A kvantumtöltés olyan gyorssá teszi az elektromos autók töltését, mint a tankolás
Az emberi civilizációnak előbb-utóbb a megújuló energiák felé kell fordulnia. Ez elkerülhetetlen, tekintettel az emberiség folyamatosan növekvő energiaigényére és a fosszilis tüzelőanyagok véges természetére. Ezért sok kutatást folytattak alternatív energiaforrások kifejlesztése érdekében, amelyek többsége villamos energiát használ fő energiahordozóként.
A megújuló energiaforrásokkal kapcsolatos kiterjedt kutatás-fejlesztést fokozatos társadalmi változások kísérték, ahogy a világ új, megújuló energiával működő termékeket és eszközöket fogadott el. Az utóbbi időben a legszembetűnőbb változás az elektromos járművek gyors elterjedése. Míg 10 évvel ezelőtt még alig lehetett látni elektromos autót az utakon, mostanra évente több milliót adnak el. Az elektromos autók piaca jelenleg az egyik leggyorsabban növekvő ágazat.
A hagyományos autókkal ellentétben, amelyek szénhidrogén üzemanyagok elégetésével nyernek energiát, az elektromos járművek akkumulátorokra támaszkodnak energiájuk tárolóeszközeként. Az akkumulátorok energiasűrűsége hosszú ideig sokkal alacsonyabb volt, mint a szénhidrogéneké, ami a korai elektromos járművek nagyon alacsony hatótávolságát eredményezte. Az akkumulátortechnológiák fokozatos fejlesztése azonban végül lehetővé tette, hogy az elektromos autók hatótávolsága elfogadható szinten maradjon a benzinüzemű autókéhoz képest.
Az akkumulátor tárolási technológiájának fejlesztése volt az egyik fő műszaki szűk keresztmetszet, amelyet meg kellett oldani az elektromos járművek jelenlegi forradalmának elindításához.
Az akkumulátortechnológia hatalmas fejlődése ellenére azonban az elektromos járművek fogyasztói manapság egy másik nehézséggel is szembesülnek: az akkumulátor lassú töltési sebességével. Jelenleg az autóknak körülbelül 10 órába telik, amíg otthon teljesen feltöltődnek. Még a töltőállomások leggyorsabb töltőinek is 20-40 percre van szüksége a járművek teljes feltöltéséhez. Ez többletköltségeket és kényelmetlenséget okoz az ügyfelek számára.
A probléma megoldására a tudósok a kvantumfizika rejtélyes területén keresték a választ. Kutatásuk arra a felfedezésre vezetett, hogy a kvantumtechnológiák új mechanizmusokat ígérhetnek az akkumulátorok gyorsabb töltésére.
A „kvantumelem” ilyen koncepcióját először Alicki és Fannes 2012-ben publikált alapvető tanulmánya javasolta. Az elmélet szerint a kvantumerőforrások, például az összefonódás, felhasználhatók az akkumulátor töltési folyamatának nagymértékű felgyorsítására azáltal, hogy az akkumulátor összes celláját egyidejűleg kollektív módon töltik fel.
Ez különösen izgalmas, mivel a modern, nagy kapacitású akkumulátorok számos cellát tartalmazhatnak. Ilyen kollektív töltés nem lehetséges a klasszikus akkumulátorokban, ahol a cellák párhuzamosan, egymástól függetlenül töltődnek. A kollektív töltés párhuzamos töltéssel szembeni előnye a „kvantumtöltési előnynek” nevezett arányban mérhető.
Később, 2017 körül észrevették, hogy e kvantumelőny mögött két lehetséges forrás állhat. „Globális művelet” (amelyben az összes cella egyszerre beszél az összes többivel, azaz „mind egy asztalnál ül”) és „all-to-all csatolás” (minden cella tud beszélni mindegyik másikkal, de „minden beszélgetésnek csak két résztvevője van”). Nem világos azonban, hogy mindkét forrás szükséges-e, és hogy az elérhető töltési sebességnek vannak-e korlátai.
A közelmúltban az Alaptudományi Intézet (IBS) Komplex Rendszerek Elméleti Fizikai Központjának tudósai tovább vizsgálták ezeket a kérdéseket. A Physical Review Letters folyóirat cikke kimutatta, hogy a kvantumelemek esetében az all-to-all csatolás irreleváns, és hogy a globális műveletek jelenléte az egyetlen összetevő a kvantumelőnyben. A csoport tovább ment, hogy meghatározza ennek az előnynek a pontos forrását, miközben kizárt minden más lehetőséget, sőt konkrét módot is kínált az ilyen akkumulátorok tervezésére.
Ezenkívül a csoport pontosan számszerűsíteni tudta, mekkora töltési sebesség érhető el ebben a sémában. Míg a klasszikus akkumulátorokban a maximális töltési sebesség lineárisan növekszik a cellák számával, a tanulmány kimutatta, hogy a globális működést alkalmazó kvantum akkumulátorok négyzetes skálázást tudnak elérni a töltési sebességben.
Ennek szemléltetésére egy tipikus elektromos járművet veszünk figyelembe, amelynek akkumulátora körülbelül 200 cellát tartalmaz. A kvantumtöltésnek az alkalmazása 200-szoros gyorsulást eredményezne a klasszikus akkumulátorokhoz képest, ami azt jelenti, hogy az otthoni töltési idő 10 óráról körülbelül 3 percre csökkenne. A nagy sebességű töltőállomásokon a töltési idő 30 percről másodpercekre csökkenne.
A kutatók szerint a következmények messzemenők lehetnek, és a kvantumtöltés következményei jóval túlmutatnak az elektromos autókon és a fogyasztói elektronikán. Például kulcsfontosságú felhasználásra találhat a jövőbeli fúziós erőművekben, amelyeknek egy pillanat alatt történő feltöltéséhez és kisütéséhez nagy mennyiségű energiára van szükség. Természetesen a kvantumtechnológiák még gyerekcipőben járnak, és hosszú utat kell megtenni ezeknek a módszereknek a gyakorlati megvalósításáig.
Az ehhez hasonló kutatási eredmények azonban ígéretes irányt mutatnak, és arra ösztönözhetik a finanszírozó ügynökségeket és a vállalkozásokat, hogy további beruházásokat hajtsanak végre ezekbe a technológiákba. Alkalmazásukkal a kvantumelemek teljesen forradalmasítanák az energiafelhasználásunkat, és egy lépéssel közelebb vinnének fenntartható jövőnkhöz.
Forrás: The Brighter Side
