Skupina australských fyziků si právě položila otázku, která by mohla změnit náš vztah k energii: co kdybychom ji mohli uchovávat bez nutnosti chemických reakcí a místo toho využít ty nejpodivnější přírodní zákony?
Od doby, kdy Alessandro Volta na počátku 19. století vytvořil první baterii, se základní koncept baterií v podstatě nezměnil. Pokaždé, když připojujeme mobilní telefon, startujeme elektromobil nebo zapínáme notebook, spoléháme na systém, který uchovává chemickou energii a uvolňuje ji podle potřeby. Dnešní baterie jsou nesrovnatelně dokonalejší než Voltovy, ale základní mechanismus zůstává stejný.
Queenslandský návrh: energie bez chemie
Tým vedený Xiao Renshaw Wangem z Queenslandské univerzity zkoumá radikálně odlišnou cestu. Jejich výzkum, o němž informoval časopis Energy and AI, se zabývá tím, jak by určité kvantové efekty umožnily uchovávat a přenášet energii prostřednictvím kolektivních vlastností hmoty, které se v naší každodenní zkušenosti jednoduše nevyskytují. Autoři nehlásají konec konvenčních baterií, ale popisují mechanismus, který by mohl inspirovat novou generaci energetických zařízení založených na fyzice nekonečně malého.
Co je to kvantová koherence? Představte si stadionovou vlnu
Kvantová mechanika skrývá jevy, které si lze jen těžko představit. Jedním z nejpozoruhodnějších je kvantová koherence: za určitých podmínek se elektrony, atomy nebo molekuly přestanou chovat individuálně a začnou sdílet společné stavy, jako by tvořily jeden systém.
Vhodnou analogií je fotbalový stadion. Každý divák se může pohybovat sám za sebe, ale když se tisíce lidí zkoordinují a vytvoří vlnu, objeví se kolektivní chování, které nelze připsat žádnému jednotlivci. Vlna existuje pouze díky koordinaci celku. K něčemu podobnému by došlo v určitých kvantových systémech: energie by se neukládala částice po částici jako v tradiční chemické baterii, ale byla by distribuována v kolektivním stavu sdíleném mnoha částicemi najednou. Energie by se nacházela takříkajíc v samotné vlně, a nikoli v každém divákovi.
Superabsorpce: kooperativní zachycování energie
Wangovi výzkumníci zaměřili svou pozornost na jev zvaný superabsorpce. V běžném systému roste množství absorbované energie úměrně počtu přítomných částic. Odborníci australské skupiny však upozorňují, že některé kvantové systémy mohou toto pravidlo obejít: celek je schopen kooperativně zachytávat energii mnohem účinněji než součet jeho částí.
Tento poznatek podporuje nově vznikající obor nazvaný kvantové baterie. Tento termín může být zavádějící, protože se nejedná o totéž jako výroba konvenční baterie z kvantových materiálů. Rozdíl je v kořenech. Teoreticky by kvantová baterie mohla využívat jevů, jako je entanglement, tj. okamžité spojení mezi oddělenými částicemi, a koherence, k rychlejšímu nabíjení, jinému uchovávání energie nebo jejímu přenosu s účinností nedosažitelnou u ekvivalentních klasických systémů.
Sbohem baterie? Ještě ne
Nadšení je třeba mírnit. Kvantové baterie jsou stále experimentálním konceptem, který se studuje v extrémně kontrolovaných systémech na malých škálách. Kvantové jevy jsou také mimořádně křehké: interakce s okolím má tendenci narušovat koherenci, což je překážka známá jako dekoherence, která představuje jednu z největších výzev pro jakoukoli kvantovou technologii. Odborníci se shodují, že přeměna těchto laboratorních výsledků v komerční zařízení si pravděpodobně vyžádá desetiletí práce.
Proč je to tedy důležité?
Protože tento druh výzkumu radikálně rozšiřuje naše představy o skladování energie. V historii jsme se spoléhali na paliva, zásobníky, mechanické pružiny, kondenzátory a chemické baterie. Všechny tyto systémy se v podstatě řídí zákony klasické fyziky, zatímco kvantová mechanika otevírá zcela nové možnosti.
Stejně jako kvantové počítače využívají vlastnosti, které v konvenčních počítačích neexistují, mohly by energetické technologie budoucnosti využívat kolektivní chování, které je s dnešními zařízeními nemožné reprodukovat. Možná nikdy plně nenahradí baterie, které známe. Práce Wanga a jeho týmu naznačuje, že kvantový vesmír může skrývat způsoby ukládání a správy energie, které teprve začínáme nahlížet.