Які квантові ефекти дозволяють обійти обмеження традиційних накопичувачів енергії?
Науковці з Державного об'єднання наукових та прикладних досліджень Австралії (CSIRO) разом із міжнародною групою колег розробили перші у світі прототипи квантових батарей. Ця технологія базується на принципах квантової фізики, таких як суперпозиція та заплутаність, які зазвичай спостерігаються лише на рівні мікроскопічних об'єктів. Проте ключовим фактором, що робить нову розробку унікальною, є так звані колективні ефекти, пише ScienceAlert.
Дивіться також Забудьте про розряджений смартфон: 5 доступних павербанків, які високо оцінили власники
У звичайному світі ми звикли до простої логіки: чим більша місткість акумулятора, тим довше він заряджається. Смартфон потребує години, а електромобіль може стояти на зарядці цілу ніч. Квантовий світ працює інакше. Коли накопичувальні одиниці квантової батареї діють колективно, а не поодинці, швидкість їхнього заряджання різко зростає.
Якщо батарея містить певну кількість одиниць N, то за умови їхнього одночасного заряджання час процесу скорочується пропорційно математичній формулі 1 поділити на корінь квадратний з N. Це означає контрінтуїтивний факт: чим більшою стає квантова батарея, тим менше часу їй потрібно для наповнення енергією. Кожна частка ніби "відчуває" присутність інших, що стимулює швидший обмін енергією.
Квантова батарея / Фото CSIRO
Ідея створення такого пристрою тривалий час залишалася суто теоретичною цікавістю. Однак у 2018 році дослідники поставили за мету довести можливість її практичної реалізації. Вже у 2022 році команда, до якої увійшли фахівці з Великої Британії та Італії, створила прототип на основі органічної мікропорожнини. Ця конструкція нагадує складний багатошаровий "сендвіч" із різних матеріалів, здатний утримувати світло особливим чином. Експерименти підтвердили теорію: зі збільшенням кількості молекул у пристрої час заряджання дійсно скорочувався.
Останнім значним досягненням, результати якого опубліковані в науковому журналі Light: Science & Applications, стало додавання спеціальних шарів, які перетворюють накопичену енергію на електричний струм. Це був критично важливий крок, адже попередні версії вміли лише поглинати енергію, але не віддавати її.
Коли чекати на ринку?
Попри значний прогрес, технологія поки що не готова до масового ринку. На сучасному етапі місткість таких батарей лишається мізерною. Крім того, вони здатні утримувати заряд протягом надзвичайно короткого часу – усього кілька наносекунд. Для живлення побутової електроніки цього замало, проте квантові батареї можуть стати ідеальним рішенням для забезпечення роботи квантових комп'ютерів, допомагаючи їм масштабуватися та ставати практичними.
Які наступні кроки?
Зараз науковці працюють над збільшенням розмірів прототипів та подовженням часу зберігання енергії. Кінцевою метою є створення гібридного дизайну, який поєднає неймовірну швидкість квантового заряджання з надійністю тривалого зберігання, притаманною класичним акумуляторам. Дослідники порівнюють поточний стан розробки з першим польотом братів Райт: він теж тривав недовго, але відкрив шлях до нової ери в історії людства.