Kvantová batéria už nie je len teória. Vedci ukázali prototyp, ktorý dokázal zo svetla vytvoriť elektrický prúd
Vedci ukázali prvý funkčný prototyp kvantovej batérie. Energia sa v nej správa inak než v klasických batériách, no do telefónov či elektromobilov má ešte ďaleko.
Batérie sa za posledné desaťročia zlepšili hlavne v materiáloch, kapacite a rýchlosti nabíjania, no ich základná logika zostáva rovnaká. Energiu do nich dostaneš, uložíš ju v chemických procesoch a potom ju postupne odoberáš späť. Lenže aj najmodernejší smartfón ti pri bežnom používaní často nevydrží výrazne dlhšie než deň. Tentoraz to však vyzerá, že vedci ukázali niečo, čo ide na problém z úplne inej strany. Aspoň na papieri to znie nádejne, lenže pri kvantových technológiách papier znesie veľa. Alebo možno nie?
Za všetko môže štúdia zverejnená v časopise Light: Science and Applications, kde sa nachádza článok s názvom „Superextensive electrical power from a quantum battery“. V ňom sa hovorí o prvom experimentálnom prototype kvantovej batérie, ktorý prešiel celým funkčným cyklom.
Predmetom výskumu bola mikrorezonančná batéria, ktorú vedci vytvorili vložením organických vrstiev na prenos náboja do optickej mikrokavity. Zjednodušene si ju môžeš predstaviť ako veľmi presne navrhnutý priestor, v ktorom sa svetlo a molekuly navzájom ovplyvňujú oveľa silnejšie než v bežnom materiáli. Práve táto silná väzba medzi svetlom a hmotou vedie k vzniku kolektívnych excitovaných stavov, ktoré sa správajú, akoby systém pracoval koordinovane ako jeden celok. V tomto režime sa objavuje jav známy ako superabsorpcia. Znamená to, že väčší počet molekúl nedokáže energiu prijímať len ako viac samostatných častíc vedľa seba, ale ako prepojený systém, ktorý dokáže svetlo pohlcovať efektívnejšie.
Kvantová batéria je tu, no zatiaľ len ako malý laboratórny dôkaz
Najpodstatnejšou vlastnosťou tohto systému je takzvané superextenzívne správanie. To znamená, že elektrický výkon pri vybíjaní rastie rýchlejšie než priamo úmerne veľkosti systému. Inými slovami, väčší systém sa nespráva len ako viac menších batérií položených vedľa seba. Vďaka kolektívnemu kvantovému efektu môže pracovať efektívnejšie ako celok.
Pri klasických batériách platí, že väčšia kapacita zvyčajne znamená aj náročnejšie nabíjanie, viac tepla a zložitejšiu kontrolu celého procesu. Pri kvantovej batérii je predstava opačná. Ak sa podarí zachovať kolektívne správanie molekúl aj vo väčšom systéme, nabíjací výkon môže rásť rýchlejšie než samotná veľkosť batérie. Práve to robí túto technológiu takou zaujímavou.
Neprehliadni
Pri meraní nabíjacej dynamiky vedci použili ultrakrátke laserové impulzy. Neznamená to však, že vytvorili hotovú laserovú nabíjačku pre telefóny alebo elektromobily. Laser tu slúžil najmä ako presný laboratórny nástroj, vďaka ktorému mohli výskumníci sledovať extrémne rýchle procesy vo vnútri zariadenia. Energia sa v systéme vytvorila veľmi rýchlo a následne prešla do metastabilného excitovaného stavu, ktorý vydržal približne o šesť rádov dlhšie než samotný nabíjací impulz.
Predchádzajúce experimenty väčšinou ukazovali len jednotlivé vlastnosti kvantových batérií, napríklad rýchle pohlcovanie energie. Tentoraz však systém dokázal energiu nielen prijať, ale aj premeniť na elektrický prúd. A pri slabom nekoherentnom osvetlení, teda pri svetle, ktoré sa správa skôr ako bežné osvetlenie než dokonale zladený laser, výstupný výkon rástol superlineárne s veľkosťou systému.
Vedci však zároveň zdôrazňujú, že ide stále o veľmi malú laboratórnu vzorku. V absolútnych hodnotách uchováva len nepatrné množstvo energie a rozhodne sa nedá porovnávať s batériou v telefóne, notebooku alebo aute. Experiment je dôležitý skôr preto, že ukázal fungovanie princípu, ktorý bol doteraz najmä súčasťou teoretickej fyziky. Ak sa ho podarí ďalej rozvíjať, môže pomôcť pri budúcich systémoch na zber energie zo slabého svetla alebo pri špeciálnych fotovoltaických zariadeniach. Nie je to teda priama konkurencia dnešných solárnych panelov, ale skôr nový smer, ktorý môže raz zlepšiť ich špecifické typy.
Kým sa kvantová batéria dostane do výroby, vedcov čaká ešte dlhá cesta
Vedúci výskumu, Dr. James Quach, v rozhovore pre britské médiá naznačil, že ak by sa raz podarilo podobný systém škálovať na rozmery batérií používaných v elektromobiloch, mohol by sa podľa teoretických úvah nabiť za veľmi krátky čas a energiu si udržať výrazne dlhšie než dnešné riešenia. To je však zatiaľ len vzdialená predstava. Výskumníci dnes ešte nevedia vytvoriť takúto kvantovú batériu vo veľkých rozmeroch a s reálne použiteľnou kapacitou.
Bezdotykové nabíjanie pomocou svetla by teoreticky mohlo zmeniť spôsob, akým napájame niektoré zariadenia. Najčastejšie sa spomínajú najmä senzory, malé autonómne systémy alebo zariadenia v prostredí, kde je problém viesť káble. Pri elektromobiloch či veľkých dronoch je však potrebné zostať opatrný. Tam nejde len o rýchlosť nabitia, ale aj o obrovské množstvo energie, bezpečnosť, účinnosť prenosu, stabilitu materiálov a cenu výroby.
Zároveň výskumníci upozorňujú, že praktické využitie kvantových batérií je zatiaľ vzdialené. Hlavné výzvy súvisia s predlžovaním doby uchovania energie, zachovaním kolektívnych kvantových efektov aj pri väčších zariadeniach a lepším pochopením toho, ako sa v týchto vrstvách prenáša náboj. Autori štúdie preto hovoria aj o ďalších meraniach pri rôznych teplotách, ktoré môžu ukázať, ako do celého procesu zasahuje tepelný šum.
To znamená, že v najbližších rokoch majú podobné systémy väčší potenciál skôr v oblastiach, kde je dôležitá citlivosť, rýchlosť a práca so slabým svetlom než obrovská kapacita. Môže ísť napríklad o špeciálne senzory, kvantové technológie, optoelektroniku alebo výskum nových typov energetických zberných systémov. Pre bežného používateľa je to zatiaľ skôr okno do budúcnosti než technológia, ktorú si čoskoro vloží do vrecka.
Kvantové technológie ešte stále čakajú na svoj skutočný boom. Čítame o kvantových počítačoch, prenose informácií pomocou previazaných častíc či batériách, ktoré sa správajú inak než všetko, čo poznáme zo súčasnej elektroniky. Väčšina týchto vecí však stále žije najmä v laboratóriách. Vedcov trápia problémy so stabilitou, škálovaním, materiálmi aj tým, ako tieto efekty udržať mimo ideálnych podmienok. Takže ak sa tešíš na smartfón, ktorý vydrží na jedno nabitie celé roky, alebo elektromobil, ktorý sa nabije za pár sekúnd, ešte si počkáš. Ale prvý dôležitý krok už zrejme padol.
