Elkészült az első működőképes kvantumakkumulátor

Az ausztrál állami kutatóintézet, a CSIRO, a Melbourne-i Egyetem és a Royal Melbourne Institute of Technology közös kutatócsoportja sikeresen kifejlesztette és tesztelte a világ első kvantumakkumulátorának prototípusát. A kutatók szerint ez az eredmény olyan áttörést jelenthet, amely hosszabb távon jelentősen felgyorsíthatja mind a klasszikus, mind a kvantumakkumulátorok töltési folyamatait.

A Light: Science & Applications folyóiratban megjelent tanulmány egy figyelemre méltó kvantummechanikai jelenséget demonstrál.

Dr. James Quach, a CSIRO kvantumtudományi és technológiai programjának vezetője, aki a mérnöki csapatot irányította, az Energy Storage News számára elmondta, hogy az áttörés kísérletileg is alátámasztja a kvantummechanika bizonyos, eddig főként elméleti keretek között vizsgált alapelveit az energiatárolás területén.

„Eredményeink megerősítenek egy alapvető kvantumhatást, amely ellentmond a klasszikus intuícióknak: a kvantumakkumulátorok annál gyorsabban töltődnek, minél nagyobbak.”

A prototípus a CSIRO csapatának korábbi munkájára épül, amely 2022-ben egy szerves mikrokavitásos eszköz segítségével demonstrálta a kvantumakkumulátorok szokatlan töltési dinamikáját. Az akkori rendszer bebizonyította, hogy a töltési idő az akkumulátorban lévő molekulák számának négyzetgyökével fordított arányban csökken. A korábbi prototípusból azonban hiányzott egy kulcsfontosságú elem: egy olyan mechanizmus, amely a tárolt energiát hasznosítható elektromos árammá alakítja.

Az új rendszer ezt a korlátot további funkcionális rétegek beépítésével hidalja át, amelyek lehetővé teszik a kvantumállapotban tárolt energia kinyerését és elektromos árammá alakítását. A CSIRO szerint ez jelentős lépés a gyakorlati kvantumakkumulátorok felé.

A világ első működőképes kvantumakkumulátora. Kép: CSIRO

Így használják ki a kvantumakkumulátorok a kollektív hatásokat

A hagyományos akkumulátorokkal ellentétben – amelyek az energia tárolását és leadását kémiai reakciók révén valósítják meg – a kvantumakkumulátorok úgynevezett kollektív kvantumhatásokat használnak ki. Ezek a jelenségek a szuperpozíció és az összefonódás törvényszerűségeiből fakadnak.

James Hutchison, a Melbourne-i Egyetem docense így foglalta össze a működés lényegét:

„A kvantumakkumulátorok – a hagyományos akkumulátorokhoz hasonlóan – energiát vesznek fel, tárolnak és adnak le. A különbség az, hogy míg a klasszikus rendszerek kémiai reakciókra épülnek, addig a kvantumakkumulátorok a kvantummechanika kollektív tulajdonságait használják ki.”

A kvantummechanika egyik előnye a szuperabszorpció jelensége: a rendszer kollektív módon, egy koherens folyamat során veszi fel az energiát, ami gyorsabb töltést tesz lehetővé.

Bizonyos feltételek mellett a kvantumakkumulátor tárolóegységei nem függetlenül működnek, hanem kollektív, koherens rendszerként viselkednek. Ennek következtében, ha egy rendszer N darab tárolóegységet tartalmaz, és az egyes egységek feltöltése külön-külön egy másodpercet venne igénybe, akkor az összes egység egyidejű feltöltése az egyes egységek feltöltési idejét mindössze 1/√N másodpercre csökkenti.

Ennek következtében az akkumulátor méretének megduplázása az eredeti időtartam valamivel több mint felére csökkenti a töltési időt, mintha minden tárolóegység „tudná”, hogy más egységek is jelen vannak, és azok együttes jelenlétében gyorsabban töltődne.

Mesze van még a gyakorlati alkalmazás

Bár az eredmények tudományos szempontból jelentősek, a technológia ipari alkalmazása egyelőre távoli. A jelenlegi kvantumakkumulátorok energiatároló képessége rendkívül alacsony, nagyságrendileg néhány gigaelektronvolt (GeV), ami klasszikus energiatárolási mércével elhanyagolható.

Emellett az energiatárolás időtartama – a kvantumállapotok rövid koherenciaideje miatt – jellemzően nanoszekundumos skálán mozog, ami messze elmarad a gyakorlati felhasználáshoz szükséges értékektől.

Quach elismerte, hogy még hosszú út áll előttünk, ugyanakkor optimistán nyilatkozott a technológia fejlődési irányáról.

„Bár még jelentős kutatási munka áll előttünk, fontos lépést tettünk a kvantumakkumulátorok gyakorlati megvalósítása felé. A következő kulcskérdés az energiatárolási idő meghosszabbítása.”

A kutatócsoport jelenleg olyan hibrid rendszereken dolgozik, amelyek a kvantumakkumulátorok gyors töltési képességét a hagyományos akkumulátorok hosszabb energiatárolási idejével kombinálnák. Az ilyen megközelítések hosszabb távon új típusú energiatároló megoldásokhoz vezethetnek, amelyek kihasználják mind a kvantum-, mind a klasszikus fizika előnyeit.

dr. Papp László (Sol Invictus)

Technológiai elemző, és a Villanyautosok.hu csapatának megújuló energiákkal, energiatárolással, illetve piaci trendekkel foglalkozó szakértője. Célja, hogy minél többek számára tegye egyértelművé, hogy a fenntartható jövő gazdaságilag is a legracionálisabb választás.