Az elektromos autók kvantumtöltése olyan gyors, mint a tankolás
Az emberi civilizációnak elkerülhetetlenül a megújuló energiák felé kell fordulnia, figyelembe véve az emberiség folyamatosan növekvő energiaigényét és a fosszilis tüzelőanyagok véges természetét. Ezért sok kutatást folytattak alternatív energiaforrások kifejlesztése érdekében, amelyek többsége a villamos energiát használja fő energiahordozóként.
A megújuló energiaforrásokkal kapcsolatos kiterjedt kutatásokat és fejlesztéseket 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 még 10 évvel ezelőtt is alig lehetett látni az utakon, mostanra évente több millió elektromos autót adnak el.
Az elektromos autók piaca 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 autókhoz 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 akkumulátorok lassú töltési sebességével. Jelenleg az autóknak körülbelül 10 órába telik, amíg otthon teljesen feltöltődnek. Még a töltőállomások leggyorsabb feltöltőinek 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 „kvantum akkumulátor” koncepcióját először Alicki és Fannes 2012-ben publikált alapvető tanulmánya javasolta. Az elmélet szerint a kvantumerőforrások, például az összefonódás, felhasználhatók az akkumulátor töltési folyamatának nagymértékben felgyorsítására azáltal, hogy egyidejűleg töltik fel az összes cellát kollektív módon.
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. Ennek a kollektív töltésnek az előnye a párhuzamos töltéssel szemben a „kvantumtöltési előnynek” nevezett aránnyal mérhető.
Később, 2017 körül észrevették, hogy e kvantumelőny mögött két lehetséges forrás állhat. „Globális művelet” (amelyben az összes cella egyidejűleg beszél az összes többivel, azaz „mind egy asztalnál ül”) és „all-to-all csatolás” (minden cella tud beszélni egyenként bármelyik másikkal, „sok beszélgetés, 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 folyóiratban megjelent cikk bemutatta, hogy a kvantumelemek esetében az all-to-all csatolás irreleváns, és hogy a globális műveletek jelenléte az egyetlen összetevő a kvantumelőnyben. A csoport továbbment, 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 vettek figyelembe, amelynek akkumulátora körülbelül 200 cellát tartalmaz. Ennek a kvantumtöltésnek az alkalmazása 200-szoros gyorsulást eredményezne a klasszikus akkumulátorokhoz képest, ami azt jelenti, hogy az otthoni töltési idő 10 óráról körülbelül három percre csökkenne. A nagy sebességű töltőállomásokon a töltési idő 30 percről másodpercekre csökkenne.
A kutatók szerint a következmények messzemenőek lehetnek, és a kvantumtöltés következményei jóval túlmutatnak az elektromos autókon és a fogyasztói elektronikán. Például kulcsfontosságú felhasználásra találhat a jövőbeni 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 finanszírozókat, hogy további beruházásokat tegyenek ezekbe a technológiákba. Úgy gondolják, hogy ezeknek a kvantumelemeknek az alkalmazása teljes mértékben forradalmasítaná az energiafelhasználásunkat, és egy lépéssel közelebb vinnének fenntartható jövőnkhöz.
Forrás: The Brighter Side
https://www.thebrighterside.news/post/quantum-charging-electric-cars-as-fast-as-pumping-gas
