Australský průlom: baterie se nabíjí laserem za méně než vteřinu

Co se vlastně stalo?

Australský výzkumný tým představil funkční prototyp takzvané kvantové baterie. Toto miniaturní zařízení nepotřebuje ke svému nabíjení žádný kabel — místo toho reaguje na světlo. A co je ještě pozoruhodnější, celé nabití proběhne za méně než jednu sekundu. Pokud se tato technologie podaří rozvinout do většího měřítka, mohla by zásadně změnit vše od chytrých telefonů po elektromobily.

Austrálie testuje první funkční kvantovou baterii

Za tímto objevem stojí australská výzkumná organizace CSIRO ve spolupráci s Univerzitou v Melbourne a institucí RMIT. Výsledky jejich práce byly zveřejněny v odborném časopise Light: Science & Applications. Jde zatím o laboratorní prototyp, který ale přesvědčivě dokládá, že kvantová baterie není pouhou teorií.

Zatímco klasická baterie ukládá energii prostřednictvím pomalých chemických reakcí, toto nové zařízení funguje zcela odlišně. Reaguje na světlo laseru a zachytí veškerou energii v jediném ultrakrátkém okamžiku. Žádná zástrčka ani fyzické propojení nejsou potřeba.

Jádro inovace spočívá v tom, že baterie se nabíjí bezdrátově jediným světelným pulzem — namísto zdlouhavých chemických procesů.

Vědci hovoří o zcela novém přístupu k nakládání s energií. Pravidla, která určují chování tohoto systému, nepocházejí z klasické elektrotechniky, ale z kvantové fyziky — stejné oblasti, ve které fungují qubity kvantových počítačů.

Co dělá tuto baterii „kvantovou"?

V běžné baterii pracují miliony částic víceméně nezávisle na sobě. Kvantová baterie naproti tomu využívá kvantové jevy k tomu, aby tyto částice reagovaly společně jako jeden celek. Výsledkem je chování, které v každodenním životě prostě neexistuje.

Australský tým využívá vlastnost známou v odborné literatuře jako superabsorpce. Molekuly uvnitř baterie reagují na světlo jako jeden kolektivní systém — nikoliv jako soubor samostatných přijímačů.

• Baterie je tvořena speciálním materiálem, který silně interaguje se světlem.
• Ultrakrátký světelný pulz z laseru dopadne na tento materiál.
• Díky kvantovým efektům systém pohltí veškerou energii v jediném společném „doušku".

Celý proces nabíjení trvá pouhý zlomek sekundy. Měření probíhala v časových škálách femtosekund — tedy biliontinách sekundy. K tomu vědci využili speciální laserové zařízení v chemické laboratoři Univerzity v Melbourne.

Superabsorpce: nabití jedním zábleskem

Pojem superabsorpce popisuje jev, při němž skupina částic dokáže společně absorbovat světlo rychleji a ve větším množství, než by zvládly jednotlivé částice dohromady. Díky kvantovému provázání částic dorazí jediný světelný pulz jako doslova energetická vlna tsunami.

Podle vědců právě toto odlišuje jejich objev od stávajících technologií rychlého nabíjení. Rychlonabíječka pro elektromobil stále přenáší proud skrze kabel a chemické články. Tento proces má své limity — při překročení určité hranice se materiál poškodí nebo se baterie přehřeje.

Zatímco rychlonabíječky narážejí na hranice chemie, kvantová baterie se snaží tento problém obejít tím, že pracuje přímo na kvantové úrovni světla a hmoty.

V praxi to znamená, že energie do baterie nedoráží postupně, ale přichází v jakémsi kvantovém skoku. Testovací sestava prokázala, že za kontrolovaných podmínek to funguje při pokojové teplotě — což je pro budoucí praktické využití naprosto klíčové.

Čím větší baterie, tím rychlejší nabíjení

Jeden z nejpřekvapivějších výsledků se týká vztahu mezi velikostí baterie a rychlostí nabíjení. U běžných akumulátorů platí, že větší kapacita znamená delší dobu nabíjení. U kvantové baterie je tomu přesně naopak.

Vedoucí projektu James Q. Quach uvádí, že měření potvrzují předpověď z kvantové teorie: čím více kvantově provázaných „aktivních jednotek", tím neproporcionalně vyšší rychlost nabíjení. Zní to možná kontraintuitivně, ale přesně to plyne z matematiky superabsorpce.

Odborně se hovoří o škálovací výhodě: při zvětšení materiálu neroste jen celková kapacita, ale zrychluje se i samotný proces nabíjení. To je přesně to, po čem výrobci elektromobilů a spotřební elektroniky touží.

Od laboratorního prototypu k běžnému použití

Současné zařízení je stále velmi vzdáleno od baterie do auta nebo smartphonu. Jde o extrémně malou strukturu v laboratorní sestavě, řízenou drahými lasery a měřicí technikou. Množství ukládané energie je zatím minimální.

Přesto vědci již načrtli konkrétní kroky na cestě k použitelným produktům:

• další optimalizace materiálu, aby dokázal pojmout více energie najednou
• výzkum toho, zda by levnější světelné zdroje mohly nahradit výkonný laser
• testování, jak dlouho baterie uchová náboj a kolikrát lze cyklus opakovat
• propojení se stávající elektronikou, aby systém dokázal dodávat proud skutečným zařízením

Zásadní technickou překážkou zůstává udržení energie. Kvantový stav umožňující superabsorpci je totiž citlivý na vnější rušení. Vibrace, výkyvy teploty nebo elektrická pole mohou tento efekt narušit a způsobit, že baterie energii „vyteče".

Možné využití: od telefonů po jedoucí automobily

Pokud technologie dospěje, otevírá se hned několik lákavých scénářů. Ambice výzkumníků jsou velké — ve svých výkladech načrtávají budoucnost, kde se elektromobil nabije rychleji, než dnes zaberete natankovat benzin. Domácí přístroje by pak mohly nabíjet bezdrátově přímo při používání.

Představte si například:

• smartphony, které se plně nabijí během několika sekund prostřednictvím světelného panelu
• bezdrátově napájené senzory v budovách nebo mostech fungující roky bez údržby
• zdravotnické implantáty dobíjené externími světelnými zdroji, díky čemuž by operace kvůli výměně baterie byly potřeba méně často
• elektromobily přijímající cílené světelné pulzy na semaforech a průběžně doplňující energii

Pro výrobce spotřební elektroniky je obrovskou lákavostí vize světa bez nabíječek a kabelů. Místnost s vestavěnými světelnými zdroji napájejícími kvantové baterie by mohla stačit k tomu, aby všechna zařízení nepřetržitě fungovala.

Výhody, rizika a praktické otázky

Kvantové baterie přinášejí několik zjevných výhod. Doba nabíjení může dramaticky klesnout, přenos energie může probíhat bezdrátově a škálovací výhody převracejí logiku klasických akumulátorů naruby. Koncept navíc otevírá dveře zcela novým konstrukčním přístupům, v nichž světlo a hmota tvoří jeden integrovaný systém.

Zároveň však vznikají nová rizika a otázky. Silný světelný zdroj přenášející cíleně energii musí být bezpečný pro oči a pokožku. Je také třeba zjistit, co se stane, když bude více zařízení nabíjet současně — dostane každé spravedlivý podíl energie, nebo dojde k rušení a nežádoucí interferenci?

Dalším bodem je dlouhodobá spolehlivost. Klasické akumulátory se opotřebovávají chemickými reakcemi; u kvantových baterií přibývá otázka, zda jemné kvantové struktury udrží stejné vlastnosti po celé roky. Výrobci budou muset provádět náročné zátěžové a trvanlivostní testy.

Co to znamená pro současný trh s bateriemi?

Výrobci lithium-iontových článků se zatím nemusejí obávat přímé konkurence. Náklady, škálovatelnost a materiálové nároky kvantových baterií jsou stále z velké části neznámé. Hodně závisí na tom, jak vzácné jsou použité materiály a kolik energie je třeba pro jejich výrobu.

Tato technologie nicméně může nastartovat výzkum hybridních řešení. Například klasické akumulátory s tenkou kvantovou vrstvou pro rychlejší nabíjení, nebo napájecí systémy kombinující tradiční baterie s budoucími kvantovými technologiemi. Pro výrobce automobilů a elektroniky by to představovalo přechodný krok — mohli by těžit z rychlejšího nabíjení, aniž by museli kompletně přestavět svou architekturu.

Pro ty, kdo nejsou zběhlí v kvantové fyzice, pomůže jedno přirovnání: kvantová baterie funguje jako orchestr, ne jako skupina sólových hráčů. V běžné baterii hraje každá částice svou vlastní melodii. V kvantové baterii hrají všechny částice dohromady jediné dílo, dokonale sladěné. Když pak přijde světelný signál, celý orchestr zareaguje najednou. Právě tato kolektivní reakce rozhoduje o rychlosti a účinnosti celého procesu.