Immagine - 1 - Il laboratorio a contaminazione controllata dove i ricercatori hanno implementato il prototipo di batteria quantistica Credit: CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation).
Introduzione
Cosa ti viene in mente quando immagini una ricarica veloce? Smartphone che passano da 0 a 100% in pochi minuti? O magari auto elettriche che accumulano 100 km di autonomia in meno di un’ora?
Un gruppo di ricercatori ha realizzato una batteria quantistica sperimentale che si ricarica un milione di volte più velocemente di quanto si scarichi attraverso l’utilizzo di un laser.
Per molti anni, il concetto di batteria quantistica, che usa i principi della meccanica quantistica per immagazzinare energia, è rimasto un argomento solo teorico soprattutto a causa della complessità e dell’imprevedibilità della tecnologia quantistica.
Recentemente un gruppo di ricercatori composto da scienziati dell’Agenzia Spaziale Australiana, del CSIRO, dell’Università RMIT e dell’Università di Melbourne ha implementato il primo prototipo di batteria quantistica al mondo a ricarica wireless tramite un laser.
Il nuovo prototipo, ancora molto lontano dall'essere impiegato in applicazioni pratiche, ha impiegato femtosecondi (quadrilionesimi di secondo) per caricarsi e immagazzinare l'energia per alcuni nanosecondi.
In parole semplici il tempo per caricare la batteria è stato infinitamente più basso rispetto a quello impiegato per scaricarla, un milione di volte in meno.
Per analogia è come se la batteria di un telefono impiegasse 30 minuti per arrivare a carica completa e poi oltre 100 anni per scaricarsi. Oppure un altro esempio che potremmo fare è quello di una batteria che si carica in un secondo e impiega 11 giorni per scaricarsi.
Immagine 2 - La prima batteria quantistica completamente funzionante al mondo, realizzata come prototipo dai ricercatori del CSIRO, dell'Università di Melbourne e del RMIT (Royal Melbourne Institute of Technology).
«Si tratta del primo prototipo che replica il ciclo completo di una batteria. In altre parole, la carichi, conservi l’energia e poi la scarichi» scrive il dott. James Quach coordinatore del gruppo di ricercatori che stanno implementando le batterie quantistiche al CSIRO.
Prima di entusiasmarci troppo è importante sottolineare che ciò di cui parlando rappresenta ancora il primissimo stadio di sviluppo della tecnologia delle batterie quantistiche. L'attuale prototipo ha una capacità di soli pochi miliardi di elettronvolt, appena sufficiente a far funzionare qualcosa. Può sembrare un valore molto grande ma, in realtà, 5 miliardi di elettronvolt rappresentano l'energia impiegata da una zanzara per effettuare un breve volo.
Nonostante questa opportuna precisazione l’aver realizzato un prototipo funzionante rappresenta un progresso significativo per il futuro dell'immagazzinamento di energia quantistica.
«La ricerca e il prototipo convalidano l'entusiasmante potenziale delle batterie quantistiche nel riuscire a raggiungere una ricarica rapida e scalabile immagazzinando l’energia a temperatura ambiente, gettando così le basi per soluzioni energetiche di nuova generazione», sostiene Quach.
A differenza delle batterie convenzionali che si basano principalmente su reazioni chimiche per immagazzinare e rilasciare energia, le batterie quantistiche sfruttano proprietà uniche della meccanica quantistica, come la sovrapposizione e l'entanglement.
«Il vantaggio di tale sistema quantistico sta nel fatto che la luce viene assorbita in un singolo enorme “superassorbimento” che carica la batteria più rapidamente» dichiara il Prof. James A. Hutchison, autore principale dello studio.
Generalmente la meccanica quantistica può sembrare una cosa bizzarra e poco chiara. Come in tutte le cose che hanno a che fare con le tecnologie quantistiche il prototipo dei ricercatori mostrava alcune caratteristiche bizzarre. Nelle batterie standard la dimensione è direttamente proporzionale al tempo di ricarica. Ad esempio le piccole batterie negli smartphone si caricano completamente in poche ore mentre quelle utilizzate nei veicoli elettrici richiedono tendenzialmente tutta la notte per caricarsi. Le batterie quantistiche invece fanno esattamente l'opposto.
«Le batterie quantistiche hanno questa proprietà davvero strana per cui più sono grandi meno tempo impiegano per caricarsi», scrive Quach. «La causa di questo comportamento è dovuta a una caratteristica nota come “effetti collettivi”: le celle quantistiche si caricano più rapidamente quando ci sono più celle coinvolte.»
Senza esagerare possiamo affermare che il potenziale di questa ricerca è straordinario.
In futuro queste batterie potrebbero diventare di uso comune e alimentare computer quantistici o semplici dispositivi elettronici. Ricaricare lo smartphone in un batter d’occhio potrebbe diventare realtà.
I ricercatori ipotizzano scenari in cui sarà possibile caricare un drone mentre è ancora in volo con i laser e inoltre ritengono che la tecnologia ha il potenziale di "rivoluzionare l'industria delle auto elettriche". Ricaricare completamente un auto elettrica sarebbe molto più veloce rispetto al fare il pieno di un’automobile a benzina.
Infatti, come nell’esempio dei droni, le automobili non dovrebbero fermarsi affatto. Cionostante, tutto questo è uno scenario ipotetico ancora molto lontano.
I ricercatori invece sono d'accordo su uno scenario realistico più probabile, sistemi di accumulo di energia quantistica per alimentare computer quantistici.
Scenari futuri
«C’è ancora molto lavoro di ricerca da fare sulle batterie quantistiche tuttavia ritengo che abbiamo compiuto un passo in avanti concreto» sostiene il dott. Quach. «Il prossimo ostacolo da superare nelle batterie quantistiche è quello di riuscire ad estendere il tempo di accumulo dell’energia. Se riusciremo a superare tale difficoltà ci avvicineremo sempre di più alla realizzazione di batterie quantistiche commercialmente praticabili».
Riferimenti
Lo studio “Superextensive electrical power from a quantum battery” è stato pubblicato sulla rivista Nature
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