Die Theoretische Basis von Quantum-Batterien
Für viele Jahre war das Konzept der Quantum-Batterie, welches die Prinzipien der Quantenmechanik zur Energiespeicherung nutzt, eher theoretisch. Die Komplexität und Unvorhersehbarkeit der Quanten-Technologie haben das bisher stark limitiert. Doch jetzt haben Forscher – ein interdisziplinäres Team aus der Australischen Raumfahrtbehörde, CSIRO, RMIT-Universität sowie der Universität Melbourne – den ersten funktionierenden Prototyp einer Quantum-Batterie entwickelt, die kabellos mit einem Laser aufgeladen wird.
Technische Details des Prototyps
Der neueste Prototyp ist noch lange nicht marktreif. Er braucht Femtosekunden – das sind Billionstel Sekunden – um aufgeladen zu werden. Die Energie speichert er allerdings nur für Nanosekunden. Um das konkret zu machen: Die Batterie hält eine Million Mal länger als die Ladezeit. Im übertragenen Sinne ist es so, als ob ein Smartphone 30 Minuten für eine volle Aufladung benötigt, aber dann über 100 Jahre funktionsfähig bleibt. Ein weiteres Beispiel wäre eine Batterie, die nur eine Sekunde zum Laden benötigt, jedoch 11 Tage lang nutzbar ist.
„Es ist der erste Prototyp, der einen vollständigen Zyklus einer Batterie durchläuft: Du lädst auf, speicherst Energie und kannst sie entladen“, erklärt der leitende Forscher Dr. James Quach von CSIRO.
Schritt in die Zukunft - Mit Vorbehalten
Bevor die Euphorie übernimmt – die Technologie befindet sich in einem sehr frühen Stadium. Der aktuelle Prototyp hat lediglich eine Kapazität von ein paar Milliarden Elektronvolt. Damit kann man kaum etwas betreiben. Zwar klingt das nach viel, aber 5 Milliarden Elektronvolt entsprechen nur etwa 1/200.000 der Energie eines fliegenden Mücken.
Trotzdem ist es ein ermutigender Beweis für die Funktionsweise des Konzepts. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für die Zukunft der Quantum-Energiespeicherung. „Die Forschung und das Proof-of-Concept belegen das aufregende Potenzial von Quantum-Batterien, um schnelles und skalierbares Laden sowie Energiespeicherung bei Raumtemperatur zu erreichen“, sagt Dr. Quach.
Quantum-Technologie im Vergleich zu herkömmlichen Batterien
Im Gegensatz zu konventionellen Batterien, die hauptsächlich auf chemischen Reaktionen basieren, nutzen Quantum-Batterien einzigartige quantenmechanische Eigenschaften wie Superposition und Verschränkung. „Der Vorteil von Quanten ist, dass das System in einem einzigen, riesigen 'Superabsorption'-Ereignis Licht absorbiert, welches die Batterie schneller auflädt“, erklärt der Hauptbeitragende zu dieser Forschung, Associate Professor James A. Hutchison.
Seltsame Eigenschaften der Quantum-Batterien
Quantum-Technologie erscheint oft recht rätselhaft und seltsam. Aber für Insider ist vieles … eigentlich gleich. Forscher beobachteten einige „seltsame“ Eigenschaften des Prototyps. In Standard-Batterien ist die Größe direkt proportional zur Ladezeit. Kleine Smartphone-Batterien benötigen Stunden für eine volle Ladung, während ihre großen Gegenstücke, Elektrofahrzeuge, über Nacht aufgeladen werden müssen. Quantum-Batterien funktionieren jedoch genau umgekehrt.
„Quantum-Batterien haben diese wirklich eigenartige Eigenschaft, dass größere Batterien weniger Ladezeit benötigen“, so Quach. „Aufgrund eines Phänomens, das als 'kollektive Effekte' bekannt ist, laden sich Quanten-Zellen schneller auf, wenn mehr Zellen beteiligt sind.“
Das große Potenzial der Quantum-Batterien
Die Möglichkeiten dieser Forschung sind schlichtweg außergewöhnlich. Voll funktionsfähige Quantum-Batterien könnten künftig Quantencomputer oder kleine herkömmliche elektronische Geräte antreiben. Man stelle sich vor – ein voll aufgeladenes Handy, das in einem Wimpernschlag aufgeladen ist.
Die Forscher träumen von Szenarien, in denen man Drohnen per Laser im Flug aufladen könnte. Auch wird erwartet, dass diese Technologie die Elektroauto-Industrie revolutioniert. Das Aufladen eines Elektrofahrzeugs wäre dann deutlich schneller als das Tanken von Benzin. Dr. Quach stellt sich Anwendungen vor, bei denen Autos gar nicht anhalten müssen.
Der Weg in die Zukunft – Herausforderungen bleiben
Für den Moment bleibt all dies ein fernes Potenzial. Höchstwahrscheinlich werden wir zuerst Quantum-Energiespeichersysteme erleben, die Quantencomputer versorgen. Die Forscher sind sich einig. „Obwohl noch viel Arbeit in der Forschung zu Quantum-Batterien vor uns liegt, haben wir einen wichtigen Schritt in Richtung der Realisierung gemacht“, erklärt Quach. „Der nächste Schritt für Quantum-Batterien ist, die Energiespeicherzeit zu verlängern. Wenn wir dieses Hindernis überwinden, wären wir einem kommerziell einsetzbaren Quantum-Batteriesystem näher.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in der Fachzeitschrift Light: Science & Applications.
Quelle: CSIRO