Wetenschappers presenteren een kwantumbatterij die de regels van het conventionele opladen doorbreekt

Wetenschappers van het Australische nationale wetenschapsagentschap CSIRO hebben een prototype gebouwd van een kwantumbatterij die sneller oplaadt naarmate deze groter wordt — het tegenovergestelde van wat er bij conventionele batterijen gebeurt. De onderzoekers hebben tevens aangetoond dat het apparaat elektrische stroom kan opwekken, waardoor het concept een stap dichter bij een functioneel energieopslagsysteem is gekomen.

De ongebruikelijke batterij is ontwikkeld door kwantumwetenschapper James Quach en zijn team. In plaats van gebruik te maken van chemische reacties, maakt deze gebruik van kwantumeffecten om energie te absorberen en op te slaan. Het prototype is gebaseerd op een optische microcaviteit die bestaat uit twee minuscule spiegels die ongeveer 100 nanometer van elkaar verwijderd zijn – ruwweg duizend keer dunner dan een menselijke haar. De ruimte ertussen is gevuld met organische kleurstofmoleculen en wordt belicht met een laser.

De interactie tussen het licht en de moleculen creëert hybride licht-materie-toestanden die bekend staan als polaritonen. Ook ontstaat er een fenomeen dat superabsorptie wordt genoemd, waarbij de moleculen collectief gaan optreden in plaats van onafhankelijk energie te absorberen. Hoe meer moleculen er zijn, hoe sneller zij energie kunnen absorberen — wat betekent dat een grotere kwantumbatterij sneller kan worden opgeladen dan een kleinere.

Het prototype laadt op in femtoseconden en kan de opgeslagen energie gedurende nanoseconden vasthouden, ongeveer een miljoen keer langer dan het oplaadproces duurt. De hoeveelheid energie die het kan opslaan is echter nog steeds miniem, namelijk slechts enkele miljarden elektronvolt, zodat het gebruik van een dergelijke batterij in een smartphone of elektrische auto voorlopig nog lang niet haalbaar is.

De nieuwste doorbraak is dat de onderzoekers een extra laag hebben toegevoegd waarmee zij elektrische stroom uit de kwantumbatterij kunnen onttrekken. Het team is nog bezig met het analyseren van de resultaten en is van plan de details in een wetenschappelijk artikel te publiceren.

Een belangrijk voordeel van deze aanpak is dat deze bij kamertemperatuur functioneert. Andere ontwerpen voor kwantumbatterijen op basis van supergeleidende materialen vereisen temperaturen onder ongeveer −150 °C, waardoor ze buiten gespecialiseerde omgevingen veel minder praktisch zijn.

De meest waarschijnlijke vroege toepassing voor kwantumbatterijen is daarom kwantumcomputers. Quach is van mening dat de technologie op termijn het energieverbruik van kwantumcomputers zou kunnen verminderen en deze tegelijkertijd sneller en minder foutgevoelig zou kunnen maken, wat mogelijk zou bijdragen aan de opschaling van de technologie.

De grootste uitdaging blijft het uitzoeken hoe de opgeslagen kwantumenergie op een stabiele, gecontroleerde en bruikbare manier kan worden onttrokken. Wetenschappers waarschuwen bovendien dat kwantumeffecten kwetsbaar zijn en door de omgeving kunnen worden verstoord. Onderzoekers verkennen ook hybride ontwerpen die kwantumcomponenten voor snel opladen combineren met conventionele lagen die energie voor langere perioden kunnen opslaan.

Het meest recente experiment toont echter iets aan dat vanuit het perspectief van conventionele batterijen bijna absurd klinkt: door de batterij groter te maken, kan deze daadwerkelijk sneller worden opgeladen.