Kvantinis šuolis baterijos dizaino srityje

Skaitmeninės kvantinės baterijos koncepcija, kurią pasiūlė Ilinojaus universiteto Urbana-Champaign fizikas, galėtų dramatiškai padidinti energijos kaupimo pajėgumus, jei ji atitiks savo teorinį potencialą.

Ši koncepcija reikalauja milijardų nanoskalės kondensatorių ir būtų pagrįsta kvantiniais efektais – keistais reiškiniais, atsirandančiais atominio dydžio skalėse – siekiant padidinti energijos kaupimą. Įprasti kondensatoriai susideda iš vienos poros makroskalės laidžių plokščių arba elektrodų, atskirtų izoliacine medžiaga. Taikant įtampą izoliacinėje medžiagoje sukuriamas elektrinis laukas, kaupiantis energiją. Tačiau visi tokie įrenginiai gali išlaikyti tik tiek įkrovos, kurią viršijus tarp elektrodų susidaro lankas, eikvojantis sukauptą energiją.

Jei kondensatoriai būtų pastatyti kaip nanoskalės matricos – ypač svarbu, kad elektrodai būtų išdėstyti maždaug 10 nanometrų (arba 100 atomų) atstumu – kvantiniai efektai turėtų slopinti tokį lanką. Daugelį metų mokslininkai pripažino, kad nanoskalės kondensatoriai turi neįprastai didelius elektrinius laukus, o tai rodo, kad maža prietaisų skalė buvo atsakinga už energijos praradimo prevenciją. Tačiau žmonės nesuvokė, kad didelis elektrinis laukas reiškia didelį energijos tankį ir gali būti naudojamas energijos kaupimui, kuris gerokai pranoktų viską, ką turime šiandien, sako Alfredas Hubleris, fizikas iš Ilinojaus ir pagrindinis knygos autorius. popierius aprašoma koncepcija, kuri turi būti paskelbta žurnale Sudėtingumas .

Hubleris teigia, kad gautas galios tankis (greitis, kuriuo energija gali būti kaupiama arba išleidžiama) gali būti daugmaž didesnis, o energijos tankis (saugomos energijos kiekis) – nuo ​​dviejų iki dešimties kartų didesnis nei įmanoma naudojant geriausią šiandienos ličio. -jonų ir kitos baterijų technologijos.

Be to, skaitmeninės kvantinės baterijos gali būti pagamintos naudojant esamas litografinių lustų gamybos technologijas, naudojant pigias, netoksiškas medžiagas, tokias kaip geležis ir volframas, ant silicio substrato, sako jis. Gauti prietaisai, sugerdami ir išlaisvindami elektronus, iš esmės sueikvotų mažai energijos arba išvis išvis išeikvotų energijos. Hubleris teigia, kad gali būti įmanoma sukurti stalinio kompiuterio prototipą per vienerius metus.

Tačiau šiandien skaitmeninės kvantinės baterijos yra tik patentuota mokslinių tyrimų koncepcija. „Hubler“ kreipėsi dėl Gynybos pažangių tyrimų projektų agentūros finansavimo tokiam prototipui sukurti, tačiau koncepcija kelia didelių iššūkių. Neaišku, ar nanogamybos medžiagos nesuirtų, kai jos bus prikrautos energijos, sako Joelis Schindalas , MIT elektrotechnikos profesorius.

Tačiau Schindall taip pat sako, kad ši koncepcija turi nuopelnų. Esu atsargiai suintriguotas, nes jis turi keletą pagrįstų argumentų, kad šiais kvantiniais matmenimis energijos kaupimo efektas bent jau gerokai padidės, sako Schindallas. Pirmasis iššūkis yra toks: ar jo prielaidos teisingos, ar yra kokių nors kitų reiškinių, į kuriuos nebuvo atsižvelgta, kurie trukdo?

Tam tikrais atžvilgiais ši koncepcija atspindi esamų mikro ir nanoelektroninių prietaisų variantus. Jei pažvelgsite į tai iš skaitmeninės elektronikos perspektyvos, tai tik „flash drive“, sako Hubleris. Jei pažvelgtumėte iš elektrotechnikos perspektyvos, sakytumėte, kad tai yra miniatiūriniai vakuuminiai vamzdžiai, kaip plazminiuose televizoriuose. Jei kalbate su fiziku, tai yra kondensatorių tinklas.

Skaitmeninė koncepcijos dalis kyla iš to, kad kiekvienas nanovakuuminis vamzdis būtų adresuojamas atskirai. Dėl šios priežasties įrenginiai taip pat gali būti naudojami duomenims saugoti.

Yra ir kitų būdų, kaip padidinti kondensatorių našumą. Pažangios versijos, vadinamos ultrakondensatoriais, gali sukaupti daug energijos ir veikti greičiau, padidindamos elektrodų paviršiaus plotą ir naudodami elektrolitą. Schindall grupė padidino tradicinių ultrakondensatorių įkrovimo ir iškrovimo greitį bei talpą, naudodama anglies nanovamzdelius vietoj aktyvuotos anglies ant elektrodo paviršiaus. Iš esmės tai padidina elektrodo paviršiaus plotą.

„Schindall“ dizaino pranašumai – didesnė galia ir energijos tankis – gali būti labai svarbūs tais atvejais, kai, pavyzdžiui, greitai pasisavinami didžiuliai energijos impulsai iš vėjo turbinų ar saulės masyvų lauko. Be to, jo komanda iš tikrųjų sukūrė stalinį įrenginį. Neigiama yra tai, kad tam tikros medžiagos masės energijos tankis vis tiek būtų šiek tiek mažesnis nei ličio jonų baterijų.

Nors Hubleris dar nieko nekonstravo, jis pažymi, kad 2005 m. Korėjos mokslininkų grupė įrodė, kad nanoskalės kondensatoriai gali būti pagaminti. Tačiau Hublerio įrenginiui vis tiek reikės milijardų ar net trilijonų tokių įrenginių.

Visiškai sutinku, kad mums labai reikia naujų elektros energijos kaupimo būdų, sako Schindall. Nors tai gali konkuruoti su tuo, ką darau, linkiu jam didžiausios sėkmės ir tikiuosi, kad tai pavyks.

paslėpti