Eit australsk forskingslag har skapt noko som høyrest ut som rein science fiction
Forskarar frå Australia har presentert ein batterprototype som ladast opp av ein laserstråle nesten augneblikkeleg — heilt utan kablar. Det høyrest utruleg ut, men dette er eit reelt eksperiment tufta på kvantefysikk.
Eit forskingslag tilknytt organisasjonane CSIRO, University of Melbourne og RMIT viste fram verdas første fungerande kvanteforbruk i laboratoriemiljø. I staden for klassiske kjemiske reaksjonar utnyttar batteriet kvantefysiske fenomen og absorberer lysenergi i eitt einaste lynraskt augneblink.
Prosjektet er utvikla innanfor ramma til det australske forskingsorganet CSIRO i samarbeid med to universitet frå Melbourne. Resultata er publiserte i eit anerkjent vitskapleg tidsskrift vigd til fotonikk og nye energiteknologiar. Den sentrale ideen er å lage eit energilager som bryt dei avgrensingane konvensjonelle litium-ion-celler er bundne av.
Slik fungerer superabsorpsjonen av energi
Eit klassisk batteri ladast opp gjennom ein langsom rørsle av ionar og kjemiske reaksjonar. I kvanteprototypen strøymer energien inn i materialet som laserlys — fullstendig utan leidningar. Heile prosessen tek under eitt sekund og går føre seg på tidsskalaer målt i femtosekund, altså billiondelar av eit sekund.
Kvanteprototypen «fyllast» ikkje steg for steg. Han absorberer i staden ein porsjon lysenergi i éi koordinert handling, noko som radikalt kortnar oppladingatida. Forskarane skildrar fenomenet dei nyttar som superabsorpsjon.
Konseptet byggjer på at mange av batteriets elementære «byggjeklossar» ikkje arbeider uavhengig av kvarandre, men oppfører seg som eitt synkronisert system. I kvantemekanikk kan tilstanden til materialet stillast inn slik at det reagerer på lys kollektivt i staden for individuelt.
I eit tradisjonelt batteri absorberer kvart materialfragment energi for seg sjølv. Her oppfører heile strukturen seg som ei einaste stor antenne for foton. Jo fleire slike element som samarbeider, desto lettare vert energi absorbert frå laserstrålen — og desto kortare vert oppladingatida.
For å etterprøve om effekten verkeleg fungerer, nytta forskarane ein ultraraskt laser frå eit kjemilaboratorium ved University of Melbourne. Slikt utstyr gjev høve til å «sjå inn i» opplastingsprosessen på mikroskopiske delar av eit sekund og måle kor mykje energi som faktisk når fram til prototypen.
Større kvanteforbruk ladast overraskande nok raskare
Den mest overraskande konklusjonen frå forskinga handlar om skalering av teknologien. I den klassiske batteriverdenen tyder større kapasitet typisk lengre oppladingatid. Det australske laget påviser det stikk motsette mønsteret for kvanteforbruk.
Når storleiken på det kvantemekaniske systemet veks, fell ikkje oppladingatidene — dei kortnar. Fleire «aktive» element skapar ein sterkare kollektiv effekt og raskare energiabsorpsjon frå laseren. Eit slikt resultat strir fullstendig mot intuisjonen til ingeniørar som er vane med konvensjonelle akkumulatorar.
Sett frå kvantefysikkens perspektiv gjev det likevel meining: jo fleire molekyl det lukkast å korrelere i éin tilstand, desto kraftigare vert den felles responsen deira på lyset.
Sentrale eigenskapar ved kvanteprototypen
- Opplading skjer utan leidningar — utelukkande via lys
- Energien vert teken opp i batteriet i éi einaste koordinert fase
- Oppladingatida vert redusert til brøkdelar av eit sekund
- Kvantekopling mellom materialets element spelar ei avgjerande rolle
- Forskarane nytta ein ultraraskt laser frå eit laboratorium i Melbourne
- Teknologien snur klassiske skaleringsprinsipp på hovudet
Kva kan dette bety for elbilar og elektronikk?
Forskarane erkjenner ope at dei ser i retning av bilindustrien, forbrukarelektronikk og nettverksbaserte energilagringssystem. Visjonen er freistande: ein elbil som stoppar ved ein stasjon i berre nokre få sekund, tek imot ein gigantisk impuls lysenergi og køyrer vidare med full «tank».
Trådlaus opplading på avstand opnar dessutan heilt nye scenario i heimen og på kontoret. Førestill deg eit rom med ein diskret sendar som ladar telefon, berbar datamaskin eller hovudtelefonar så snart energinivået fell. Einingar ville nesten slutte å «døy» på det mest ubeleilege tidspunktet.
Frå laboratoriet til ferdige produkt er det likevel lang veg att. Vi snakkar om ein prototype — ikkje eit ferdig akkumulatormodul til ein smarttelefon. Den noverande versjonen har svært avgrensa kapasitet og tener primært til å stadfeste at konseptet fungerer i praksis. Før eit kommersielt gjennombrot kan skje, krevst fleire steg: auka kapasitet, stabil energilagring over tid, kontroll med energitap og utforming av ein trygg infrastruktur for overføring av effekt via lys.
Kva tyder eigentleg «kvanteforbruk»?
Omgrepet «kvante» kiler lett til fantasien, men meininga kan fort gå tapt. I dette tilfellet dreier det seg om eit svært konkret sett med effektar: kvantetilstandar der mange molekyl eller aktive senter fungerer som eitt system, kombinert med presis kontroll over korleis dei absorberer foton.
Det minner korkje om ein atomreaktor eller ei futuristisk «energikule». Det er snarare eit spesialisert materiale som under dei rette tilhøva oppfører seg annleis enn alt klassisk elektronikk har vant oss til. Forskarar frå CSIRO understrekar at kvantekolpinga mellom partiklane i materialet er det som gjer den synkroniserte fotoabsorpsjonen mogleg.
Selskap innan energi- og bilindustrien viser allereie interesse for konseptet med lynrask energilagring. Ein kombinasjon av kvanteforbruk og fornybare energikjelder som solceller eller vindmølleparkar kunne i framtida lette stabiliseringa av straumnettet. Elbilprodusentane ville dessutan få eit argument som verkeleg kan overtyde bilistane: slutt på timevis ventetid ved ein ladestasjon.
Risikoar og utfordringar som sjeldan vert nemnde
Fantastiske visjonar om lynopplading kan lett skyggje for dei vanskelege spørsmåla. System som overfører store mengder energi gjennom lufta, må fungere under strenge tryggingsstandardar. Det handlar ikkje berre om helsa til menneske, men òg om interferens med andre einingar som optisk kommunikasjon eller sensorar.
Energisida kan heller ikkje ignoreraast. Det er naudsynt å fastslå kor mykje effekt som krevst til praktisk opplading av eit breitt spekter av einingar, og om ein slik prosess gjev merkbare tap. KvanteTeknologiar kan vere enormt effektive i mikroskala, men skalering til masseløysingar viser seg ofte å vere krevjande.
Forskarar frå University of Melbourne og RMIT peiker på at den noverande prototypen framleis har ei rekkje tekniske avgrensingar. Materiala som vert nytta i kvanteforbruk, må oppfylle spesifikke krav til koherens og stabilitet i kvantetilstandane. Laserstrålen krev dessutan presis fokusering og synkronisering med det mottakande systemet.
Kvifor er det verdt å følgje med på denne teknologien?
For den vanlege brukaren handlar det primært om bekvemlegheit. Om teknologien modnar, kan han endre daglege vanar på same måten som hurtigladarar til telefon eller induksjonsladarar. Skilnaden er at vi denne gongen snakkar om ein markant større hastigheit.
Den australske prototypen syner at slike scenario ikkje berre er effektfulle motiv frå science fiction-filmar. Det attverande spørsmålet er ikkje «om», men når det lukkast ingeniørane å omsetje kvantesuperabsorpsjon til noko som verkeleg hamnar i garatar og lommer hjå brukarane. Og om vi då framleis vil hugse korleis det kjendest å leite nervøst etter ein stikkkontakt midt på dagen?
