Революция в энергетике: как работают квантовые батареи и когда смогут питать гаджеты

Группы ученых по всему миру работают над технологией квантовых аккумуляторов, которые будут лучше держать заряд, чем обычные. Издание Gizmodo объяснило, как такие батареи будут работать и когда появятся.

Старые и новые батареи

Аккумуляторы — это довольно обширная сфера технологий, использующих химические реакции для производства и хранения электрической энергии. В бытовых моделях электричество появляется благодаря потоку электронов в цепи. Для этого человечество более чем за 200 лет использовало разные элементы, в основном кислоты и металлы, и до сих пор продолжает экспериментировать с составом батареек.

В 1859 году появился свинцово-кислотный аккумулятор, первый из своего рода, способный перезаряжаться путем изменения направления тока в системе. Такие до сих пор используются в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания, но в других сферах применяются редко из-за большого веса.

В конце 20-го века появились легкие, компактные и емкие литий-ионные батареи, в которых литий сочетается с различными металлами и фосфатами, а также жидкими электролитами. Они стали очень популярными и сейчас питают почти все мобильные гаджеты. Загвоздка в том, что они используют все тот же принцип химической реакции, который не менялся ни разу за всю историю.

Чем полезна квантовая физика

Теперь же им на смену идет квантовый принцип. Если вкратце, то есть особое квантовое состояние, где частицы ведут себя совершенно иначе, нежели в обычном мире. Перейти или отправить что-то в это состояние можно только при экстремальных условиях, например в вакууме или при очень низкой температуре. Тогда одна частица может действовать как несколько разных вещей одновременно.

Еще есть такое явление, как квантовая запутанность, когда квантовые частицы определяют характеристики друг друга. В квантовых компьютерах это позволяет кодировать информацию и гораздо быстрее ее обрабатывать, чем на обычных. Но как-только какое-то значение становится определенным, квантовое состояние прекращается, а система переходит в обычное.

Как представляют квантовые батареи сейчас

При подходящих условиях квантовое состояние хранится довольно долго. Если правила квантовой механики удастся применить к батареям, то они смогут заряжаться за считанные минуты и удерживать заряд сотни лет.

Как и обычные, квантовые аккумуляторы смогут хранить энергию, но их принцип работы будет совершенно иным. В отличие от химических реакций, которые одновременно заряжают и расходуют запасенную энергию батареи, квантовые батареи питаются за счет квантовой запутанности или поведения, более тесно связывающих батарею и ее источник.

"Квантовые батареи состоят из множества квантовых ячеек, которые действуют как одна большая квантовая батарея. Проблема состоит в том, как сохранить квантовые свойства в течение длительного времени", — объяснил Джу-Ен Гым, квантовый физик из Сеульского национального университета в Южной Корее.

Ученым необходимо решить одну большую проблему, чтобы новые батареи могли использовать все: как поддерживать их в хрупком состоянии запутанности за пределами лабораторий. Решением может стать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, но таких пока не открыли.

Некоторые продвижения в этом направлении уже есть. Группа из пяти ученых недавно решила попытать счастья в квантовых системах, выведенных из равновесия. Исследователи заметили на коллоквиуме, что квантовая запутанность связана с тем, насколько быстро энергия может храниться в квантовых системах многих тел.

Этот вывод подстегнул рассматривать квантовые системы как устройства хранения энергии. В 2018 году та же команда смоделировала квантовую батарею Дике с твердотельной архитектурой, а в 2022 году она протестировала базовую структуру квантовой батареи в лабораторных условиях с использованием мишени, зеркал и лазерных лучей.

В конце 2023 года другая группа исследователей предложила систему, с помощью которой квантовые батареи могли бы заряжаться в неопределенном причинно-следственном порядке (indefinite causal order или or ICO). Согласно их выводам, такие системы могут превзойти традиционные протоколы зарядки батарей.

"Мы увидели огромный прирост как в энергии, запасенной в системе, так и в термическом КПД. И, как это ни парадоксально, мы обнаружили удивительный эффект взаимодействия, обратный тому, что вы могли ожидать: зарядное устройство меньшей мощности может обеспечить более высокую энергию с большей эффективностью, чем зарядное устройство сравнительно большей мощности, использующее то же устройство", — рассказал автор исследования Юаньбо Чен из Токийского университета (Япония) во время конференции.

Существуют разные пути для реализации такой футуристичной технологии. В прошлом месяце команда из Гданьского университета и Университета Калгари предложила квантовую систему зарядки аккумулятора, которая максимизирует количество энергии, хранимой в батарее, при этом минимизируя количество энергии, которая рассеивается (или теряется) в процессе зарядки. Она решила соединить квантовую батарею и зарядное устройство к ней одним резервуаром для повышения эффективности передачи энергии. По оценкам команды, благодаря новому процессу зарядки аккумулятор может хранить в четыре раза больше энергии, чем при использовании обычного зарядного устройства.

По словам физика Джеймса Куаха з Университета Аделаиды в Австралии, в обычных батареях молекулы и атомы работают по отдельности, тогда как в квантовых они действуют в унисон как волна. Благодаря этому зарядка квантовых аккумуляторов большей емкости занимает намного меньше времени, если использовать достаточно мощные зарядные устройства.

"Сейчас зарядка квантовой батареи, которая сохраняет около микроджоуля энергии в течение нано- и миллисекунд, занимает от фемто до пикосекунд. Хотя это не кажется большим сроком, на самом деле время его хранения более чем в миллион раз превышает время зарядки. Для сравнения: это будет эквивалентно обычной батарее, которая заряжается за несколько минут и способна удерживать этот заряд в течение сотен лет", — говорит ученый.

А некоторые физики предполагают, что время зарядки квантовой батареи обратно пропорционально количеству кубитов в системе. То есть, чем больше сам акумулятор, тем быстрее он заряжается.

Когда появятся квантовые батареи

Пока разработка квантовых батарей находится в зачаточном состоянии, хотя процесс набирает обороты, и готовые устройства выпустят на рынок еще не скоро. Сложнее всего сохранить системы в квантовом состоянии при их уменьшении.

Джеймс Куах считает, что квантовые батареи можно поместить в смартфоны или автомобили, но на актуальном этапе развития им нужны экстремально холодные и спокойные условия. Возможно, ядерный синтез появится раньше. Если же квантовые аккумуляторы таки будут созданы, то могут навсегда изменить сбор, доставку и контроль энергии человечеством.