Впервые создан прототип квантовой батареи со сверхбыстрой зарядкой
Ученые из Мельбурнского университета (Австралия), Университета RMIT и CSIRO представили первый прототип квантовой батареи, демонстрирующий необычные свойства при зарядке и разрядке. Результаты опубликованы в Light: Science & Applications.
Квантовые материалы обладают уникальными свойствами, такими как суперпозиция и запутанность. Эти явления применяются в квантовых компьютерах, но исследователи считают, что их можно использовать и в энергетике, создавая батареи с принципиально иной динамикой зарядки.
Как работает батарея
Джеймс Куак из CSIRO, работающий над проектом с 2018 года, объяснил, что первая версия батареи могла аккумулировать заряд, но не отдавать его. Новый прототип решает эту проблему, позволяя батарее не только накапливать, но и отдавать энергию.
Структура батареи представляет собой многослойную органическую микрополость. Каждый слой изготовлен из материалов, способных улавливать свет и преобразовывать его в электрическую энергию. Зарядка осуществляется беспроводным лазером, а спектроскопия позволяет контролировать процесс на уровне отдельных слоев.
Особая черта квантовой батареи — коллективная зарядка. Если батарея состоит из, скажем, 4 элементов, и каждый элемент заряжается по отдельности за одну секунду, то при совместной работе всех элементов батарея зарядится примерно за половину секунды (1/√4 = 0,5 с). А если элементов 9, зарядка займет треть секунды (1/√9 = 0,33 с). Чем больше элементов, тем быстрее общий заряд, что совсем не похоже на обычные батареи, где больше элементов — дольше зарядка
То есть увеличение числа элементов не замедляет процесс, а ускоряет его. Для сравнения, химические батареи больших размеров требуют больше времени на зарядку, что делает квантовый подход принципиально другим и инновационным.
Ограничения прототипа
Несмотря на впечатляющие особенности, текущие прототипы обладают крайне малой энергией — всего несколько миллиардов электронвольт, что недостаточно даже для зарядки смартфона. Более того, удерживать заряд батарея может всего несколько наносекунд. Это значит, что пока батарея демонстрирует скорее концепт, чем готовое решение для практического применения.
«Наш эксперимент показывает быстрый и масштабируемый процесс зарядки при комнатной температуре, закладывая основу для энергетических решений будущего», — заявил Куак.
Исследователи активно работают над увеличением ёмкости и стабильности, чтобы приближать устройство к реальному использованию, например, для быстрой зарядки электромобилей или передачи энергии на расстояние без проводов.
Перспективы и применение
Идеальная квантовая батарея сочетала бы скорость заряда с емкостью традиционных аккумуляторов. Кроме того, такие устройства могут быть полезны для квантовых компьютеров, позволяя масштабировать вычислительные мощности без увеличения времени на энергоснабжение.
Интересно, что коллективная зарядка означает: чем больше элементов включено в систему, тем быстрее она заряжается. Это открывает возможности для создания массивных аккумуляторных систем, где добавление новых модулей одновременно увеличивает емкость и скорость зарядки.
Куак добавляет:
«Моя главная цель — будущее, где мы сможем заряжать электромобили быстрее, чем заправляем бензином, или передавать энергию по воздуху на большие расстояния».
Ученые также рассматривают варианты применения батарей в носимых устройствах, дронах и даже космических аппаратах, где высокая скорость зарядки и компактность крайне важны.
