Eit gjennombrot frå australske laboratorium
Australske forskarar har presentert ein prototype av eit batteri som ladast via ein laserstråle på avstand — nesten augneblikkeleg. Det høyrest ut som ei scene frå ein science fiction-film, men dette er eit reelt eksperiment utført under laboratorietilhøve.
Eit forskarlag knytt til CSIRO, University of Melbourne og RMIT har demonstrert det første fungerande kvantebatteriet under kontrollerte tilhøve. I staden for klassiske kjemiske reaksjonar nyttar det fenomen frå kvantefysikken og absorberer lysenergi i éitt einaste koordinert augneblikk.
Kvifor er denne teknologien så viktig?
Tradisjonelle litium-ion-batteri støyter på fysiske avgrensingar. Opplading skjer via sakte ionvandring og kjemiske reaksjonar, noko som tek alt frå mange minutt til fleire timar. Dei australske forskarane peiker på ein veg utanom denne avgrensinga ved hjelp av kvantefysikk. Arbeidet deira er publisert i eit anerkjent vitskapleg tidsskrift med fokus på fotonikk og nye energiteknologiar.
Prosjektet bak oppdaginga
Prosjektet voks fram som eit samarbeid mellom forskingsorganet CSIRO og to universitet i Melbourne. Målet var å skape eit energilager som bryt fri frå avgrensingane ved konvensjonelle litium-ion-celler. I kvanteprototypen strøymer energien inn i materialet som laserlys — heilt utan kablar.
Heile prosessen tek under eitt sekund og finn stad på tidsskalaer målt i femtosekund, altså billiondelar av eit sekund. Kvantebatteriet fyllast ikkje trinn for trinn. Det absorberer ein dose lysenergi i éi koordinert handling, noko som dramatisk forkortar oppladetida.
For å stadfeste effekten nytta forskarane ein ultraraskt laser frå det kjemiske laboratoriet ved University of Melbourne. Dette utstyret gjer det mogleg å overvake opladeprosessen i mikroskopiske brøkdelar av eit sekund og måle nøyaktig kor mykje energi som faktisk strøymer inn i prototypen.
Prinsippet bak superabsorpsjon
Forskarane skildrar fenomenet dei nyttar som superabsorpsjon. Prinsippet går ut på at mange av batteriets grunnleggjande byggjeklossar ikkje arbeider uavhengig av kvarandre, men oppfører seg som eitt samla, synkronisert system. Innanfor kvantemekanikken kan tilstanden til eit materiale stillast inn slik at det reagerer på lys kollektivt framfor individuelt.
I eit tradisjonelt batteri absorberer kvart materialfragment energi for seg sjølv. Her fungerer heile strukturen som ei enorm antenne for foton. Jo fleire element som samarbeider, desto lettare absorberer dei energi frå laserstrålen — og desto kortare vert oppladetida.
Forskarar frå CSIRO har identifisert fire sentrale eigenskapar ved teknologien:
- Opplading skjer utan kablar, utelukkande via lys
- Energien trer inn i batteriet i éin einskild koordinert fase
- Oppladetida reduserast til brøkdelar av eit sekund
- Kvanteknytinga mellom elementa i materialet spelar ei avgjerande rolle
Større batteri — raskare opplading
Den mest overraskande konklusjonen i forskinga handlar om oppskalering av teknologien. I den klassiske batteriverdna betyr større kapasitet vanlegvis lengre oppladetid. Det australske laget dokumenterer nøyaktig det motsette mønsteret for kvantebatteriet.
Når kvantesystemet veks i storleik, fell ikkje oppladetidene berre — dei forkortest aktivt. Fleire aktive element skapar ein sterkare kollektiv effekt og raskare energiabsorpsjon frå laseren. Eit slikt resultat strir fullstendig mot ingeniørens intuisjon frå arbeid med konvensjonelle akkumulatorar.
Sett frå kvantemekanikkens perspektiv gjev det likevel meining. Jo fleire molekyl som korrelerer i éin felles tilstand, desto sterkare vert deira samla respons på lys. Dette paradoksale prinsippet skil kvantebatteri frå alle tidlegare energilagringsløysingar.
Kva betyr dette for køyretøy og elektronikk?
Forskarane vedkjenner ope at dei ser i retning av bilindustrien, forbrukarelektronikk og nettbaserte system for energilagring. Visjonen er lokkande: ein elbil køyrer inn til ein stasjon i nokre sekund, tek imot ein enorm impuls av lysenergi og køyrer vidare med fullt batteri.
Trådlaus opplading på avstand opnar dessutan heilt nye scenario i heimen eller på kontoret. Førestill deg eit rom med ein diskret sendar som ladar telefonar, berbare datamaskiner eller høyreteléfonar så snart han registrerer eit fall i energinivået. Einingar ville reelt slutte å gå tomme på dei mest ubeleilige tidspunkta.
Verksemder innanfor energisektoren og bilindustrien viser allereie interesse for konseptet med lynrask energilagring. Ein kombinasjon av kvantebatteri og fornybare energikjelder som solceller eller vindparkar kunne i framtida lette stabiliseringa av straumnettet. Elbilprodusentar ville få eit argument som kan overtyde sjølv den mest skeptiske bilisten: slutten på timar med venting ved ein ladestasjon.
Frå laboratorium til ferdig produkt er det framleis langt
Det er likevel viktig å hugse at dette er ein prototype — ikkje eit ferdig batteri til smarttelefonen din. Den noverande versjonen har svært avgrensa kapasitet og tener primært til å stadfeste at konseptet fungerer i praksis. Forskarane har vist at kvantsuperabsorpsjon ikkje berre er ein teoretisk konstruksjon.
For å nå eit kommersielt gjennombrot krevst fleire steg: auka kapasitet, langvarig lagringsevne, handtering av energitap og utforming av ein sikker infrastruktur for overføring av effekt via lys. Kvart av desse stega utgjer eit sjølvstendig forskingsprogram.
Dei storslåtte visjonane om lynopplading skuggar lett over vanskelege spørsmål. System som overfører store mengder energi gjennom lufta, må fungere i samsvar med strenge tryggingsstandardar. Det handlar ikkje berre om folkehelsa, men òg om forstyrringar av andre einingar, som optisk kommunikasjon eller sensorar. Forskarar ved University of Melbourne arbeider aktivt med å løyse desse utfordringane.
Difor er det verdt å følgje utviklinga av slike batteri
For den vanlege brukaren handlar det primært om bekvemmelighet. Dersom teknologien modnar, kan han endre kvardagsvaner i eit omfang tilsvarande hurtigladarar til telefonar eller induksjonsladarar — men denne gongen snakkar vi om ein hastigheit av ein heilt annan storleiksorden.
Den australske prototypen viser at slike scenario ikkje er forbeholdt science fiction-filmars effektfulle idear. Spørsmålet er ikkje lenger om, men når ingeniørane klarar å omsetje kvantsuperabsorpsjon til noko som faktisk endar opp i garasjar og lommer. Og om vi då framleis hugsar korleis det kjendest å leite desperat etter ein stikkontakt midt på dagen.
