Modern akü 224 yıllık tarihinde çok yol kat etti. Alessandro Volta’nın metal disk ve tuzlu suyla ıslatılmış kumaş yığınlarının yerine artık yeniden şarj edilmeden günlerce dayanabilen graham kraker boyutlarında pillerimiz var.
Peki şu anda piyasada bulunan cihazların tavanı nedir? Bu tavanı aşmak için ne tür teknik zorlukların üstesinden gelinmesi gerekiyor ve bu engeller ne zaman aşılacak? Enerji depolamanın geleceği nedir?
Dünya çapında bir avuç bilim insanı bir cevap üzerinde çalışıyor: yükü tutmak için klasik fizik yerine kuantum fiziği yasalarını kullanan bir pil teknolojisi. Çok çok uzun bir yol ama Roma bir günde inşa edilmedi ve kesinlikle bir günde çalıştırılmadı.
Temel, sevilen pil
Pil, elektrik enerjisi üretmek için kimyasal reaksiyonları kullanan bir teknoloji parçasıdır. Ev tipi piller, elektronların bir devre üzerinden akışı yoluyla elektrik enerjisi üretir. Yüzyıllar boyunca farklı pil hücreleri geliştirildi; Benjamin Franklin’in “elektrikli pil” terimini icat ettiği düşünülüyor. 1749 mektubuElektriğin mucizelerine dair eğlenceli bir sözle bitiriyordu:
Yemeklerimiz için bir Türk Elektrik Çarpmasıyla öldürülecek; ve Elektrikli Şişe tarafından yakılan Ateşin önünde elektrikli Kriko tarafından kavrulur; İngiltere, Fransa ve Almanya’daki tüm Ünlü Elektrikçilerin Sağlıkları, Elektrikli Aküden Silahların Deşarjı Altında Elektrikli Tamponlarda İçilecek.
Çoğunlukla çeşitli asitlerin ve metallerin kimyasal reaksiyonlarını kullanarak onları geliştiren bilim adamlarının adını taşıyan birkaç farklı pil hücresini hızla ileri sardık ve 1859’da kurşun-asit pilini elde ettik; sistemdeki akımı ters çevirerek yeniden şarj etme kapasitesine sahip ilk pil. . 20. yüzyılın sonlarında, lityum iyon pil moda oldu ve lityumun diğer metaller ve fosfatlarla birleştirilmiş farklı permütasyonlarının kullanılmasıyla o zamandan beri popülerliğini korudu. Ancak modern pilin tarihi boyunca, elektrik gücünü oluşturan kimyasal reaksiyonun temel prensibi değişmedi.
Tamam, pili unut. ‘Kuantum’ da ne demek?
Kuantum fiziğini genel hatlarıyla hızlıca gözden geçirelim. Kuantum hallerindeki parçacıklar, bulutlardaki sudan damarlarınızda dolaşan kan damarlarına kadar etrafınızda gördüğünüz her şeyden tamamen farklı kurallar dizisi altında çalışır. Parçacıklar aşırı koşullar altında kuantum hallerine girerler: çok soğuk sıcaklıklar ve vakumlar. Bu koşullarda parçacıklar aynı anda birden fazla şey gibi davranabilir ve bu da onları karmaşık matematiksel işlemler gibi şeylerde kullanışlı hale getirir (kuantum bilgisayarın yaptığı gibi) ve olup olmadığını kontrol etmek zaman yolculuğu (bir bakıma) mümkündür.
Kuantum sistemleri de sergileyebilir dolaşmaiki veya daha fazla kuantum parçacığının birbirinin özelliklerini tanımladığı bir olgudur. Kuantum bilgisayarlardaBir dizideki atomlar, sıradan bir bilgisayardaki bitlerin yaptığı gibi, belirli bir işlem için gerekli bilgileri taşır. Bu atomlar kuantum bitleri veya kübitlerdir.
Ancak kuantum operasyonları hassastır. Kuantum sistemindeki herhangi bir değer kesinleştiği anda operasyon çöker. Tüm sistem (örneğin bir dizideki atomlar) daha sonra klasik duruma geri döner.
Kuantum durumları uzun süre devam edebilir. Zaman kristallerini ele alalım, önce maddenin durumunu 2012’de önerildi bu yılın başında fizikçiler bunun mümkün olduğunu gösterdi en az 40 dakika devam edinbilinen diğer kristallerden yaklaşık 10 milyon kat daha uzundur. Bu kristaller kuantum pillerden çok uzaktadır ancak bazı kuantum sistemlerinin normalde ne kadar geçici olduğunu gösterir; bu, eğer güç için bu tür rejimlere güveneceksek çözmemiz gereken önemli bir konudur.
Peki, kuantum mekaniğinin kuralları, yeniden şarj ettiğinizde bu makaleyi ve belki de bundan sonra daha fazlasını okumaya devam etmenizi sağlayan teknoloji olan bataryaya nasıl uygulanır?
Şu anda hayal edildiği gibi kuantum piller
Normal piller gibi kuantum piller de -sanıldığı gibi- enerji depoluyor. Ancak benzerliklerin bittiği yer burasıdır. Bir pilin depolanan enerjisini hem şarj eden hem de tüketen kimyasal reaksiyonların aksine, kuantum piller, pili ve kaynağını daha yakından bağlayan kuantum dolaşma veya davranışlarla çalıştırılır.
Güney Kore’deki Seul Ulusal Üniversitesi’nde kuantum araştırmacısı olan Ju-Yeon Gym, Gizmodo’ya gönderdiği bir e-postada, “Kuantum pilleri, büyük bir kuantum pili gibi davranan birçok kuantum hücresinden oluşuyor” dedi. “Zorluk, kuantum özelliklerinin uzun süre nasıl korunacağıdır.”
Kuantum bilgisayarlarla aynı özellikler kuantum piller için de geçerli olduğundan, teknolojinin araştırma ortamlarının dışında bir gerçeklik haline geldiğini görmek için büyük bir teknik zorluğun aşılması gerekiyor: Fizikçiler, kuantum sistemlerini en dikkatli yönetilen durumların dışında, hassas durumlarında nasıl tutabileceklerini bulmalılar. araştırma ayarları. A oda sıcaklığında süper iletken çok büyük bir kâse olurdu, ama bu günlerde tek böyle bir keşif olduğunu iddia eden insanlar onların işi vardı aylar içinde çürütüldü.
Beş bilim adamından oluşan bir ekip, yakın zamanda kuantum pilleri üzerine düzenlenen bir konferansta “Dengedeki termodinamik, enerjinin ısıya ve işe ne kadar hızlı dönüştüğü konusunda sınır koymaz” diye yazdı. barındırılan ön baskı sunucusu arXiv’de. “Bu nedenle dengeden çıkan kuantum sistemlerinde termodinamik kuantum avantajlarını aramak doğal görünüyor.”
Grup, kuantum dolaşıklığın, enerjinin çok cisimli kuantum sistemlerinde ne kadar hızlı depolanabileceğiyle bağlantılı olduğunu belirtti; bu keşif, kuantum sistemlerinin enerji depolama cihazları olarak araştırılmasına yol açtı.
2018 yılında bir ekip, katı hal mimarisinde var olduğu öne sürülen ilk pil olan Dicke kuantum pilini modelledi ve 2022’deBir ekip, bir hedef, aynalar ve lazer ışığı kullanarak laboratuvar ortamında kuantum pil için temel bir çerçeveyi test etti.
Son deneyler sorunun etrafından dolaşıyor
Geçen yılın sonlarında, kuantum araştırmacılarından oluşan bir ekip, kuantum pillerinin belirsiz bir nedensel sırayla şarj edilebileceği bir sistem veya ICO önerdi. Bulguları…yayınlanan içinde Fiziksel İnceleme Mektupları—ICO’lu bir şarj sisteminin geleneksel şarj protokollerinden daha iyi performans gösterebileceğini öne sürdü.
Tokyo Üniversitesi’nden araştırmacı ve araştırmanın baş yazarı Yuanbo Chen, “Kabaca konuşursak, ICO, standart kuantum teorisinde mümkün olmayan, nedensel sıranın kesin veya sabit olması gereken kuantum süreçlerini oluşturmak için kullanılabilir” dedi. , Gizmodo’ya gönderilen bir e-postada. “Bu esneklik, bazıları avantajlı ve ilginç özellikler gösterebilen daha çeşitli kuantum süreçlerine olanak tanıyor.”
“Hem sistemde depolanan enerjide hem de termal verimlilikte büyük kazanımlar gördük. Ve biraz mantığa aykırı bir şekilde, beklediğinizin tersi olan bir etkileşimin şaşırtıcı etkisini keşfettik: Daha düşük güçlü bir şarj cihazı, aynı cihazı kullanan nispeten daha yüksek güçlü bir şarj cihazından daha yüksek verimlilikle daha yüksek enerjiler sağlayabilir,” Chen o zaman söyledi.
Kuantum pil sistemlerinin farklı deney düzenekleri (hem önerilen hem de gerçekleştirilen), bu tür fütüristik bir teknolojinin tasarımında yenilik yapmanın farklı yolları olduğu anlamına gelir. Geçen ay Gdansk Üniversitesi ve Calgary Üniversitesi’nden bir ekip önerilen Pilde depolanan enerji miktarını en üst düzeye çıkarırken şarj işlemi sırasında dağılan (veya kaybolan) enerji miktarını en aza indiren bir kuantum pil şarj sistemi. Takımın yeniden tasarımının bir kısmı, kuantum pilinin ve şarj cihazının aynı rezervuara bağlanması ve bu sayede ikisi arasındaki enerji aktarımının verimliliğini artıran girişim benzeri bir model oluşturmasıdır. Ekip, pilin yeni şarj işlemiyle geleneksel şarj cihazına kıyasla dört kat daha fazla enerji depolayabildiğini tahmin ediyor.
Avustralya’daki Adelaide Üniversitesi’nden kuantum araştırmacısı James Quach, bir e-postada şunları söyledi: “Kuantum pilleri, moleküllerin veya atomların birlikte hareket ettiği bir dalga gibi davranırken, geleneksel pillerde moleküller veya atomlar, daha çok bireysel parçacıklar gibi hareket eder.” Gizmodo’ya. “Bu kolektif davranış, kuantum pillerin süper kapsamlı şarj özelliklerinin temelini oluşturan şeydir; daha büyük kapasiteli kuantum pilleri şarj etmek daha az zaman alır.”
2022’deQuach liderliğindeki bir ekip, Lumogen-F turuncu adı verilen moleküler boyayı küçük bir boşluğa koyarak kuantum pilinin temel çerçevesini test etti ve ışık fotonları tarafından iletilen enerjiyi nasıl depoladığını görmek için ona ışık atımları yaptı. Ekip, sistemin oldukça hızlı şarj olduğunu ve daha büyük sistemlerin genellikle daha hızlı şarj olması gerektiğini buldu.
Quach, “Şu anda nano ila milisaniyeler boyunca yaklaşık bir mikrojoule enerji depolayan bir kuantum pilini şarj etmek femto ila pikosaniyeler sürüyor” dedi. “Bu çok uzun bir süre gibi görünmese de, depolama süresi aslında şarj süresinden milyon kat daha uzun. Karşılaştırma yapmak gerekirse bu, şarj edilmesi birkaç dakika süren ve şarjını yüzlerce yıl tutabilen geleneksel bir bataryaya eşdeğer olacaktır.”
Gibi tarafından rapor edildi Yeni Bilim AdamıBazı fizikçiler kuantum pilinin şarj süresinin sistemdeki kübit sayısıyla ters orantılı olduğunu öne sürüyor; yani pil ne kadar büyük olursa o kadar hızlı şarj olur.
Peki…kuantum pilini ne zaman alabilirim?
Kuantum pil araştırması ivme kazanıyor ancak henüz emekleme aşamasında. Vaatleri dikkat çekici olsa da teknolojinin nihai tasarımının ne olacağı açık bir soru olmaya devam ediyor. Ticarileştirme mi? Bu, şu anda en iş odaklı fizikçinin gözünde sadece bir parıltı.
Temel sorun, kuantum sistemlerinin ölçeklendikleri zaman kuantum durumunda kalmasını sağlamak olmaya devam ediyor. Quach, kuantum pillerin telefonlarda ve arabalarda mobil enerji kaynağı olarak kullanılabileceğine inanıyor, ancak birçok kuantum sisteminin bu şekilde kalabilmesi için şu anda çok soğuk, gürültüsüz koşullara ihtiyacı var (bir yana, Quach’un 2022 deney düzeneği oda sıcaklığında çalıştırıldı). Sevgili okuyucu, moralinizi bozmak istemem ama nükleer füzyon muhtemelen gerçekliğe cihazlarımızdaki kuantum pillerden daha yakındır.
Pek çok şüpheci muhabir bunu itiraf etmekten nefret etse de, ben sözlerimi yemeyi çok isterim. Haklı olmaktan daha iyi olan tek şey, haksız olmak pahasına dünyayı daha iyi bir yer bulmaktır. Kuantum piller, klasik cihazlardan daha hızlı ve daha verimli bir şekilde şarj edilebilir ve ileri düzey simülasyonlar ve ölçümler için kullanılan yeni gelişen kuantum teknolojileriyle entegre olabilir. Tamamen işlevsel bir kuantum pili henüz kanıtlanmadı, ancak son toplantıya göre böyle bir teknoloji, enerjiyi toplama, dağıtma ve kontrol etme şeklimizde devrim yaratabilir. İnsanlığın bariz olduğu göz önüne alındığında elektriğe bağımlılıkenerji depolamada kuantum sıçraması gerekebilir.
Daha fazla: Fizikçiler Fibonacci Dizisiyle Patlatarak Çalıştıracak Bir Kuantum Bilgisayarı Elde Ettiler