Forskare från Melbourne har tagit fram en prototyp som använder laserljus istället för kablar och kemiska reaktioner. Hela laddningsprocessen sker på femtosekunder tack vare kvantmekaniska fenomen.

Det låter som ren science fiction, men experimentet är högst verkligt. Ett forskarteam knutet till CSIRO, University of Melbourne och RMIT University har presenterat världens första fungerande kvantbatteri i laboratoriet. Istället för klassiska kemiska reaktioner utnyttjar det fenomen från kvantmekaniken och absorberar ljusets energi i ett blixtsnabbt ”drag”.

Projektet är fött inom den australiensiska forskningsorganisationen CSIRO i samarbete med två universitet från Melbourne. Resultaten beskrivs i en prestigefylld vetenskaplig tidskrift om fotonik och nya energiteknologier. Målet är tydligt: att skapa ett energilager som bryter mot begränsningarna hos vanliga litiumjonceller.

Ett klassiskt batteri laddas genom långsamma vandringar av joner och kemiska reaktioner. I den kvantebaserade prototypen anländer energin till materialet i form av laserljus, helt utan ledningar. Hela processen tar mindre än en sekund och utspelar sig på tidsskalor mätta i femtosekunder, alltså biljardedelar av en sekund.

Hur fungerar superabsorption i ett kvantbatteri

Forskarna beskriver det använda fenomenet som superabsorption. Det handlar om att många elementära ”byggstenar” i batteriet inte arbetar oberoende, utan uppför sig som ett synkroniserat system. Inom kvantmekaniken kan man justera materialets tillstånd så att det reagerar på ljus kollektivt istället för individuellt.

Kvantbatteriet ”fylls” inte steg för steg. Det absorberar en portion ljusenergi i en koordinerad handling, vilket radikalt förkortar laddningstiden. I traditionella batterier tar varje fragment av materialet upp energi separat. Här beter sig hela strukturen som en gigantisk antenn för fotoner.

Ju fler sådana element som samarbetar, desto lättare absorberar de energi från laserstrålen, och desto kortare tid tar laddningen. För att verifiera att denna effekt verkligen äger rum använde forskarna en ultrasnabb laser från det kemiska laboratoriet vid University of Melbourne. Sådan utrustning gör det möjligt att ”övervaka” laddningsprocessen i mikroskopiska sekunddelar och mäta hur mycket energi som faktiskt når prototypen.

Fyra nyckelfaktorer bakom den blixtsnabba laddningen

Laddningen sker trådlöst via ljus istället för kablar
Energin kommer in i batteriet i ett koordinerat steg
Laddningstiden reduceras till bråkdelar av en sekund
Kvantkoppling mellan elementen i materialet spelar en avgörande roll
Laserljus fungerar som energibärare utan fysisk kontakt
Fotoner absorberas samtidigt av hela systemet
Femtosekunder ersätter timmar vid traditionella laddare
Kollektiv respons från molekyler skapar hittills osedd effektivitet

Den mest överraskande slutsatsen i forskningen handlar om skalning av denna teknologi. I världen av klassiska batterier betyder större kapacitet normalt längre laddningstid. Det australiensiska teamet visar precis den motsatta trenden för kvantbatterier.

När storleken på kvantsystemet växer, stiger inte laddningstiderna utan sjunker. Fler ”aktiva” element betyder en starkare kollektiv effekt och snabbare absorption av energi från lasern. Detta resultat går fullständigt emot intuitionen hos en ingenjör som är van vid vanliga ackumulatorer.

Större batteri betyder paradoxalt nog snabbare laddning

Från ett kvantmekaniskt perspektiv ger det dock mening: Ju fler molekyler man kan korrelera i ett tillstånd, desto kraftfullare blir deras gemensamma reaktion på ljus. Denna egenskap skiljer kvantbatterier fundamentalt från litiumjonteknologi, där större celler kräver proportionellt mer tid.

Forskarna erkänner öppet att de tittar i riktning mot bilindustrin, konsumentelektronik och energilagringssystem för elnätet. Visionen är lockande: en elbil som stannar vid en station i några sekunder, tar emot en gigantisk impuls av ljusenergi och kör vidare med ”full tank”.

Trådlös laddning på avstånd öppnar också helt nya scenarion hemma eller på kontoret. Föreställ dig ett rum med en diskret sändare som laddar telefoner, laptops eller hörlurar så snart den registrerar att energinivån sjunker. Enheter skulle praktiskt taget sluta ”dö” vid det mest olämpliga tillfället.

Företag inom energi och bilindustri intresserar sig redan idag för konceptet med blixtsnabb energilagring. Att kombinera kvantbatterier med förnybara energikällor som solceller eller vindkraftsparker skulle i framtiden kunna göra det lättare att stabilisera elnätet. Tillverkare av elbilar skulle få ett argument som verkligen kan övertyga bilister: slut med timslånga väntan vid laddarna.

Vilka utmaningar måste lösas före kommersiell användning

Man måste dock komma ihåg att det handlar om en prototyp, inte ett färdigt batteri till smartphones. Den nuvarande versionen har mycket liten kapacitet och tjänar huvudsakligen till att bekräfta att konceptet fungerar i praktiken. Forskarna har visat att superabsorption faktiskt äger rum under laboratorieförhållanden.

Från laboratorier till verkliga produkter är det fortfarande långt. För att nå ett kommersiellt genombrott krävs flera steg: ökad kapacitet, bibehållande av laddning över lång tid, hantering av energiförluster och design av säker infrastruktur för transmission av effekt med hjälp av ljus.

Beteckningen ”kvant” stimulerar ofta fantasin, men man kan lätt missa poängen. I detta fall handlar det om en mycket konkret uppsättning effekter: kvanttillstånd där många molekyler eller aktiva centra fungerar som ett system, samt precis kontroll över hur de absorberar fotoner. Det påminner varken om en atomreaktor eller en futuristisk ”energikula”.

Fantastiska visioner om snabb laddning döljer lätt de svåra frågorna. System som överför stora mängder energi genom luften måste fungera under efterlevnad av strikta säkerhetsnormer. Det handlar inte bara om människors hälsa, utan också om störningar av andra enheter som optisk kommunikation eller sensorer.

Vad betyder kvantbatterier för din vardag framöver

För den vanliga användaren räknas först och främst bekvämlighet. Om teknologin mognar kan den förändra dagliga vanor i samma grad som snabbladdare till telefoner eller induktiva laddare. Skillnaden är att vi denna gång talar om en storleksordning större hastighet.

Den australiensiska prototypen visar att sådana scenarion inte uteslutande är ett effektfullt motiv från science fiction-filmer. Frågan är inte ”om”, utan när det lyckas ingenjörer att omsätta kvantbaserad superabsorption till något som faktiskt når garage och användarnas fickor. Och om vi då fortfarande kommer ihåg hur det såg ut när man nervöst letade efter ett eluttag mitt på dagen.