Исследователи занимаются разработкой технологии квантовой зарядки аккумуляторов

Новая технология при успешном завершении разработки позволит заряжать электромобили по времени столько же сколько длится заправка бензином. Со стандартных в среднем 10 часов она может сократиться до 3 минут. До настоящего момента было проведено много исследований в сфере альтернативных источников энергии. Они сопровождались внедрением ряда разработок в области возобновляемой энергетики. Появлялись новые продукты, работающие от таких источников. Но быстрее всего пошло внедрение электромобилей.

Длительное время аккумуляторы для электромобилей имели значительно меньшую энергетическую плотность, чем углеводороды, которые используются в транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания. Это обуславливает небольшой запас хода электромобилей. Однако совершенствование аккумуляторных технологий и удешевление производства в итоге позволило добиться запаса хода транспортных средств на электрической тяге, сравнимого традиционными автомобилями на ископаемом топливе. Это дало серьёзный импульс развитию всей индустрии.

Но, несмотря на все эти улучшения, владельцы электромобилей сталкиваются с такой проблемой, как медленная скорость зарядки аккумулятора. Сейчас для большинства выпускаемых серийных электромобилей заряд аккумулятора длится около 10 часов. Даже на станции быстрой зарядки на это уходит от 20 до 40 минут, чтобы зарядить аккумулятор с 0 до 80%. Это создаёт неудобства и дополнительные расходы для покупателей.

Чтобы решить эту проблему, исследователи стали искать выход в сфере квантовой физики. Сообщается о том, что квантовые технологии могут дать новые механизмы, которые значительно ускорят зарядку аккумуляторов. Данная концепция «квантовой батареи» была впервые предложена в основополагающей статье, опубликованной Алики и Фаннесом в 2012 году. Там авторы высказывали предположение, что квантовая ресурсы могут быть использованы для существенного ускорения процесса заряда. Они утверждали, что это можно сделать посредством зарядки всех аккумуляторных ячеек внутри одновременно (коллективная зарядка).

Теория выглядит интересно, поскольку современные аккумуляторы содержат большое количество отдельных аккумуляторных ячеек. В классических аккумуляторных батареях коллективная зарядка невозможна, поскольку там аккумуляторные элементы заряжаются параллельно независимо друг от друга. Преимущества коллективной зарядки по сравнению со стандартной (параллельной) учёные измеряют отношением, которые они называют «преимущество квантовой зарядки».

Позднее, в 2017 году, специалисты отметили, что за квантовым преимуществом могут стоять два возможных источника: «глобальная операция» (при которой все ячейки «разговаривают» со всеми остальными одновременно (то есть, «все сидят за одним столом») и «связь всех со всеми» (каждая ячейка может разговаривать с любой другой, но только с одной ячейкой. То есть, много дискуссий, в которых участвуют только две ячейки). Из всех этих предположений непонятно, требуется ли оба источника и существуют ли какие-то ограничения по скорости заряда, которых можно достичь, благодаря использованию этой технологии.

Не так давно исследователи из Центра теоретической физики сложных систем Института фундаментальных наук (IBS) продолжили изучение озвученных вопросов. По результатам исследования они выпустили статью в журнале Physical Review Letters. Там учёные показывают, что связь всех ячеек со всеми не имеет значения в квантовых аккумуляторных батареях. Они также утверждают, что наличие глобальных операций является единственным компонентом квантового преимущества. Исследовательская группа также попыталась определить точный источник данного преимущества. Они исключили любые другие возможности и предложили явный способ разработки таких аккумуляторов.

Помимо этого, исследователи смогли точно определить какая скорость заряда будет в предложенной схеме. Максимальная скорость зарядки линейно увеличивается с количеством элементов в классических аккумуляторах. Проведённые исследования, по словам ученых, показывают, что квантовые аккумуляторы, использующие глобальную операцию, могут достигать квадратичного масштабирования скорости зарядки. Они описывают этот процесс следующим образом.

Для примера берётся стандартный аккумулятор, выпускаемых сейчас электромобилей, который содержит около 200 ячеек. Использование квантовой зарядки обеспечат 200-кратное ускорение по сравнению с классическими батареями. По словам исследователей, это значит, что время заряда аккумулятора в домашних условиях сократиться с 10 часов до 3 минут. А в высокомощных зарядных станциях можно будет уменьшить время заряда с 30 минут до нескольких секунд.

Исследователи утверждают, что при доведении технологий до ума, она может дать далеко идущие последствия. Кроме того, она может быть использована далеко за рамками только электромобилей или бытовой техники. Например, решения на основе этой технологии могут найти применение в будущих термоядерных электростанциях, для которых требуется мгновенная зарядка и разрядка большого количества электроэнергии.

Естественно, что сейчас квантовые технологии находятся в зачаточном состоянии. И, чтобы получить нечто, что можно будет использовать на практике, предстоит пройти долгий путь. Пока проводимые исследования лишь показывают перспективное направление и могут привлечь финансирование от всевозможных агентств и инвестиционных групп, а также со стороны государственных структур.