Квантовые батареи можно зарядить лазером всего за одну квадриллионную долю секунды. Разработчики подсчитали: если увеличить экспериментальный прототип, он проработает несколько лет после всего одной минуты у розетки.
Дистанционная передача энергии даст таким накопителям огромную плотность заряда. Это оставит далеко позади классические аккумуляторы, к которым мы привыкли в смартфонах и ноутбуках.
Зарядка квантовых батарей лазером
Международная команда учёных уже показала первый в мире работающий прототип мини-батареи.
Отраслевые эксперты уверены: как только технологию масштабируют, рынок хранения энергии изменится навсегда. Нас ждёт беспроводная электрификация лёгкой техники и гаджетов совершенно нового уровня.
Результаты этого исследования опубликовал научный журнал Light: Science & Applications. Авторы проекта утверждают, что их инновация идеально подходит для систем долгосрочного хранения энергии. На её основе можно проектировать аккумуляторы сверхвысокой плотности, которые так нужны производителям тяжёлых электромобилей.
В перспективе квантовые накопители обойдут традиционные аналоги по всем фронтам: скорости зарядки, плотности энергии и сроку службы.
В привычных литий-ионных батареях ионы бегают от катода к аноду через электролит. Квантовая батарея работает иначе. Она копит энергию в виде электромагнитного возбуждения между когерентными молекулами. Внутренние состояния этих молекул жёстко связаны, поэтому они сохраняют фиксированное положение друг относительно друга.
Принципы квантовой механики в энергетике
Устройство работает по законам квантовой механики. Главную роль здесь играет эффект квантовой когерентности: массив частиц находится сразу в нескольких состояниях одновременно.
При этом ведут они себя абсолютно предсказуемо. Когерентные элементы внутри батареи попадают под действие квантовой запутанности. Они не просто выстраиваются в ряд, а становятся идентичными и образуют единую макросистему.
Подобная архитектура заставляет все молекулы накопителя заряжаться синхронно. Физические размеры устройства при этом не имеют значения. Чем больше молекул участвует в процессе, тем эффективнее система поглощает энергию. Получается парадокс: чем больше ёмкость батареи, тем быстрее она заряжается.
Квантовые батареи, как и классические, могут накапливать, хранить и отдавать энергию, но вместо химии тут работает квантовая механика. Главный козырь технологии — эффект сверхпоглощения. Система принимает фотоны света как единое макрособытие, и это феноменально ускоряет зарядку.
Архитектура и компонентная база прототипа
Создавая прототип, учёные взяли за основу модель Дике из квантовой оптики.
Теория гласит: если связь между светом и материей превышает определённый порог, возникает эффект сверхизлучения. Группа частиц коллективно выдаёт короткий, но невероятно мощный импульс света.
Внешне экспериментальная батарея похожа на многослойную структуру органических полупроводников, зажатых между серебряными зеркалами. Эти элементы образуют микрорезонатор. По сути, это микроскопическая полость, которая запирает свет в крошечном объёме и заставляет его многократно отражаться.
Благодаря такой конфигурации когерентная группа молекул отдаёт свет единым импульсом. Это критически важно для разрядки. Одновременно система поглощает излучение со скоростью, пропорциональной квадрату числа когерентных частиц.
Именно это физики и называют суперпоглощением. Микрорезонатор играет здесь главную скрипку: он создаёт изолированную среду для нужного баланса между светом и материей.
К органическим полупроводникам прилегают дырочно-блокирующий и электрон-транспортный слои. Они направляют поток электронов к катоду и электродам. За счёт этого механизма квантовая система работает как обычный, понятный нам источник питания.
Эксперименты проходили в лабораториях сверхбыстрой и микроспектроскопии Мельбурнского университета. Исследователи били по системе лазером с полосой пропускания в 31 нанометр. Импульс длился всего одну фемтосекунду, но этого хватило, чтобы перевести молекулы в возбуждённое состояние на десятки наносекунд.
Вывод впечатляет: батарея держит заряд в миллион раз дольше, чем заряжается.
«В масштабах реальной жизни накопитель, который заряжается всего минуту, сможет хранить энергию пару лет», — рассказал ведущий исследователь проекта Джеймс Куач из Государственного объединения научных и прикладных исследований Австралии (CSIRO).
Теперь перед командой стоит новая задача: увеличить устройство в размерах, не потеряв при этом стабильность заряда. Главной проблемой остаётся декогеренция. Это свойство разрушает квантовое поведение из-за внешних помех, и батарея теряет накопленную энергию.
Как только физики преодолеют этот барьер, разработка уйдёт в коммерцию. Дистанционная лазерная зарядка способна перевернуть индустрию беспилотников: дроны смогут восполнять энергию прямо в полёте.
Руководитель Лаборатории квантовых технологий Университета Квинсленда Эндрю Уайт добавил важный штрих. По его мнению, одной из первых сфер, где внедрят инновацию, станет питание квантовых компьютеров с ультранизким энергопотреблением.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU