La batería moderna ha recorrido un largo camino en sus 224 años de historia. En el lugar de las pilas de discos metálicos y salmuera de Alessandro Volta Con un paño empapado, ahora tenemos baterías del tamaño de una galleta Graham que pueden durar días antes de necesitar una recarga.
¿Pero cuál es el techo de los dispositivos actualmente en el mercado? ¿Qué tipo de desafíos técnicos deben superarse para romper ese techo? ¿Y cuándo se superarán esos obstáculos? ¿Cuál es el futuro del almacenamiento de energía?
Un puñado de científicos de todo el mundo están trabajando en una respuesta: una tecnología de baterías que utiliza las leyes de la física cuántica, en lugar de física clásica, para mantener una carga. Está muy, muy lejos, pero Roma no se construyó en un día, y ciertamente no estaba impulsado en uno.
La batería básica y querida
Una batería es una pieza de tecnología que utiliza reacciones químicas para producir energía eléctrica. Las baterías domésticas producen energía eléctrica a través del flujo de electrones a través de un circuito. Se han desarrollado diferentes celdas de batería a lo largo de los siglos; se considera que Benjamin Franklin acuñó el término “batería eléctrica” en un 1749 carta, que concluyó con un divertido riff sobre las maravillas de la electricidad:
Un pavo debe ser asesinado para nuestras cenas por una descarga eléctrica y asado por el gato eléctrico, antes de un incendio provocado por la Botella Electrificada; cuando la Salud de todos los Electricistas Famosos en Inglaterra, Francia y Alemania, se beberá en Parachoques Electrificados, bajo la Descarga de Armas de la Batería Eléctrica.
Avancemos rápidamente a través de algunas celdas de batería diferentes, en su mayoría con el nombre de los científicos que las desarrollaron utilizando reacciones químicas de varios ácidos y metales. y en 1859 obtuvimos la batería de plomo-ácido, la primera con capacidad de recargarse invirtiendo la corriente a través del sistema. En el siglo XX, la batería de iones de litio se puso de moda y básicamente sigue siendo popular desde entonces, utilizando diferentes permutaciones de litio combinadas con otros metales. y fosfatos. Pero a lo largo de la historia de la batería moderna, el principio básico de una reacción química que genera energía eléctrica no ha cambiado.
Vale, olvídate de la batería. ¿Qué diablos es lo “cuántico”?
Repasemos rápidamente la física cuántica a grandes rasgos. Las partículas en estados cuánticos operan bajo un conjunto de reglas completamente diferente de todo lo que ves a tu alrededor tú, desde el agua en las nubes hasta los vasos sanguíneos que corren por tus venas. Las partículas entran en estados cuánticos en condiciones extremas: muy frío temperaturas y vacíos. En estas condiciones, las partículas pueden actuar como varias cosas a la vez, haciéndolas útiles para hacer cosas como complicadas operaciones matemáticas (como lo hace una computadora cuántica) y comprobando si viaje en el tiempo (en un sentido) es posible.
Los sistemas cuánticos también pueden exhibir enredo, un fenómeno mediante el cual dos o más partículas cuánticas definen las características entre sí. En computadoras cuánticas, los átomos en una matriz transportan la información necesaria para la operación dada, como lo hacen los bits en una computadora ordinaria. Estos átomos son cuánticos bits o qubits.
Pero las operaciones cuánticas son delicadas. En el momento en que cualquier valor en un sistema cuántico se vuelve cierto, la operación se desmorona. Todo el sistema, por Por ejemplo, los átomos en una matriz vuelven a su estado clásico.
Los estados cuánticos pueden persistir durante mucho tiempo. Tomemos como ejemplo los cristales de tiempo, primero un estado de la materia. propuesto en 2012 que a principios de este año los físicos demostraron que podría persistir durante al menos 40 minutos, aproximadamente 10 millones de veces más largos que otros cristales conocidos. Estos cristales están muy lejos de las baterías cuánticas, pero muestran cuán fugaces son algunos sistemas cuánticos. normalmente son una cuestión importante que debemos resolver si alguna vez vamos a depender de tales regímenes para obtener el poder.
Entonces, ¿cómo se aplican las reglas de la mecánica cuántica a una batería, la tecnología que le permite seguir leyendo este artículo y tal vez más? después, una vez que recargues?
Baterías cuánticas, como se imagina actualmente
Al igual que las baterías normales, las baterías cuánticas, tal como se las imagina, almacenan energía. Pero ahí es donde terminan las similitudes. A diferencia de las reacciones químicas en las que ambas se cargan. Cuando se consume la energía almacenada de una batería, las baterías cuánticas funcionan mediante entrelazamientos cuánticos o comportamientos que atan más estrechamente la batería y sus fuente.
“Las baterías cuánticas están compuestas por muchas células cuánticas que actúan como una gran batería cuántica”, dijo Ju-Yeon Gyhm, un investigador cuántico de Universidad Nacional de Seúl en Corea del Sur, en un correo electrónico a Gizmodo. “El desafío es cómo mantener las propiedades cuánticas durante mucho tiempo .”
Dado que las mismas propiedades se aplican a las baterías cuánticas que a las computadoras cuánticas, se debe superar un importante desafío técnico para que la tecnología se convierta en realidad Fuera de los entornos de investigación: los físicos deben descubrir cómo mantener los sistemas cuánticos en sus estados delicados fuera de los entornos de investigación más cuidadosamente gestionados. configuración. A superconductor a temperatura ambiente Sería un grial, pero hoy en día el único gente que reclama tal descubrimiento tenía su trabajo desacreditado en meses.
“La termodinámica en equilibrio no establece límites a la velocidad con la que la energía se transforma en calor y trabajo”, escribió un equipo de cinco científicos en un coloquio reciente sobre baterías cuánticas, actualmente alojado en el servidor de preimpresión arXiv. “Por lo tanto, parece natural buscar ventajas cuánticas termodinámicas en sistemas cuánticos que están fuera del equilibrio”.
El grupo continuó señalando que el entrelazamiento cuántico está relacionado con la velocidad con la que se puede almacenar la energía en sistemas cuánticos de muchos cuerpos, un descubrimiento. Esto ha impulsado la investigación sobre sistemas cuánticos como dispositivos de almacenamiento de energía.
En 2018, un equipo modeló la batería cuántica Dicke, la primera propuesta para existir en una arquitectura de estado sólido, y en 2022, un equipo probó un marco básico para una batería cuántica en un laboratorio utilizando un objetivo, espejos y luz láser.
Experimentos recientes están hurgando en el problema
A finales del año pasado, un equipo de investigadores cuánticos propuso un sistema mediante el cual las baterías cuánticas podrían cargarse en un orden causal indefinido, o ICO. Sus hallazgos—publicado en Cartas de revisión física— postuló que un sistema de carga con ICO podría superar a los protocolos de carga convencionales.
“En términos generales, ICO se puede utilizar para construir procesos cuánticos que no son posibles en la teoría cuántica estándar, donde se debe mantener el orden causal. Definido o fijo”, dijo Yuanbo Chen, investigador de la Universidad de Tokio y autor principal de la investigación, en un correo electrónico. a Gizmodo. “Esta flexibilidad permite una variedad más amplia de procesos cuánticos, algunos de los cuales pueden mostrar propiedades ventajosas e interesantes”.
“Vimos enormes ganancias tanto en la energía almacenada en el sistema como en la eficiencia térmica. Y, de manera algo contraintuitiva, descubrimos el sorprendente efecto de una interacción que es inversa de lo que podría esperar: Un cargador de bajo poder podría proporcionar energías más altas con mayor eficiencia que un cargador de mayor potencia comparativamente usando el mismo aparato”, Chen dijo en ese momento.
Las diferentes configuraciones experimentales de sistemas de baterías cuánticas, tanto propuestas como realizadas, significan que existen diferentes caminos para innovar en el diseño de un sistema tan futurista. tecnología. El mes pasado, un equipo de la Universidad de Gdansk y la Universidad de Calgary propuesto un sistema de carga de batería cuántica que maximiza la cantidad de energía almacenada en la batería y al mismo tiempo minimiza la cantidad de energía que se disipa (o se pierde) en el proceso de carga. Parte del rediseño del equipo es que la batería cuántica y su cargador estén acoplados a la misma depósito, produciendo un patrón similar a una interferencia que mejora la eficiencia de la transferencia de energía entre los dos. El equipo estima que la batería puede almacenar cuatro veces más energía a través del nuevo proceso de carga que usando un cargador convencional.
“Las baterías cuánticas actúan más como una onda donde las moléculas o átomos actúan al unísono, mientras que en las baterías convencionales las moléculas o átomos actúan más como partículas individuales”, dijo James Quach, un investigador cuántico de la Universidad de Adelaida en Australia, en un correo electrónico a Gizmodo. Este comportamiento colectivo es lo que sustenta las propiedades de carga superextensiva de las baterías cuánticas, donde se necesita menos tiempo para cargar baterías cuánticas de mayor capacidad. .”
En 2022, un equipo liderado por Quach probó un marco básico de una batería cuántica colocando un tinte molecular llamado Lumogen-F naranja en un pequeña cavidad y le aplicaron luz pulsada para ver cómo almacenaba la energía transmitida por los fotones de luz. El equipo descubrió que el sistema se cargó notablemente rápido y los sistemas más grandes generalmente deberían cargarse más rápido.
“Actualmente, se necesitan de femto a picosegundos para cargar una batería cuántica que almacena aproximadamente un microjulio de energía durante nano a milisegundos”, Quach dijo. “Aunque esto no parece mucho tiempo, su tiempo de almacenamiento es en realidad más de un millón de veces más largo que su carga tiempo. A modo de comparación, esto sería equivalente a una batería convencional que tarda unos minutos en cargarse, pudiendo mantener esa carga durante cientos de años”.
como reportado por nuevo científico, algunos físicos teorizan que el tiempo de carga de una batería cuántica es inversamente proporcional al número de qubits en el sistema; en otras palabras, cuanto más grande sea la batería, más rápido se carga.
Entonces… ¿cuándo podré conseguir una batería cuántica?
La investigación sobre baterías cuánticas está ganando terreno, pero todavía está en su infancia. Aunque su promesa es notable, cuál es el diseño final de Qué tecnología será sigue siendo una pregunta abierta. ¿Comercialización? Eso es sólo un brillo en los ojos del físico con mayor mentalidad empresarial del momento.
La principal cuestión sigue siendo conseguir que los sistemas cuánticos permanezcan en un estado cuántico cuando crezcan. Quach cree que se podrían utilizar baterías cuánticas como fuente de energía móvil en teléfonos y automóviles, pero muchos sistemas cuánticos actualmente necesitan condiciones muy frías y silenciosas para permanecer así ( además, la instalación experimental de Quach en 2022 operó a temperatura ambiente). No es para desmoralizarlo, querido lector, pero fusión nuclear Probablemente esté más cerca de la realidad que las baterías cuánticas en nuestros dispositivos.
Aunque muchos periodistas escépticos detestan admitirlo, a mí me encantaría comerme mis palabras. Lo único mejor que tener razón es encontrar en el mundo un lugar mejor a costa de equivocarse. Las baterías cuánticas podrían cargarse más rápido y más eficientemente que los dispositivos clásicos, y podría integrarse con tecnologías cuánticas en ciernes que se utilizan para simulaciones y mediciones elevadas. Aún no se ha demostrado una batería cuántica completamente operativa , pero, según el reciente coloquio, dicha tecnología podría revolucionar la forma en que cosechamos, entregamos y controlamos la energía. dependencia de la electricidad, Al almacenamiento de energía le vendría bien un salto cuántico.
