Η προοπτική αξιοποίησης των κβαντικών μπαταριών στην καθημερινή ζωή φαίνεται να πλησιάζει περισσότερο την πραγματικότητα, καθώς ερευνητές από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο RMIT στη Μελβούρνη και τον εθνικό επιστημονικό οργανισμό της Αυστραλίας, CSIRO, ανακοίνωσαν πως πέτυχαν σημαντική αύξηση της διάρκειας ζωής τέτοιων συσκευών — έως και χίλιες φορές μεγαλύτερη από προηγούμενα πειραματικά δείγματα.
Οι κβαντικές μπαταρίες θα μπορούσαν στο μέλλον να φορτίζουν σχεδόν στιγμιαία και να αποθηκεύουν πολύ περισσότερη ενέργεια από τις σημερινές τεχνολογίες, όπως οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι αλκαλικές ή οι μολύβδου-οξέος, οι οποίες βασίζονται σε ηλεκτροχημικές αντιδράσεις και τη μετακίνηση ιόντων μεταξύ δύο ηλεκτροδίων.
Η ιδέα των μπαταριών δεν είναι άγνωστη στο ευρύ κοινό· πολλοί την πρωτογνωρίζουν στο σχολείο, όταν πειραματίζονται με λεμόνια ή πατάτες για να τροφοδοτήσουν μια μικρή λάμπα — στην πραγματικότητα, η ενέργεια προέρχεται από τη χημική αντίδραση μεταξύ ψευδαργύρου και χαλκού.
Αντίθετα, οι κβαντικές μπαταρίες βασίζονται σε αρχές της κβαντικής μηχανικής, έννοιες που για τους περισσότερους παραμένουν δύσκολες στην κατανόηση. Ακόμη και οι βασικές εξηγήσεις —ότι δηλαδή τα πολύ μικρά σωματίδια μπορούν να έχουν ταυτόχρονα χαρακτηριστικά τόσο σωμάτων όσο και κυμάτων— συχνά προκαλούν σύγχυση.
Οι ίδιοι οι ερευνητές εξήγησαν πως οι κβαντικές μπαταρίες αξιοποιούν την υπέρθεση καταστάσεων και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και φωτός για να επιτύχουν ταχύτερους χρόνους φόρτισης και πιθανώς υψηλότερη ενεργειακή χωρητικότητα.
Το παγκόσμιο ερευνητικό ενδιαφέρον για τέτοιες εφαρμογές εντάσσεται στο πλαίσιο της λεγόμενης «δεύτερης κβαντικής επανάστασης». Η πρώτη, πριν σχεδόν έναν αιώνα, οδήγησε στην ανάπτυξη του τρανζίστορ, του λέιζερ και του ατομικού ρολογιού (το οποίο χρησιμοποιεί τις ταλαντώσεις ατόμων για τη μέτρηση του χρόνου) — τεχνολογίες που αποτέλεσαν τη βάση για τους υπολογιστές, τις οπτικές ίνες και τα συστήματα GPS.
Τι είναι και πώς λειτουργεί μια κβαντική μπαταρία
Η κατασκευή μιας κβαντικής μπαταρίας ξεκινά από τη δημιουργία ενός ειδικού κρυσταλλικού πλέγματος, σχεδιασμένου να ελέγχει τη συμπεριφορά των ατόμων και των σωματιδίων σε κβαντικό επίπεδο. Το πλέγμα αυτό χρησιμοποιείται για την αποθήκευση ενέργειας, η οποία απελευθερώνεται όταν χρειαστεί.
Αν η τεχνολογία αυτή εξελιχθεί με επιτυχία, θα μπορούσε να έχει σημαντικές εφαρμογές σε πολλούς τομείς: από την αποδοτικότερη αποθήκευση ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές και τη λειτουργία των μελλοντικών υπολογιστών —συμπεριλαμβανομένων και των κβαντικών— μέχρι τη δραματική επιμήκυνση της διάρκειας ζωής σε ιατρικά εμφυτεύματα και αισθητήρες.
Οφέλη θα μπορούσαν επίσης να υπάρξουν και στην ηλεκτροκίνηση: τα ηλεκτρικά οχήματα θα μπορούσαν να φορτίζουν σχεδόν στιγμιαία, αρκεί να υπάρχουν σταθμοί φόρτισης. Παράλληλα, οι κβαντικές μπαταρίες θεωρούνται πιο ασφαλείς, με αισθητά χαμηλότερους κινδύνους έκρηξης ή διαρροής.
Ένα επιπλέον στρατηγικό πλεονέκτημα είναι η δυνατότητα απεξάρτησης από την Κίνα, η οποία σήμερα παράγει περίπου το 71% των μπαταριών ιόντων λιθίου παγκοσμίως.
Η αποθήκευση μεγαλύτερης ποσότητας ενέργειας με ταχύτερους χρόνους φόρτισης αποκτά όλο και μεγαλύτερη σημασία. Σύμφωνα με τον Διεθνή Οργανισμό Ενέργειας (ΔΟΕ), κάθε άνθρωπος καταναλώνει ετησίως κατά μέσο όρο πάνω από 80 γιγατζάουλ ενέργειας — ποσότητα που ισοδυναμεί με τη συνεχή λειτουργία ενός πλυντηρίου για έναν ολόκληρο χρόνο. Η κατανάλωση αυτή αναμένεται να αυξηθεί κατά 28% έως το 2040 σε σύγκριση με τα επίπεδα του 2015, ενώ το 86% της ενέργειας προέρχεται ακόμη από ορυκτά καύσιμα.
Προοπτικές και περιορισμοί
Η νέα μελέτη των RMIT και CSIRO είχε ως αποτέλεσμα την επίτευξη βελτίωσης κατά χίλιες φορές στη διάρκεια ζωής των κβαντικών μπαταριών σε σχέση με προηγούμενες προσπάθειες. Ωστόσο, σύμφωνα με τους επιστήμονες, η τεχνολογία απέχει ακόμη πολύ από το να αντικαταστήσει τις κοινές μπαταρίες τύπου AAA ή AA, καθώς η αποθήκευση ενέργειας έχει μετακινηθεί από τα νανοδευτερόλεπτα στα μικροδευτερόλεπτα.
Ο Ντάνιελ Τίμπεν (Daniel Tibben), υποψήφιος διδάκτορας και συν-συγγραφέας της μελέτης, δήλωσε πως η ομάδα βρίσκεται ένα βήμα πιο κοντά στην κατασκευή μιας λειτουργικής κβαντικής μπαταρίας, σημειώνοντας πως παρότι η συνεισφορά τους αφορά ένα πολύ μικρό κομμάτι του συνολικού παζλ, η συσκευή τους αποδείχθηκε ήδη σημαντικά καλύτερη στην αποθήκευση ενέργειας σε σύγκριση με προηγούμενα πρωτότυπα.
Όπως εξήγησε, παλαιότερες συσκευές είχαν εντυπωσιακούς ρυθμούς φόρτισης αλλά παρουσίαζαν απώλειες ενέργειας σχεδόν με την ίδια ταχύτητα. Στο πλαίσιο της παρούσας μελέτης, που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό PRX Energy, οι ερευνητές κατασκεύασαν και εξέτασαν πέντε διαφορετικές συσκευές, διαπιστώνοντας ότι η καλύτερη απόδοση επιτυγχανόταν όταν δύο συγκεκριμένα ενεργειακά επίπεδα ευθυγραμμίζονταν απόλυτα, επιτρέποντας έτσι πιο αποδοτική αποθήκευση ενέργειας.
Σύμφωνα με τον καθηγητή Ντάνιελ Γκόμεζ (Daniel Gómez), χημικό φυσικό του RMIT και συν-συγγραφέα της μελέτης, η ερευνητική ομάδα έχει ήδη έρθει σε επαφή με βιομηχανικούς εταίρους, με στόχο τον σχεδιασμό της επόμενης γενιάς πρωτοτύπων.
Του Rex Widerstrom
