Co tym razem zadziało się na rynku akumulatorów, które każdego dnia są rewolucjonizowane… ale w laboratorium, a nie liniach produkcyjnych? Akurat tym razem sprawa jest ciekawsza, bo nie chodzi o poprawianie znanej technologii, ale o próbę zbudowania czegoś, co działa według zupełnie innej logiki niż klasyczny akumulator. Australijski zespół z CSIRO, University of Melbourne i RMIT University opisał właśnie działający prototyp akumulatora kwantowego, którego zachowanie jest zwyczajnie sprzeczne z intuicją wyniesioną z elektroniki użytkowej. Nie jest to jednak historia o tym, że za dwa lata naładujemy telefon w sekundę.
Jedno jest pewne – to nie następca ogniwa litowo-jonowego
Słowo “akumulator” budzi bardzo konkretne skojarzenia, a nowy układ ma z nimi niewiele wspólnego. Mówimy tym razem o mikroskopijnym demonstratorze laboratoryjnym, który faktycznie potrafi pobrać energię, chwilowo ją utrzymać i oddać w postaci prądu, ale robi to w skali wciąż absurdalnie małej z punktu widzenia sprzętu konsumenckiego. Jednak wbrew pozorom, to właśnie dlatego ten eksperyment jest interesujący, o ile spojrzymy na niego nie jak na gotowy produkt, ale jako pierwszy sensowny dowód, że taki typ urządzenia da się w ogóle zamknąć w działającym cyklu.
Czytaj też: Wystarczył tani akumulatorowy trik. Odkryli sekret większego zasięgu w samochodach elektrycznych
Nowy akumulator kwantowy nie przypomina klasycznego ogniwa, w którym energia jest magazynowana dzięki reakcjom chemicznym. Tutaj badacze zbudowali wielowarstwową mikrojamę optyczną z materiałów organicznych, która pułapkuje światło i jest ładowana bezprzewodowo wiązką lasera. Kluczowe jest to, że układ pracuje w temperaturze pokojowej i w warunkach otoczenia, a nie w jakimś ekstremalnie sterylnym, kriogenicznym środowisku. Jest to o tyle ważne, że to właśnie w takich warunkach większość futurystycznych koncepcji zaczyna się sypać przy próbie zejścia z teorii do praktyki.
Jeszcze ważniejsze jest jednak to, że nie mamy do czynienia z pierwszą próbą tego zespołu. Już w 2022 roku James Quach i współpracownicy pokazali organiczną mikrojamę, w której udało się zaobserwować zjawisko “superabsorpcji”, a więc ponadklasycznego, zbiorowego poboru energii. Tamten prototyp pokazał samo szybkie ładowanie. Teraz z kolei specjaliści dołożyli do tego warstwy transportu ładunku, które pozwalają tę energię wyprowadzić jako prąd elektryczny. Innymi słowy, wcześniejsza konstrukcja przypominała bardziej laboratoryjny magazyn energii bez sensownego wyjścia, a najnowsza praca dobudowuje brakującą połowę układanki.
Najciekawsze nie jest to, że działa. Najciekawsze jest to, jak działa
Cały urok akumulatora kwantowego sprowadza się do efektów zbiorowych. W klasycznym myśleniu większy magazyn energii oznacza zwykle więcej materiału do “obsłużenia”, a więc także więcej czasu potrzebnego na ładowanie. W tym przypadku teoria i eksperyment wskazują coś odwrotnego. Gdy układ ma N jednostek magazynujących energię, czas ładowania nie rośnie proporcjonalnie, ale może maleć zgodnie z zależnością 1/√N. To oznacza, że większy akumulator kwantowy nie musi ładować się wolniej. Może wręcz przyspieszać wraz ze wzrostem skali.
Czytaj też: Ruszyła produkcja akumulatorów przyszłości. Chiny chwalą się nawet 2-krotnie wyższym zasięgiem
Brzmi to jak sztuczka słowna, ale badacze wiążą to z kolektywnym sprzężeniem światła i materii w mikrojamie. Mówiąc prościej, poszczególne elementy układu nie zachowują się jak samotne, odseparowane pojemniki na energię. W odpowiednich warunkach działają bardziej jak zsynchronizowany kolektyw, który reaguje na dopływ energii wspólnie. To właśnie taki mechanizm ma stać za “superekstensywnym” ładowaniem, czyli wzrostem mocy ładowania szybszym, niż wynikałoby to z klasycznej intuicji.
W tej publikacji faktycznie najbardziej wartościowe nie jest samo to, że układ pobiera energię w sposób kwantowo uprzywilejowany, ale to, że badacze pokazali również jego rozładowanie jako pracę elektryczną. W publikacji opisali trzykrotny wzrost zewnętrznej wydajności kwantowej względem struktur kontrolnych bez mikrojamy, a maksymalne gęstości mocy rozładowania mieściły się w zakresie około 10-40 µW/cm². To nadal bardzo mało z perspektywy użytkownika smartfona czy laptopa, ale wystarczająco dużo, by przestać mówić o czysto teoretycznym “magazynie energii bez gniazdka wyjściowego”.
Czytaj też: Zamiast grafitu włóknina z krzemem. Niemcy uczą świat, jak wyciskać więcej z akumulatorów
Idąc dalej, po przeliczeniu taki akumulator daje rząd około 0,1-0,8 nanojula energii, a więc poziom jest tak mały, że z perspektywy zwykłej elektroniki użytkowej praktycznie nie ma o czym mówić. Nie lepiej wygląda czas przechowywania ładunku, bo choć układ utrzymuje energię przez sześć rzędów wielkości dłużej, niż trwa samo ładowanie, to w praktyce mówimy o dziesiątkach nanosekund, bo typowo około 10-50 ns. Jeśli więc ktoś zapyta, czy to naprawdę pierwszy akumulator kwantowy na świecie, odpowiedź brzmi: tak, ale nie jest to jednak pierwszy krok tej dziedziny ani żaden sygnał, że za chwilę sklepy zaleją “kwantowe ładowarki”. To raczej moment, w którym eksperymentalna ciekawostka zaczyna przechodzić w stronę inżynierii.
