La batterie moderne a parcouru un long chemin au cours de ses 224 ans d’histoire. À la place des tas de disques métalliques et de saumure d’Alessandro Volta -tissu imbibé, nous avons désormais des batteries aux dimensions d’un graham cracker qui peuvent durer des jours avant d’avoir besoin d’une recharge.
Mais quel est le plafond des appareils actuellement sur le marché ? Quels types de défis techniques doivent être surmontés pour briser ce plafond, et quand ces obstacles seront-ils surmontés ? Quel est l’avenir du stockage d’énergie ?
Une poignée de scientifiques du monde entier travaillent sur une réponse : une technologie de batterie qui utilise les lois de la physique quantique, plutôt que la physique classique, pour tenir une charge. C’est un long, très long chemin, mais Rome n’a pas été construite en un jour – et cela certainement n’était pas alimenté en un seul.
La batterie de base bien-aimée
Une batterie est un élément technologique qui utilise des réactions chimiques pour produire de l’énergie électrique. Les batteries domestiques produisent de l’énergie électrique via le flux d’électrons. via un circuit. Différentes cellules de batterie ont été développées au fil des siècles ; Benjamin Franklin est considéré comme ayant inventé le terme « batterie électrique » dans un 1749 lettre, qu’il a conclu par un riff amusant sur les merveilles de l’électricité :
Un dindon doit être tué pour nos dîners par un choc électrique et rôti par le cric électrique, avant un feu allumé par un la bouteille électrifiée ; quand la santé de tous les célèbres électriciens d’Angleterre, de France et d’Allemagne, doivent être buvées dans des pare-chocs électrifiés, sous la décharge des armes à partir de la batterie électrique.
Avancez rapidement à travers quelques cellules de batterie différentes, pour la plupart nommées d’après les scientifiques qui les ont développées en utilisant des réactions chimiques de divers acides et métaux, et en 1859, nous avons obtenu la batterie au plomb, la première avec la capacité de se recharger en inversant le courant dans le système. Au 20ème siècle, la batterie lithium-ion est devenue à la mode et est restée fondamentalement populaire depuis, en utilisant différentes permutations de lithium combinées avec d’autres métaux. et des phosphates. Mais tout au long de l’histoire de la batterie moderne, le principe de base d’une réaction chimique engendrant de l’énergie électrique n’a pas changé.
D’accord, oubliez la batterie. Qu’est-ce que c’est que le « quantique » ?
Passons rapidement en revue la physique quantique dans ses grandes lignes. Les particules dans les états quantiques fonctionnent selon un ensemble de règles totalement différent de tout ce que vous voyez autour. vous, de l’eau des nuages aux vaisseaux sanguins qui circulent dans vos veines. Les particules entrent dans des états quantiques dans des conditions extrêmes : très froid températures et sous vide. Dans ces conditions, les particules peuvent agir comme plusieurs choses à la fois, ce qui les rend utiles pour faire des choses comme des choses compliquées. opérations mathématiques (comme le fait un ordinateur quantique) et vérifier si voyage dans le temps (dans un sens) est possible.
Les systèmes quantiques peuvent également présenter enchevêtrement, un phénomène par lequel deux ou plusieurs particules quantiques définissent les caractéristiques les unes des autres. Dans les ordinateurs quantiques, les atomes d’un tableau transportent les informations nécessaires à l’opération donnée, comme le font les bits dans un ordinateur ordinaire. Ces atomes sont quantiques. bits, ou qubits.
Mais les opérations quantiques sont délicates. Dès l’instant où une valeur dans un système quantique est assurée, l’opération s’effondre. Le système tout entier, par exemple. Par exemple, les atomes d’un tableau sont alors de retour dans un état classique.
Les états quantiques peuvent persister pendant une longue période. Prenez d’abord les cristaux de temps, un état de la matière proposé en 2012 ce que les physiciens ont montré plus tôt cette année pourrait persister pendant au moins 40 minutes, environ 10 millions de fois plus longs que les autres cristaux connus. Ces cristaux sont très éloignés des batteries quantiques mais montrent à quel point certains systèmes quantiques sont éphémères. sont normalement une question importante à résoudre si nous voulons un jour compter sur de tels régimes pour le pouvoir.
Alors, comment les règles de la mécanique quantique s’appliquent-elles à une batterie, la technologie qui vous permet de continuer à lire cet article et peut-être plus par la suite, une fois que vous avez rechargé ?
Les batteries quantiques, comme on l’imagine actuellement
Comme les batteries normales, les batteries quantiques, telles qu’on les imagine, stockent de l’énergie. Mais c’est là que s’arrêtent les similitudes. Contrairement aux réactions chimiques qui chargent toutes deux Pour augmenter et dépenser l’énergie stockée par une batterie, les batteries quantiques sont alimentées par un enchevêtrement quantique ou des comportements qui lient plus étroitement la batterie et ses source.
“Les batteries quantiques sont composées de nombreuses cellules quantiques qui agissent comme une seule grande batterie quantique”, a déclaré Ju-Yeon Gyhm, chercheur quantique à Université nationale de Séoul en Corée du Sud, dans un e-mail à Gizmodo. .»
Étant donné que les mêmes propriétés s’appliquent aux batteries quantiques comme aux ordinateurs quantiques, un défi technique majeur doit être surmonté pour voir la technologie devenir une réalité. en dehors du cadre de recherche : les physiciens doivent trouver comment maintenir les systèmes quantiques dans leurs états délicats en dehors de la recherche la plus soigneusement gérée. paramètres. A supraconducteur à température ambiante serait un tel Graal, mais de nos jours le seul des gens revendiquant une telle découverte avaient leur travail démystifié en quelques mois.
« La thermodynamique à l’équilibre ne fixe pas de limites à la vitesse à laquelle l’énergie est transformée en chaleur et en travail », a écrit une équipe de cinq scientifiques dans un récent colloque sur les batteries quantiques, actuellement en cours hébergé sur le serveur de préimpression arXiv. « Par conséquent, il semble naturel de rechercher des avantages quantiques thermodynamiques dans des systèmes quantiques qui sont hors d’équilibre.
Le groupe a ensuite noté que l’intrication quantique est liée à la vitesse à laquelle l’énergie peut être stockée dans les systèmes quantiques à plusieurs corps, une découverte cela a stimulé la recherche sur les systèmes quantiques en tant que dispositifs de stockage d’énergie.
En 2018, une équipe a modélisé la batterie quantique Dicke, la première proposée à exister dans une architecture à état solide , et en 2022, une équipe a testé un cadre de base pour une batterie quantique dans un laboratoire à l’aide d’une cible, de miroirs et d’une lumière laser.
Des expériences récentes explorent le problème
À la fin de l’année dernière, une équipe de chercheurs quantiques a proposé un système par lequel les batteries quantiques pourraient se charger dans un ordre causal indéfini, ou ICO. Leurs découvertes…publié dans Lettres d’examen physique- postulait qu’un système de recharge avec ICO pourrait surpasser les protocoles de recharge conventionnels.
« En gros, l’ICO peut être utilisé pour construire des processus quantiques qui ne sont pas possibles dans la théorie quantique standard, où l’ordre causal doit être défini ou fixé », a déclaré Yuanbo Chen, chercheur à l’Université de Tokyo et auteur principal de la recherche, dans un e-mail . à Gizmodo. «Cette flexibilité permet une plus grande variété de processus quantiques, dont certains peuvent montrer des propriétés avantageuses et intéressantes.”
« Nous avons constaté d’énormes gains à la fois en termes d’énergie stockée dans le système et d’efficacité thermique. Et de manière quelque peu contre-intuitive, nous avons découvert l’effet surprenant d’une interaction qui est l’inverse de ceà à ce à ce à quel on pourrait s’attendre : un chargeur de puissance faible pourrait fournir des énergies plus élevées avec une plus grande efficacité qu’un chargeur de puissance comparativement plus élevée utilisant le même appareil, “Chen dit à l’époque.
Différentes configurations expérimentales de systèmes de batteries quantiques, à la fois proposées et réalisées, signifient qu’il existe différentes voies pour innover dans la conception d’un tel projet futuriste. technologie. Le mois dernier, une équipe de l’Université de Gdansk et de l’Université de Calgary proposé un système de chargement de batterie quantique qui maximise la quantité d’énergie stockée dans la batterie tout en minimisant la quantité d’énergie qui se dissipe (ou est perdu) dans le processus de charge. Une partie de la refonte de l’équipe est que la batterie quantique et son chargeur sont couplés au même réservoir, produisant un modèle semblable à une interférence qui améliore l’efficacité du transfert d’énergie entre les deux. L’équipe estime que la batterie peut stocker quatre fois plus d’énergie grâce au nouveau processus de charge qu’en utilisant un chargeur conventionnel.
« Les batteries quantiques agissent davantage comme une onde où les molécules ou les atomes agissent à l’unisson, alors que dans les batteries conventionnelles, les molécules ou les atomes agissent. plus comme des particules individuelles », a déclaré James Quach, un chercheur quantique à l’Université d’Adélaïde en Australie, dans un e-mail à Gizmodo. Ce comportement collectif est ce qui sous-tend les propriétés de charge superextensive des batteries quantiques, où il faut moins de temps pour charger des batteries quantiques de plus grande capacité. .»
En 2022, une équipe dirigée par Quach a testé un cadre de base d’une batterie quantique en mettant un colorant moléculaire appelé Lumogen-Forange dans un petite cavité et de la lumière pulsée dessus pour voir comment elle stocke l’énergie transmise par les photons de lumière. L’équipe a découvert que le système s’est chargé remarquablement rapidement et les systèmes plus grands devraient généralement se charger plus rapidement.
“Actuellement, il faut entre femto et picosecondes pour charger une batterie quantique qui stocke environ un microjoule d’énergie pendant des nano à millisecondes”, Quach “Bien que cela ne semble pas long, sa durée de stockage est en réalité plus d’un million de fois plus longue que sa charge. temps. À titre de comparaison, cela équivaudrait à une batterie conventionnelle qui prend quelques minutes à charger, étant capable de maintenir cette charge pendant des centaines d’années.
Comme rapporté par Nouveau scientifique, certains physiciens théorisent que le temps de charge d’une batterie quantique est inversement proportionnel au nombre de qubits dans le système ; en d’autres termes, plus la batterie est grande, plus elle se charge rapidement.
Alors… quand puis-je obtenir une batterie quantique ?
La recherche sur les batteries quantiques gagne du terrain, mais elle en est encore à ses balbutiements. Bien que leur promesse soit remarquable, quelle est la conception ultime de ces batteries ? la technologie reste une question ouverte. La commercialisation ? moment.
Le principal problème reste de faire en sorte que les systèmes quantiques restent dans un état quantique lorsqu’ils évoluent. Quach pense que des batteries quantiques pourraient être utilisées. en tant que source d’énergie mobile dans les téléphones et les voitures, mais de nombreux systèmes quantiques ont actuellement besoin de conditions très froides et silencieuses pour rester ainsi ( en passant, le dispositif expérimental de Quach en 2022 a fonctionné à température ambiante. Ce n’est pas pour vous démoraliser, cher lecteur, mais fusion nucléaire est probablement plus proche de la réalité que les batteries quantiques de nos appareils.
Même si de nombreux journalistes sceptiques répugnent à l’admettre, j’adorerais manger mes mots. La seule chose qui vaut mieux que d’avoir raison est de trouver un monde meilleur au prix de se tromper. Les batteries quantiques pourraient se charger plus rapidement et plus efficacement que les appareils classiques, et pourrait s’intégrer aux technologies quantiques naissantes qui sont utilisées pour des simulations et des mesures de grande envergure. Une batterie quantique pleinement opérationnelle n’a pas encore été démontrée. , mais d’après un récent colloque, une telle technologie pourrait révolutionner la façon que nous récoltons, livrons et contrôlons l’énergie. Compte tenu de l’évidence de l’humanité dépendance à l’électricité, le stockage d’énergie pourrait faire un pas de géant.
