Magazynowanie energii od zawsze stanowi spore wyzwanie dla ludzkości. Natomiast nowo opracowane baterie kwantowe są zupełnie innym podejściem do tego zadania. A wszystko dlatego, że zasada ich działania całkowicie przeczy temu, co nazywamy zdrowym rozsądkiem. Oczywiście nie ma tutaj mowy o łamaniu praw fizyki – chociaż oczywiście łamane są zasady, które wymyśliła sobie ludzkość w ramach tak zwanej fizyki klasycznej. Jednak już kwantowy demon Maxwella nauczył nas, że zdrowy rozsądek to tylko zbiór uprzedzeń nabytych w skali makro, a nie prawo rządzące światem.
Spis treści
Baterie kwantowe przechowują energię
Całkiem sporo osób może być oburzonych pierwszym zdaniem: w końcu energię elektryczną wykorzystujemy od stosunkowo niedawna. Mowa więc o tym, że magazynowanie energii od zawsze było wyzwaniem dla ludzkości, brzmi jak czysty absurd. Warto jednak pamiętać, że energia elektryczna jest tylko jednym z wielu typów energii. Weźmy tu pod uwagę dwa wynalazki, którymi posługiwali się nie tylko ludzie, ale i inne gatunki z rodzaju homo, czyli ogień i łuk.
Dla tego pierwszego magazynem energii chemicznej zdolnej do podtrzymania zjawiska spalania jest opał, czyli drewno, suche trawy i tłuszcze zwierzęce. Później do tej listy dołączyły oleje roślinne, torf, węgiel kamienny… W przypadku łuku mamy magazynowanie energii kinetycznej w formie energii potencjalnej, która jest następnie uwolniona jako energia kinetyczna w jednym momencie i przekazana do strzały. Więc również jest to swego rodzaju bateria.
Pamiętajmy również, że akumulatory również nie przechowują energii elektrycznej, tylko chemiczną. Akumulatory kwantowe radzą sobie w zupełnie inny sposób.
Jak działają elektryczne akumulatory chemiczne
Niech punktem odniesienia będzie tu dla nas stare, dobre i w porównaniu do wyżej wymienionych piekielnie nowoczesne ogniwo elektryczne. W dużym uproszczeniu w nim jony naładowane elektrycznie przemieszczają się między elektrodami podczas ładowania i rozładowywania. Przy każdym z tych procesów podróżują w przeciwnym kierunku odpowiednio zwiększając, oraz zmniejszając różnicę potencjałów pomiędzy elektrodami.
Rzecz w tym, że z czasem efektywność takiego procesu spada i dany akumulator traci swoją pojemność. Zresztą sama pojemność również jest dość mocno ograniczona i potrzebna jest znaczna masa akumulatora do przechowywania energii elektrycznej w formie energii chemicznej.
Czym są baterie kwantowe
Czym więc baterie kwantowe różnią się od klasycznych baterii chemicznych? Zasadę działania tych drugich pokrótce opisałem wyżej. Baterie kwantowe wykorzystują natomiast coś, co określa się jako tablice atomów:
Obecne baterie do urządzeń o niskim poborze mocy, takich jak smartfony lub czujniki, zazwyczaj wykorzystują substancje chemiczne, takie jak lit, do przechowywania ładunku, podczas gdy bateria kwantowa wykorzystuje mikroskopijne cząstki, takie jak tablice atomów.
— Yuanbo Chen, absolwent fizyki na Uniwersytecie Tokijskim
Tablice atomów oznaczone jako APD, to układy, w których pojedyncze atomy są ustawione w precyzyjnie kontrolowany sposób, tworząc regularne, często powtarzalne wzory. Często do tworzenia tablic atomów wykorzystuje się pułapki optyczne, takie jak siatki laserowe. Lasery te tworzą wzorce interferencyjne, które mogą manipulować i utrzymywać atomy w żądanych pozycjach. Zaawansowane układy optyczne są niezwykle istotnym elementem baterii kwantowych, co dokładnie widać na poniższym schemacie.
Więcej nomen omen światła na tą sprawę rzuca kolejna wypowiedź twórcy tego układu.
Podczas gdy baterie chemiczne podlegają klasycznym prawom fizyki, mikroskopijne cząstki mają charakter kwantowy, więc mamy szansę zbadać sposoby ich wykorzystania, które naginają lub nawet łamią nasze intuicyjne wyobrażenia o tym, co dzieje się w małych skalach.
— Yuanbo Chen, absolwent fizyki na Uniwersytecie Tokijskim
Baterie kwantowe łamią prawa czasu
Oczywiście z punktu widzenia fizyki klasycznej, dla której czas płynie liniowo, a przyczyna wynika ze skutku. Jednak dzięki wykorzystaniu superpozycji kwantowej wszystko to robi się nieco… mniej oczywiste. Superpozycja może wpływać na naturalny porządek czasu, pozwalając na jednoczesne zachodzenie zdarzeń w dwóch równoległych ścieżkach. Świetnym przykładem tego procesu jest cząsteczka, która istnieje w dwóch wymiarach czasu. W świecie kwantowym tradycyjna kolejność przyczynowo-skutkowa może być zakłócona.
Superpozycja pozwala na rozwój zdarzeń wzdłuż dwóch równoległych ścieżek jednocześnie. W pewnym sensie zakłóca to czas, ponieważ zdarzenie, które następuje po innym, może również wpływać na wynik zdarzenia, tak jakby nastąpiło wcześniej, ponieważ oba porządki zdarzeń, A przed B i B przed A, są jednocześnie prawdziwe.
Mówiąc prościej, odkryto, że prawa mechaniki kwantowej pozwalają na kwantową superpozycję porządków przyczynowych. Wykazaliśmy, że sposób ładowania baterii zbudowanej z cząstek kwantowych może drastycznie wpłynąć na jej wydajność. Zaobserwowaliśmy ogromny wzrost zarówno energii zmagazynowanej w systemie, jak i wydajności termicznej. Co więcej, ujawniliśmy sprzeczny z intuicją efekt, że stosunkowo mniej wydajna ładowarka gwarantuje naładowanie akumulatora większą ilością energii.
— Yuanbo Chen, absolwent fizyki na Uniwersytecie Tokijskim
Naukowcy zastosowali to zjawisko w przechowywaniu energii, używając tzw. kwantowego przełącznika i różnych konfiguracji ładowarek, tworząc system zdolny do ładowania z dwóch źródeł jednocześnie. To pozwala na zwiększenie pojemności energetycznej takiej baterii, ponieważ energia nie przepływa tylko w jednym kierunku. Warto jednak pamiętać, że to nie jest perpetuum mobile. Baterie kwantowe nie są w stanie przechowywać większej, lub równej ilości energii, niż ta do nich doprowadzona. Po prostu ich efektywność jest znacznie wyższa.
Przyszłość baterii kwantowych
Miejmy również na uwadze, że to wciąż jest jedynie eksperyment przeprowadzony jedynie na papierze. I chociaż wszystkie obliczenia wskazują, że to powinno działać, to wciąż jest daleka droga do zbudowania funkcjonalnego prototypu, a co dopiero do masowej produkcji. To oznacza, że baterie kwantowe nie wejdą zbyt szybko na rynek. Miejmy jednak nadzieję, że z czasem się to zmieni.
Źródło: sciencealert, YouTube, YouTube (2), YouTube (3), fot. obraz wygenerowany w DALLE-3