Forskere fra Australien har netop fremvist en banebrydende prototype på et batteri, som kan fyldes med energi ved hjælp af en laserstråle. Det sker nærmest øjeblikkeligt og helt uden brug af ledninger. Selvom det lyder som noget direkte fra en science fiction-film, er der tale om et fuldt ud virkeligt eksperiment.
Et samarbejde mellem forskere fra CSIRO, University of Melbourne og RMIT har ført til præsentationen af verdens første fungerende kvantebatteri i laboratoriet. Frem for at forlade sig på langsommelige kemiske reaktioner, udnytter denne opfindelse avancerede fænomener fra kvantefysikkens verden til at absorbere lysenergi i et enkelt, lynhurtigt forløb.
Hvorfor er dette så afgørende? Konventionelle lithium-ion-batterier er bundet af strenge fysiske begrænsninger. Her foregår opladningen ved, at ioner langsomt vandrer gennem materialet, hvilket typisk tager alt fra halve til hele timer. Det nye australske koncept omgår fuldstændig denne flaskehals ved hjælp af kvantemekanik, og resultaterne er for nylig blevet anerkendt i et førende videnskabeligt tidsskrift med fokus på fotonik.
Et massivt gennembrud i laboratoriet
Hele projektet er vokset frem under den nationale forskningsenhed CSIRO i et tæt parløb med to prominente universiteter i Melbourne. Den absolutte hovedambition har været at skabe et energilager, der slet ikke er underlagt de samme træge processer som klassiske battericeller. I denne helt særlige kvanteprototype bliver energien overført direkte via laserlys, hvilket eliminerer ethvert behov for irriterende kabler.
Selve opladningsfasen er overstået på under et sekund. Faktisk foregår det hele på en tidsskaler, der måles i femtosekunder – det vil sige milliontedele af en milliardtedel af et sekund. Systemet fyldes ikke gradvist op skridt for skridt. I stedet sluger enheden hele lysenergien i én samlet, koordineret bevægelse, hvilket reducerer tidsforbruget dramatisk.
For at kunne bekræfte denne vilde hastighed gjorde holdet brug af en ultrahurtig laser, som normalt står i det kemiske laboratorium på University of Melbourne. Udstyret gjorde det muligt at overvåge den mikroskopiske brøkdel af et sekund, det tager at oplade, og præcist måle mængden af overført energi.
Mysteriet bag superabsorption
Drivkraften bag den lynhurtige proces kaldes populært for superabsorption. Kernen i dette fænomen er, at batteriets utallige små byggeklodser ikke opererer hver for sig. De fungerer derimod som ét stort, synkroniseret system. Kvantefysikken gør det nemlig muligt at tvinge et materiale ind i en tilstand, hvor det reagerer kollektivt på lyspåvirkning.
Kigger man på et traditionelt batteri, skal hver enkelt lille del kæmpe for at optage strøm. Her forholder det sig stik modsat, da hele den indre struktur forvandles til en massiv antenne, der indfanger fotoner. Jo flere af disse elementer der arbejder i harmoni, desto nemmere suger de laserens energi til sig – og desto hurtigere går opladningen.
Specialisterne hos CSIRO fremhæver især fire unikke egenskaber ved teknologien:
- Energioverførslen er 100 % trådløs og foregår udelukkende via lys.
- Batteriet tager imod strømmen i én enkelt, synkroniseret bølge.
- Den samlede opladningstid er barberet ned til brøkdele af et sekund.
- Den afgørende hemmelighed ligger i kvantesammenfiltringen af materialets indre dele.
Paradokset: Større kapacitet giver hurtigere opladning
Det måske mest fascinerende resultat fra forskningen relaterer sig til opskaleringen af systemet. I vores vante teknologiverden er vi vant til, at et stort batteri naturligvis tager længere tid at fylde end et lille. Men det australske team kan nu bevise den stik modsatte effekt, når man bevæger sig ind i kvanteuniverset.
Når man skalerer det fysiske omfang op, stiger tidsforbruget ikke – det falder derimod. En forøgelse af aktive partikler forstærker simpelthen den kollektive sugeevne, så laserenergien slibes endnu hurtigere ind. Det strider mod al logik for en almindelig ingeniør, men det er den skinbarlige sandhed for dette nye koncept.
Dykker man ned i teorien, giver det faktisk rigtig god mening. Når et større antal molekyler bindes sammen i nøjagtig samme tilstand, bliver deres fælles reaktion på lyskilden markant voldsommere. Denne ulogiske egenskab skiller kvantebatterierne stærkt ud fra alt, hvad vi hidtil har kendt til inden for energilagring.
Hvad betyder det for fremtidens elbiler og gadgets?
Folkene bag opdagelsen lægger ikke skjul på, at de drømmer stort. De kigger allerede sultent mod bilindustrien, markedet for forbrugerelektronik og de massive systemer, der balancerer vores elnet. Visionen er til at tage og føle på: En elbil triller ind på en station, rammes af et kraftigt lysglimt i få sekunder, og ruller videre med fuld rækkevidde.
Samtidig åbner trådløs fjernopladning op for vilde scenarier hjemme i stuen. Forestil dig en lille, usynlig sender i loftet, som automatisk fylder strøm på din smartphone, din bærbar og dine høretelefoner i det sekund, batteriniveauet falder. Vores elskede enheder vil reelt set aldrig løbe tør for strøm på de forkerte tidspunkter igen.
Allerede i dag viser tunge aktører inden for energi- og transportsektoren stor interesse for denne form for ekstremt hurtig lagring. Hvis man på sigt kan koble teknologien sammen med vedvarende energikilder som sol- og vindkraft, kan det afhjælpe voldsomme udsving i forsyningsnettet. Og for bilproducenterne ville man endelig kunne aflive den evige rækkeviddeangst og de timelange pauser ved ladestanderne.
Vejen fra laboratoriet til virkeligheden
Man må dog slå koldt vand i blodet og huske, at vi befinder os på forsøgsstadiet. Det eksisterende setup har en meget beskeden kapacitet og tjener primært det formål at bevise, at kvantefysiske principper rent faktisk kan omsættes til virkelighed. Forskningen har slået fast med syvtommersøm, at superabsorption ikke blot er et luftigt teoretisk begreb.
Inden vi ser teknologien på butikshylderne, skal en række fundamentale udfordringer løses. Det gælder alt fra at øge selve kapaciteten, fastholde energien i længere tid ad gangen, minimere tab og ikke mindst opbygge en forsvarlig infrastruktur til at skyde stærk lysenergi gennem luften. Hver eneste af disse knaster kræver årevis af dedikeret udviklingsarbejde.
Sikkerheden er nemlig det helt store spørgsmålstegn midt i de farverige fremtidsvisioner. At transportere massive mængder energi frit gennem luften kræver benhårde sikkerhedsprocedurer. Udover faren for mennesker er der også en overhængende risiko for, at stærke lasere forstyrrer følsomme sensorer og optisk udstyr i omgivelserne. Eksperterne på University of Melbourne er dog allerede i fuld gang med at undersøge løsninger på netop disse udfordringer.
Fremtidens mest lovende energiløsning
I sidste ende handler det om komfort for den gennemsnitlige forbruger. Når teknologien engang bliver voksen, vil den forandre vores hverdag lige så radikalt, som da trådløse ladere i sin tid kom frem. Forskellen er bare, at vi her taler om hastigheder, der får nutidens kvikladere til at ligne snegle.
Den australske opfindelse beviser i al sin enkelthed, at denne udvikling ikke er ren fiktion. Spørgsmålet er i virkeligheden ikke længere, om kvantebatterierne bliver en realitet, men derimod hvornår vi får glæde af dem i vores indkøbsposer og garager. Til den tid vil vi med garanti ryste på hovedet over, at vi engang brugte timer på at lede desperat efter en ledig stikkontakt.
