batterie“ geprägt hat. 1749 Brief, das er mit einer amüsanten Parodie auf die Wunder der Elektrizität abschloss:
Für unser Abendessen soll ein Truthahn durch einen Elektroschock getötet und mit dem elektrischen Wagenheber gebraten werden, bevor ein Feuer durch eine elektrifizierte Flasche entfacht wird. Anschließend soll in elektrifizierten Stoßstangen unter Kanonenschüssen aus einer elektrischen Batterie auf die Gesundheit aller berühmten Elektriker in England, Frankreich und Deutschland getrunken werden.
Spulen wir vor durch ein paar verschiedene Batteriezellen, die meist nach den Wissenschaftlern benannt sind, die sie mithilfe chemischer Reaktionen verschiedener Säuren und Metalle entwickelt haben. 1859 kam die Bleibatterie auf den Markt – die erste, die sich durch Umkehrung des Stromflusses im System wieder aufladen ließ. Ende des 20. Jahrhunderts Im Laufe der Zeit kam die Lithium-Ionen-Batterie in Mode und ist seitdem im Wesentlichen beliebt geblieben. Dabei werden verschiedene Permutationen von Lithium in Kombination mit anderen Metallen und Phosphaten verwendet. Doch im Laufe der Geschichte der modernen Batterie hat sich das Grundprinzip einer chemischen Reaktion, bei der elektrische Energie erzeugt wird, nicht verändert.
Okay, vergessen Sie die Batterie. Was zum Teufel ist „Quanten“?
Lassen Sie uns die Quantenphysik in groben Zügen durchgehen. Für Teilchen in Quantenzuständen gelten völlig andere Regeln als für alles, was Sie um sich herum sehen, vom Wasser in den Wolken bis zu den Blutgefäßen, die durch Ihre Adern fließen. Teilchen gelangen unter extremen Bedingungen in Quantenzustände: bei sehr kalten Temperaturen und im Vakuum. Unter diesen Bedingungen können Teilchen wie mehrere Dinge gleichzeitig wirken, was sie beispielsweise für komplizierte mathematische Operationen nützlich macht (wie ein Quantencomputer) und überprüfen, ob Zeitreise (in gewissem Sinn) ist möglich.
Quantensysteme können auch aufweisen Verstrickung, ein Phänomen, bei dem zwei oder mehr Quantenteilchen die Eigenschaften einander definieren. In QuantencomputernAtome in einem Array enthalten die für die jeweilige Operation erforderlichen Informationen, genau wie Bits in einem gewöhnlichen Computer. Diese Atome sind Quantenbits oder Qubits.
Doch Quantenoperationen sind heikel. Sobald ein beliebiger Wert in einem Quantensystem bestätigt wird, bricht die Operation zusammen. Das gesamte System – beispielsweise die Atome in einem Array – befindet sich dann wieder in einem klassischen Zustand.
Quantenzustände können lange Zeit bestehen bleiben. Nehmen Sie Zeitkristalle, einen Zustand der Materie zuerst. vorgeschlagen im Jahr 2012 von dem Physiker Anfang dieses Jahres zeigten, dass mindestens 40 Minuten andauern, etwa 10 Millionen Mal länger als andere bekannte Kristalle. Diese Kristalle sind weit von Quantenbatterien entfernt, zeigen jedoch, wie flüchtig manche Quantensysteme normalerweise sind – ein wichtiges zu lösendes Problem, wenn wir uns jemals auf solche Systeme zur Energieversorgung verlassen wollen.
Wie lassen sich also die Regeln der Quantenmechanik auf eine Batterie anwenden, also auf die Technologie, die es Ihnen ermöglicht, diesen Artikel weiterzulesen und vielleicht auch mehr, nachdem Sie ihn wieder aufgeladen haben?
Quantenbatterien, wie sie derzeit vorgestellt werden
Wie normale Batterien speichern Quantenbatterien – so wie man sie sich vorstellt – Energie. Doch hier enden die Gemeinsamkeiten. Anders als bei den chemischen Reaktionen, die die gespeicherte Energie einer Batterie sowohl aufladen als auch verbrauchen, werden Quantenbatterien durch Quantenverschränkung oder Verhaltensweisen angetrieben, die die Batterie und ihre Quelle enger miteinander verbinden.
„Quantenbatterien bestehen aus vielen Quantenzellen, die wie eine große Quantenbatterie funktionieren“, sagte Ju-Yeon Gyhm, Quantenforscher an der Seoul National University in Südkorea, in einer E-Mail an Gizmodo. „Die Herausforderung besteht darin, die Quanteneigenschaften über lange Zeit aufrechtzuerhalten.“
Da für Quantenbatterien dieselben Eigenschaften gelten wie für Quantencomputer, muss eine große technische Herausforderung bewältigt werden, um die Technologie außerhalb von Forschungsumgebungen zu verwirklichen: Physiker müssen herausfinden, wie sie Quantensysteme außerhalb der sorgfältigsten Forschungsumgebungen in ihrem empfindlichen Zustand halten können. Eine Raumtemperatur-Supraleiter wäre so ein Gral, aber heutzutage ist das einzige Leute, die eine solche Entdeckung behaupten hatten ihre Arbeit innerhalb von Monaten entlarvt.
„Die Thermodynamik im Gleichgewicht setzt keine Grenzen dafür, wie schnell Energie in Wärme und Arbeit umgewandelt wird“, schrieb ein Team aus fünf Wissenschaftlern in einem kürzlich abgehaltenen Kolloquium über Quantenbatterien. bereitgestellt auf dem Preprint-Server arXiv. „Daher erscheint es natürlich, thermodynamische Quantenvorteile in Quantensystemen zu suchen, die aus dem Gleichgewicht getrieben werden.“
Die Gruppe stellte weiterhin fest, dass die Quantenverschränkung damit zusammenhängt, wie schnell Energie in Vielteilchen-Quantensystemen gespeichert werden kann. Diese Entdeckung hat die Forschung zu Quantensystemen als Energiespeichergeräten angeregt.
Im Jahr 2018 modellierte ein Team die Dicke-Quantenbatterie, die erste, die in einer Festkörperarchitektur existieren soll, und im 2022hat ein Team in einer Laborumgebung mithilfe eines Ziels, Spiegeln und Laserlicht ein grundlegendes Gerüst für eine Quantenbatterie getestet.
Aktuelle Experimente untersuchen das Problem
Ende letzten Jahres schlug ein Team von Quantenforschern ein System vor, mit dem Quantenbatterien in einer unbestimmten kausalen Reihenfolge (ICO) aufgeladen werden könnten. Ihre Ergebnisse—veröffentlicht in Physische Überprüfungsbriefe– ging davon aus, dass ein Ladesystem mit ICO herkömmliche Ladeprotokolle übertreffen könnte.
„Grob gesagt kann ICO verwendet werden, um Quantenprozesse zu konstruieren, die in der Standardquantentheorie, in der die kausale Ordnung eindeutig oder festgelegt sein muss, nicht möglich sind“, sagte Yuanbo Chen, Forscher an der Universität Tokio und Hauptautor der Studie, in einer E-Mail an Gizmodo. „Diese Flexibilität ermöglicht eine größere Vielfalt an Quantenprozessen, von denen einige vorteilhafte und interessante Eigenschaften aufweisen können.“
„Wir konnten enorme Zuwächse sowohl bei der im System gespeicherten Energie als auch bei der thermischen Effizienz feststellen. Und etwas kontraintuitiv entdeckten wir den überraschenden Effekt einer Wechselwirkung, die das Gegenteil von dem ist, was man erwarten würde: Ein Ladegerät mit geringerer Leistung kann höhere Energien mit größerer Effizienz bereitstellen als ein Ladegerät mit vergleichbarer höherer Leistung, das dasselbe Gerät verwendet“, so Chen. sagte damals.
Verschiedene experimentelle Aufbauten von Quantenbatteriesystemen – sowohl vorgeschlagene als auch realisierte – bedeuten, dass es verschiedene Wege gibt, das Design einer solchen futuristischen Technologie zu erneuern. Letzten Monat hat ein Team der Universität Danzig und der Universität Calgary vorgeschlagen ein Ladesystem für Quantenbatterien, das die in der Batterie gespeicherte Energiemenge maximiert und gleichzeitig die beim Ladevorgang verloren gehende (oder verlorene) Energiemenge minimiert. Teil der Neugestaltung des Teams besteht darin, dass die Quantenbatterie und ihr Ladegerät an denselben Speicher gekoppelt sind, wodurch ein interferenzähnliches Muster erzeugt wird, das die Effizienz der Energieübertragung zwischen den beiden verbessert. Das Team schätzt, dass die Batterie durch das neue Ladeverfahren viermal so viel Energie speichern kann als mit einem herkömmlichen Ladegerät.
„Quantenbatterien verhalten sich eher wie eine Welle, bei der die Moleküle oder Atome im Gleichklang agieren, während sich die Moleküle oder Atome in herkömmlichen Batterien eher wie einzelne Teilchen verhalten“, sagte James Quach, ein Quantenforscher an der University of Adelaide in Australien, in einer E-Mail an Gizmodo. „Dieses kollektive Verhalten ist die Grundlage für die superextensiven Ladeeigenschaften von Quantenbatterien, bei denen das Laden von Quantenbatterien mit größerer Kapazität weniger Zeit in Anspruch nimmt.“
Im Jahr 2022hat ein von Quach geleitetes Team die Grundstruktur einer Quantenbatterie getestet, indem es einen Molekülfarbstoff namens Lumogen-F Orange in einen kleinen Hohlraum gab und ihn mit Lichtimpulsen bestrahlte, um zu sehen, wie er die von den Lichtphotonen übertragene Energie speicherte. Das Team stellte fest, dass sich das System bemerkenswert schnell auflud und dass größere Systeme im Allgemeinen schneller aufgeladen werden sollten.
„Derzeit dauert es Femto- bis Pikosekunden, um eine Quantenbatterie aufzuladen, die etwa ein Mikrojoule Energie für Nano- bis Millisekunden speichert“, sagte Quach. „Das klingt zwar nicht nach viel, aber ihre Speicherzeit ist tatsächlich mehr als eine Million Mal länger als ihre Ladezeit. Zum Vergleich: Das entspricht einer herkömmlichen Batterie, deren Aufladung nur wenige Minuten dauert, die Ladung jedoch Hunderte von Jahren halten kann.“
Als gemeldet von Neuer WissenschaftlerEinige Physiker gehen von der Theorie aus, dass die Ladezeit einer Quantenbatterie umgekehrt proportional zur Anzahl der Qubits im System sei. Anders ausgedrückt: Je größer die Batterie, desto schneller lädt sie.
Also… wann kann ich eine Quantenbatterie bekommen?
Die Forschung zu Quantenbatterien gewinnt an Bedeutung, steckt jedoch noch in den Kinderschuhen. Obwohl ihr Potenzial bemerkenswert ist, bleibt die Frage, wie die Technologie letztendlich aussehen wird, offen. Kommerzialisierung? Das ist im Moment nur ein Funkeln in den Augen der geschäftstüchtigsten Physiker.
Das Hauptproblem bleibt dabei , Quantensysteme in einem Quantenzustand zu halten , wenn sie hochskaliert werden. Quach glaubt dass Quantenbatterien als mobile Energiequelle in Telefonen und Autos eingesetzt werden könnten, aber viele Quantensysteme brauchen derzeit sehr kalte , geräuschlose Bedingungen um in diesem Zustand zu bleiben (nebenbei einer Bemerkung wurde Quachs Versuchsaufbau von 2022 bei Raumtemperatur betrieben). Ich will Sie nicht demoralisieren, lieber Leser aber Kernfusion ist wahrscheinlich näher an der Realität als Quantenbatterien in unseren Geräten.
Obwohl viele skeptische Reporter es nicht zugeben wollen, würde ich meine Worte gerne zurücknehmen. Das Einzige, was besser ist, als Recht zu haben, ist, die Welt zu einem besseren Ort zu machen, auch wenn man dafür Unrecht hat. Quantenbatterien könnten schneller und effizienter aufgeladen werden als klassische Geräte und könnten in Smartphones integriert werden. ding Quantentechnologien, die für hochtrabende Simulationen und Messungen verwendet werden. Eine voll funktionsfähige Quantenbatterie wurde noch nicht vorgeführt, aber laut dem jüngsten Kolloquium könnte eine solche Technologie die Art revolutionieren, wie wir Energie gewinnen, liefern und kontrollieren. Angesichts der offensichtlichen Voraussetzungen der Menschheit Abhängigkeit von Elektrizität, die Energiespeicherung könnte einen Quantensprung gebrauchen.
