Kvantinės baterijos: keista technologija, galinti suteikti galią akimirksniu

Kaip pastebėjo komikas Demetri Martin, mes personifikuojame baterijas. „Kiti daiktai nustoja veikti ar sulūžta. Bet baterijos – miršta.“ Šis pastebėjimas įdomesnis, nei atrodo iš pirmo žvilgsnio. Kai kas esame taip priklausomi nuo išmaniųjų telefonų, planšečių ir kitų skaitmeninių technologijų, kad išsekus jų baterijoms, gyvenimas praktiškai sustoja. Kone apraudame įkrovimui praleistą pusvalandį.

Jei tokia reakcija kelia šypseną, yra ir rimta šio reikalo pusė, susijusi su elektromobilių baterijomis. Kadangi jų įkrovimas įprastai trunka ne vieną valandą, tai trukdo dekarbonizuoti transportą, kuris yra vienas iš didžiausių šiltnamio efektą sukeliančių dujų emitentų. Žmonijos labui, įkrovos laiką būtina sutrumpinti. Tačiau palikus baterijų mokslo pagrindus tokius, kokie jie buvo ir prieš pusę amžiaus, drastiško pagerėjimo perspektyva, švelniai tariant, miglota.

Miglota, bet įmanoma. Pagelbėti gali kvantinė mechanika. Panaudojant keistas subatominių dalelių savybes, kvantinė baterija galėtų būti įkraunama daug greičiau, nei bet koks kitas įtaisas. O kas dar maloniau, kuo didesnė kvantinė baterija, tuo geriau ji veikia. Nors pati koncepcija dar nesubrendusi, nauji eksperimentiniai duomenys ir teorinė pažanga leidžia tikėtis, kad nenutrūkstamai veikianti portabili galia nėra tokia jau neįgyvendinama svaja. Vieną dieną, mirusios baterijos gali akimirksniu atgyti.

Techniniu požiūriu, baterija yra bet kas, galintis išlaikyti energiją, nuo prisukamos spyruoklės vaikų žaisluose iki upės užtvankos. Tačiau dauguma mūsų šį žodį sieja su elektrocheminėmis baterijomis, nuo vienkartinių, iš TV distancinio pultelio, iki įkraunamų išmaniuosiuose prietaisuose ir elektromobiliuose, dviračiuose ir paspirtukuose. Įkrautose elektrocheminėse baterijose elektronai ir jonai yra atskirti nuo juos traukiančių elektrodų ir taip kaupia energiją. Įjungus baterija maitinamą prietaisą – t．y., sujungus baterijos elektrodus – ir krūvį turinčios dalelės gali judėti, išlaisvindamos savo sukauptą elektros energiją.

Ličio jono limitai

Dabar paplitusios ličio jonų baterijos, savo kūrėjams, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham ir Akira Yoshino, laimėjo Nobelio chemijos srities premiją 2019 m., savo santykinai didele talpa ir ilgaamžiškumu. Be to, jos įkraunamos greičiau nei konkurentai, nors ir nedaug. Įkraunant ličio jonų elementą pernelyg greitai, ličio jonai neatplėšiamai prisitvirtina prie teigiamo elektrodo, baterijos talpa mažėja ir laikui bėgant, ji gali netgi tapti sprogi. Dėl to, esamą ličio jonų akumuliatorių technologiją naudojančių elektromobilių įkrovimas tikriausiai visada truks gerokai ilgiau, nei automobilio bako užpildymas benzinu ar dyzelinu.

Tokie praktiniai klausimai nebuvo prioritetiniai, kai Robertas Alickis Gdańsko universitete Lenkijoje ir Markas Fannesas KU Leuven Belgijoje kiek mažiau nei prieš dešimtmetį pirmą kartą pasiūlė kvantinės baterijos koncepciją. Kaip fizikos teoretikus, juos domino, ar bazinė tokios baterijos koncepcija galėtų padėti išsiaiškinti didesnį, kelioms fizikų kartoms ramybės neduodantį klausimą: kodėl mažų izoliuotų dalelių rinkinių savybės taip skiriasi nuo elgesio matomų kasdienių daiktų, kurie tėra didesni tų pačių dalelių telkiniai? Fizikų požiūriu, yra keistas perėjimas tarp labai mažų dalelių „kvantinio“ pasaulio ir įprasto dydžio „klasikinio“.

Kvantinis pasaulis yra efemeriškas iš prigimties. Nematoma – tiksliau tariant, nestebima jokiomis priemonėmis – dalelė praranda apibrėžtas savybes. Ji yra superpozicijoje, tuo pat metu yra visose vietose, visose būsenose. Ji gali sutartinai veikti su kitomis izoliuotomis dalelėmis, šios būsenos iš karto veikdama kitas daleles, kad ir kaip toli jos būtų, ir šis reiškinys vadinamas susietumu.

Kvantinė termodinamika

Baterijas kuriantys mokslininkai įprastai tokiomis įmantrybėmis galvos sau nekvaršina. Įprastinėse baterijose perkeliama 10 milijardų milijardų elektronų ar daugiau, o tai yra labai toli nuo fizikinio mažo dalelių skaičiaus apibūdinimo. Baterijomis užsiimantiems mokslininkams užtenka klasikinės, apčiuopiamas didelio masto savybes – šilumą, energiją, darbą – aprašančios teorijos. Ir ši teorija istoriškai buvo termodinamika.

Termodinamika galima neprilygstamai aprašyti variklių, šilumos siurblių, boilerių ir panašių galios šaltinių veikimą. Ji netgi pasitarnavo daug egzotiškesnių objektų tyrimui – nuo juodųjų bedugnių iki pačios visatos. Jos sėkmės raktas – nejautrumas individualių dalelių nuotaikoms. Daugumoje praktinių sistemų dalelių daug, tad, termodinamikai pakanka aprašyti vidurkius. Tačiau pastaruoju metu teoretikai ėmė kabinėtis prie šios prielaidos. Ar termodinamikos dėsniai galioja individualioms dalelėms su jų kvantinėmis keistenybėmis? Ar šis atsakymas galėtų nušviesti tiltą tarp kvantinio ir klasikinio pasaulio? Nėra geresnio būdo atsakyti į šį klausimą, nei sukūrus prietaisą, galintį laikinai laikyti didelį ar mažą energijos kiekį. Alickiui ir Fannesui tokia baterija būtų potencialus atsakymo į tokius klausimus paieškų poligonas – jie ėmėsi kurti kvantinėms taisyklėms paklūstančią bateriją.

Susietumo nauda

Iš esmės, kvantinė baterija nuo įprastos nedaug kuo skiriasi. Ji sudaryta iš „dalyko“, kuris norėtų būti žemos energijos lygyje, kaip vanduo prie užtvankos pagrindo, bet kurį galima pakelti į aukštos energijos lygį, kol jo galios kam nors prisireiks. Kvantinėje baterijoje tas dalykas sudarytas iš kvantinių bitų – „kubitų“. Tai gali būti bet kas, galintis būti dviejų būsenų superpozicijoje, pavyzdžiui, elektronai, jonai, molekulės ar šviesos pulsai. Teoriniu požiūriu, nesvarbu, iš ko sudaryti kubitai, tačiau praktiniu požiūriu, jais turi būti įmanoma tiksliai manipuliuoti, kad būtų galima sukurti kvantinį susietumą – šiuo atveju, neatskiriamą ryšį bent tarp dviejų kubitų. 2013 metais Alickis ir Fannesas suskaičiavo, kad kuo daugiau kubitų susieti, tuo daugiau energijos iš kvantinės baterijos galima išgauti – jos kiekis artėja prie termodinaminės ribos. Kitaip tariant, jie atrado, kad susietumas baterijos talpą didina iki klasikiniu požiūriu maksimaliai įmanomos talpos.

Toks pranašumo prieš klasikines baterijas nebuvimas gali pasirodyti nuviliantis. Nepaisant, atrodytų, nerealios kvantinės fizikos prigimties, jos principais paremtos baterijos talpa tebepaklūsta tam pačiam apribojimui, kaip ir bet kokia kita baterija. „Termodinamika nėra nei kvantinė, nei klasikinė,“ sako Alickis. „Ji atlieka savotišką fizikos teorijų cenzūrą.“ Išties, kvantinei fizikai gali nepavykti padidinti termodinamikos limitą, kaip Alickis ir Fannesas manė, kad įmanoma. Vėliau 2013 m., Karen Hovhannisyan Fotonikos mokslų ICFO-Institute Barselonoje, Ispanijoje, ir kiti parodė, kad tiek pat energijos galima išgauti iš kvantinės baterijos ir be susietumo, jei tik galima bandyti išgauti kiek norima daug kartų.

Bet Alickio ir Fanneso darbas visgi sukėlė įtarimą, kad nepaisant termodinamikos apribojimų, kvantinės baterijos galėtų būti pranašesnės už klasikines. 2015 m. fizikos teoretikai, tarp kurių ir Kavan Modi iš Monash universitete Viktorijoje, Australijoje, suvokė, kad, nors iš baterijos energijos išgauti daugiau kvantinis susietumas nepadeda, jis gali pagerinti praktiškai turbūt dar svarbesnę savybę: baterijų įkrovimo greitį.

Norint tai suprasti, reikės pasinerti į kvantinio elgesio paslaptis. Kai įkraunama klasikinė baterija, ji turi nukeliauti iš žemos energijos lygio į aukštos energijos lygį. Tai galima įsivaizduoti kaip dviratininką, minantį tiesiu keliu iš A į B. Kuo didesnis skirtumas tarp energijų, tuo ilgesnė kelionė ir krovimo laikas. Tas pats galioja ir kvantinei baterijai su vos vienu kubitu. Bet susiejus antrą kubitą su pirmu, galima nukirsti kampą. Žiūrint iš viršaus, kelionė iš A į B – tiesi linija; bet iš šono matome daugybę kalvų ir slėnių, slapta lėtinančių dviratininko kelionę. Veikdami kartu, du kubitai į aukštos energijos, įkrautą būseną gali keliauti plokštesniu, spartesniu keliu.

Ir tai dar ne viskas. Susiejus trečią kubitą, staiga pasireiškia kitas matmuo, suteikiantis dar spartesnį kelią link pilno įkrovimo. Pridėjus ketvirtą, penktą, šeštą kubitą pradinio kelio netiesumai vis lygėja ir kelionė greitėja. Modi ir jo kolegų skaičiavimais, kvantinės baterijos įkrovos laikas atvirkščiai proporcingas susietų kubitų skaičiui. Kuo didesnė baterija, tuo greičiau ji įkraunama.

Niekas nežino, kaip geriausia interpretuoti šias kvantines aukštesnes dimensijas – ar šios dimensijos fizinės ar reprezentuoja gilesnius dar neatrastos realybės paviršius. Tačiau fizikai apie skaičiavimus su šiomis dimensijomis žino, kad jie veikia. Supergalingi kvantiniai kompiuteriai, supersaugios kvantinės komunikacijos, superjautrūs kvantiniai jutikliai – visose šiose technologijose naudojama panašiai neapčiuopiama aukštesnių dimensijų matematika, ir jų veikimas patvirtintas eksperimentiškai.

Sausio mėnesį, Jamesas Quachas Adelaidės universitete Australijoje su kitais irgi pademonstravo kvantinių baterijų pranašumą. Paremta Italijos technologijos instituto Genujoje dizainu, jų supaprastinta kvantinė baterija buvo iš organinių dažų molekulių – ne tikrų kubitų, nes negalėjo būti visiškai susietos, bet visos identiškos ir galinčios būti aukštos ir žemos energijos būsenos. Eksperimentatoriai molekules patalpino tarp dviejų mažų veidrodžių ir apšvietė jas lazeriu. Rezultatas buvo greita šviesos absorbcija, iš esmės, visos baterijos įkrovimas, kuris gerokai viršijo tai, kas įmanoma, jei kiekviena molekulė šviesą būtų sugėrusi atskirai, be jokio susietumo.

Šio eksperimento įspūdingumas priklauso nuo požiūrio. Ten buvo apie 10 milijardų molekulių, kas yra daug kvantinei sistemai, bet elektros krūvis prilygsta vienai milijardajai AA baterijos krūvio. Kadangi kvantinio įkrovimo pranašumas priklauso nuo sistemos izoliuotumo, teoretikai, tarp kurių ir Alickis bei Modi, abejoja, ar pavyks padidinti ją iki praktinio mastelio. „Mums ši teorija tebuvo įdomus poligonas tyrinėti fundamentalias laiko ir energijos idėjas,“ sako Modi. „Nemanau, kad tai turės kokį nors technologinį pritaikymą. Žinoma, galiu visiškai klysti.“

Pravažiuojamas įkrovimas

Kiti nusiteikę optimistiškiau, pabrėždami, kad izoliacijos problemos aktualios visoms kvantinėms technologijoms, ne tik baterijoms. Balandį Ju-Yeon Gyhm, Dominik Šafránek ir Dario Rosa iš P. Korėjos Bazinių mokslų instituto atliko tolesnius maksimalaus kvantinių baterijų įkrovos greičio teoriniu tyrimus. Jie pažymi, kad energijos tankis, nors santykinai nedidelis, Quacho ir kolegų atliktame eksperimente buvo buvo maždaug ekvivalentiškas automobiliuose naudojamo švino akumuliatoriaus. Iš principo, būsimi kvantiniai akumuliatoriai galėtų būti įkraunami taip greitai, kad ši operacija taptų praktiškai nepastebima. Galima įsivaizduoti, kaip elektromobiliai pervažiuoja krovimo stotelę, kurioje nereikia netgi sustoti. Tačiau tokia ateitis dar gali būti toli. „Gal netgi neišgyvensiu, kad tai pamatyčiau,“ sako Rosa, kuriam savo 40-o gimtadienio dar reikia truputį palaukti.

Tačiau pagalba gali būti po nosimi. Dario Ferraro, fizikos teoretikas iš Genujos universiteto Italijoje, mano, kad pažangą galima pasiekti, panaudojant esančius kvantinius kompiuterius, kuriuose irgi naudojami kubitai ir, kas dar svarbiau, į juos daug investuojama. Balandį jis su kolegomis Genujoje ir CERN dalelių fizikos laboratorijoje netoli Ženevos, parodė, kad IBM kvantinis kompiuteris gali geriau veikti kaip baterija – kvantinius skaičiavimus veikia klaidos, ir kuo daugiau kubitų, tuo klaidas ištaisyti sunkiau, o štai energiją kaupti kubituose tai praktiškai netrukdo. „Kvantiniai kompiuteriai jau dabar ganėtinai geri būti kvantinėmis baterijomis,“ sako Ferraro, gal netgi galėtų energiją tiekti patys sau.

Quachas mato pritaikymą ir netikėtose srityse. Pavyzdžiui, jo grupės atliktas šviesos absorbcijos kvantinio paspartinimo eksperimentas galėtų padidinti fotovoltinių elementų efektyvumą, sako jis. Bet jis nenuleidžia akių ir nuo kvantinių baterijų panaudojimo kaip potencialiai revoliucinės koncepcijos. Nors kvantiniams efektams pasireikšti būtinas izoliavimas apsunkina masto didinimą, jis pažymi, kad tam tikras kontaktų su klasikine aplinka skaičius, vadinamoji dekoherencija, krūvio išlaikymą pagerina, nes neleidžia kvantiniams efektams taip pat greitai iškrauti bateriją. „Reikia derinti,“ sako jis. „Persistengus, įkrovimas baigiasi.“ Grynai praktiniu požiūriu, svarbu kontroliuoti įtampą tarp kvantinio ir klasikinio pasaulio.

Kalbant apie praktiškumą, Quachui su kolegomis darbo nepritrūks. Jų molekulinėje ertmėje tilpo vos vienas fotonas. Norint tą šviesą paversti technologojų naudojama elektra, jiems reikia kažkaip įdiegti laidų sluoksnį, į kurį galėtų įšokti įkrautų molekulių elektronai. Dar reikia virvelės iš daugiau, gal netgi milijardų, molekulių. Ir tuomet, sako jis galbūt turėtų kvantinę bateriją, kurios galios pakaktų įžiebti mažą LED, maždaug tokį, koks švyti, kai TV veikia budėjimo režimu.

Taigi, skubaus klimato krizės sprendimo nebus. Tačiau sklindanti iš kvantinio pasaulio, kurio pribloškiamas veikimas praktiškai niekuomet nematomas, ši švieselė būtų jaudinantis progreso švytėjimas.