Transformative Fortschritte in der Quantenbatterietechnologie

von Liam O'Connor
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Quantum batteries

Das Aufkommen von Quantenbatterien stellt einen bedeutenden Wandel im Bereich der Energiespeicherung dar und bietet eine höhere Effizienz und breitere Anwendungen in der nachhaltigen Energie. Diese Innovation wird von SciTechPost.com hervorgehoben.

Forscher haben eine bahnbrechende Methode zum Laden von Batterien mithilfe eines Konzepts entwickelt, das als „unbestimmte Kausalordnung“ bekannt ist.

Quantenbatterien nutzen die Quantenmechanik, um Energie zu akkumulieren, zu verteilen und zu speichern, und weisen das Potenzial auf, herkömmliche chemische Batterien in bestimmten Szenarien mit geringem Stromverbrauch zu übertreffen. Ein Team, zu dem auch Mitglieder der Universität Tokio gehören, hat einen einzigartigen Quantenprozess genutzt, der die traditionelle Kausalität in Frage stellt, die Leistung von Quantenbatterien verbessert und diese futuristische Technologie der praktischen Anwendung näher bringt.

Quantenbatterien: Eine nachhaltige Energielösung

Während der Begriff „Quanten“ oft Bilder der subatomaren Physik und des Quantencomputings heraufbeschwört, gilt er auch für andere aufstrebende Technologien wie Quantenbatterien. Diese Batterien versprechen ungenutztes Potenzial für nachhaltige Energie und eine mögliche Integration in zukünftige Elektrofahrzeuge. Ihre Anwendbarkeit erstreckt sich auf verschiedene tragbare Geräte und Geräte mit geringem Stromverbrauch, insbesondere in Szenarien, in denen die Möglichkeiten zum Aufladen begrenzt sind.

In herkömmlichen Szenarien erfordert das Laden einer Batterie mit zwei Ladegeräten einen sequentiellen Prozess, der nur zwei Reihenfolgemöglichkeiten zulässt. Der innovative Quanteneffekt namens ICO (Indefinite Causal Order) führt jedoch einen völlig anderen Ansatz zum Laden von Quantenbatterien ein. Dabei sind dank Quantenüberlagerung mehrere Ladegeräte in unterschiedlicher Ordnung gleichzeitig vorhanden. Diese Informationen stammen aus einer Veröffentlichung von Chen et al. aus dem Jahr 2023.

Fortschritte in der Quantenbatterieforschung

Quantenbatterien existieren derzeit als Laborexperimente. Forscher auf der ganzen Welt erforschen verschiedene Aspekte, um schließlich eine funktionelle und praktische Quantenbatterie zu entwickeln. Yuanbo Chen, ein Doktorand, und außerordentlicher Professor Yoshihiko Hasegawa vom Fachbereich Informations- und Kommunikationstechnik der Universität Tokio konzentrieren sich auf die Optimierung des Ladevorgangs von Quantenbatterien. Von Quantenbatterien wird eine hohe Effizienz erwartet, die vor allem von ihrem Lademechanismus abhängt.

Chen erklärt, dass herkömmliche Gerätebatterien mit geringem Stromverbrauch, etwa in Smartphones oder Sensoren, zur Ladungsspeicherung auf Chemikalien wie Lithium angewiesen sind. Im Gegensatz dazu nutzen Quantenbatterien mikroskopische Elemente wie Atomarrays. Diese mikroskopisch kleinen Teilchen unterliegen der Quantenphysik und bieten Möglichkeiten, unser Verständnis von Phänomenen auf kleinen Skalen, insbesondere im Hinblick auf die Zeit, herauszufordern und möglicherweise zu verändern.

Obwohl die experimentelle Quantenbatterie größer als herkömmliche AA-Batterien ist, weist sie Ladeeigenschaften auf, die zukünftige Smartphone-Batterien verbessern könnten. Diese Forschung wird Zhu et al., 2023, zugeschrieben.

Innovative Quantenladetechniken

Das Forschungsteam, darunter Gaoyan Zhu und Professor Peng Xue vom Beijing Computational Science Research Center, experimentierte mit optischen Geräten wie Lasern, Linsen und Spiegeln, um eine Quantenbatterie aufzuladen. Ihr Ansatz erforderte einen Quanteneffekt, bei dem Ereignisse keinen traditionellen Kausalzusammenhang haben. Im Gegensatz zu früheren Methoden mit aufeinanderfolgenden Ladestufen nutzt dieser Ansatz den ICO-Effekt, der die Koexistenz mehrerer Kausalitätsrichtungen in einer Quantenüberlagerung ermöglicht.

Entgegen den üblichen Erwartungen ergab das ICO, dass ein Ladegerät mit geringerer Leistung einen leistungsstärkeren Akku effizienter aufladen kann als ein Ladegerät mit höherer Leistung, das den gleichen Aufbau verwendet. Diese Entdeckung wird Chen et al., 2023, zugeschrieben.

Zukünftige Auswirkungen der Quantenbatterieforschung

Laut Chen hat die Untersuchung von ICO gezeigt, dass die Lademethode für quantenteilchenbasierte Batterien deren Leistung erheblich beeinflusst. Das Team beobachtete erhebliche Verbesserungen bei der Energiespeicherung und der thermischen Effizienz. Sie fanden heraus, dass die Verwendung eines Ladegeräts mit geringerer Leistung im Rahmen des ICO im Vergleich zu einem Ladegerät mit hoher Leistung zu höheren Energieniveaus und einer höheren Effizienz führen könnte.

Über die Verbesserung von Geräten mit geringem Stromverbrauch hinaus hat das ICO-Prinzip breitere Anwendungsmöglichkeiten, einschließlich der Verbesserung thermodynamischer Aufgaben oder Wärmeübertragungsprozesse. Beispielsweise könnten Solarmodule, die oft von Wärmeineffizienzen betroffen sind, von ICO profitieren, um ihre Effizienz zu steigern.

Diese Forschung mit dem Titel „Charging Quantum Batteries via Indefinite Causal Order: Theory and Experiment“ von Zhu, Chen, Hasegawa und Xue wurde am 13. Dezember 2023 in Physical Review Letters mit einem DOI von 10.1103/PhysRevLett.131.240401 veröffentlicht.

Die Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China unterstützt (Zuschüsse 92265209 und 12025401). Yoshihiko Hasegawa dankt für die Finanzierung durch JSPS KAKENHI, Zuschussnummer JP22H03659, und Yuanbo Chen dankt für die Unterstützung von JST SPRING, Zuschussnummer JPMJSP2108.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zu Quantum-Batterien

Was sind Quantenbatterien?

Quantenbatterien stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Batterietechnologie dar und nutzen Prinzipien der Quantenmechanik zur Speicherung und Verteilung von Energie. Sie versprechen eine höhere Effizienz als herkömmliche chemische Batterien, insbesondere bei Anwendungen mit geringem Stromverbrauch.

Wie unterscheiden sich Quantenbatterien von herkömmlichen Batterien?

Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien, die Chemikalien wie Lithium zur Ladungsspeicherung nutzen, nutzen Quantenbatterien mikroskopisch kleine Partikel, beispielsweise Anordnungen von Atomen. Diese funktionieren nach den Gesetzen der Quantenphysik und ermöglichen eine potenziell effizientere Energiespeicherung und einzigartige Ladeprozesse.

Welche innovative Lademethode wird in Quantenbatterien verwendet?

Quantenbatterien nutzen einen neuartigen Quanteneffekt namens Indefinite Causal Order (ICO). Dies ermöglicht das gleichzeitige Auftreten mehrerer Ladeereignisse in unterschiedlichen Reihenfolgen, ein Konzept, das in der klassischen Physik nicht möglich ist. Es wird erwartet, dass diese Methode die Ladeeffizienz erheblich steigern wird.

Wo können Quantenbatterien eingesetzt werden?

Obwohl sie sich noch im experimentellen Stadium befinden, haben Quantenbatterien Potenzial für den Einsatz in nachhaltigen Energielösungen und tragbaren Geräten mit geringem Stromverbrauch wie Smartphones und Sensoren. Sie könnten auch in zukünftigen Elektrofahrzeugen und anderen technologischen Innovationen Anwendung finden.

Welche Auswirkungen hat der ICO-Effekt in Quantenbatterien?

Der ICO-Effekt bei Quantenbatterien hat gezeigt, dass ein Ladegerät mit geringerer Leistung eine leistungsstärkere Batterie effizient laden kann, wodurch das herkömmliche Verhältnis zwischen Ladegerätleistung und Batteriekapazität umgekehrt wird. Dies könnte zu effizienteren und vielseitigeren Ladelösungen in verschiedenen Anwendungen führen.

Wer leitet die Forschung in der Quantenbatterietechnologie?

Schlüsselforschung auf diesem Gebiet wird von Teams auf der ganzen Welt durchgeführt, darunter bemerkenswerte Beiträge von Yuanbo Chen und außerordentlichem Professor Yoshihiko Hasegawa von der Universität Tokio sowie die Zusammenarbeit mit Forschern wie Gaoyan Zhu und Professor Peng Xue vom Beijing Computational Science Research Center.

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5 Kommentare

Mike87 Dezember 22, 2023 - 4:49 am

Wann können wir also damit rechnen, dass diese Batterien auf den Markt kommen? Irgendwelche Ideen? Da der Akku meines Telefons viel zu schnell leer ist, könnte ich eines davon gebrauchen.

Antwort
Rajesh_S Dezember 22, 2023 - 6:12 am

Sind Sie etwas skeptisch, wie praktisch es ist, einen Akku in mehreren Bestellungen gleichzeitig aufzuladen? klingt ein bisschen zu schön, um wahr zu sein.

Antwort
Samuel G. Dezember 22, 2023 - 8:42 am

Wirklich interessante Dinge über Quantenbatterien, aber der ganze Fachjargon ist irgendwie schwer zu verstehen, vielleicht etwas einfacher?

Antwort
LindaQ Dezember 22, 2023 - 5:07 pm

Liegt das nur an mir oder klingt das nach Science-Fiction? Ich meine, Batterien, die Quantenmechanik nutzen, das ist ziemlich wild.

Antwort
Jessie K Dezember 23, 2023 - 12:05 am

Ich liebe den Teil über nachhaltige Energie, es ist an der Zeit, dass wir in diesem Bereich echte Fortschritte machen.

Antwort

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