Innovation aus Japan: Mit Quantenphysik zu effizienteren Batterien?

Die jüngsten Schlagzeilen der Fachmedien verzeichneten immer häufiger wichtige Meilensteine bei der Anwendung von Quantenphysik – sowohl in der wissenschaftlichen als auch technischen Arbeit. Nun folgt der nächste: Quantenphysik soll auch im Bereich der Batterien nützlich sein. Das untersuchen derzeit Forscher der Universität Tokio. Im Rahmen eines Versuchs soll eruiert werden, inwiefern die Verwendbarkeit und Kapazität herkömmlicher chemischer Batterien in bestimmten Niedrigenergieanwendungen übertroffen werden kann.

Derzeit arbeiten Forscher in verschiedenen Teilen der Welt in Laborexperimenten an unterschiedlichen Aspekten von Quantenbatterien, die die Energie von Photonen statt von Elektronen und Ionen, wie in herkömmlichen elektrochemischen Batterien, speichern. In der Abteilung für Informations- und Kommunikationstechnik der Universität Tokio untersuchen der Doktorand Yuanbo Chen und der außerordentliche Professor Yoshihiko Hasegawa, wie sich eine Quantenbatterie am besten aufladen lässt. Einer der Vorteile von Quantenbatterien ist nach Meinung der Forscher die Tatsache, dass sie unglaublich effizient sein können. Das hinge allerdings von der Art der Aufladung ab.

In der Welt der klassischen Physik müsste das Aufladen einer Batterie mit zwei Ladegeräten nacheinander erfolgen, was die verfügbaren Optionen auf nur zwei mögliche Reihenfolgen einschränkt. In der Standard-Quantentheorie ist die kausale Reihenfolge des Auftretens von Ereignissen vorgeschrieben und muss festgelegt werden. Dies wurde bisher in konventionellen Quantenbatterie-Betriebsszenarien beibehalten. In ihrer Studie gingen die japanischen Forscher einen Schritt weiter, indem sie den Quanteneffekt der unbestimmten kausalen Ordnung (indefinite causal order, ICO) ausnutzten, um Quantenbatterien mit mehreren Geräten aufzuladen, die in unterschiedlicher Reihenfolge angeordnet sind und so eine Quantensuperposition bilden.

Im klassischen Bereich folgt die Kausalität einem klaren Pfad, das heißt: Wenn Ereignis A zu Ereignis B führt, ist die Möglichkeit ausgeschlossen, dass B A verursacht. Auf der Quantenskala lässt ICO jedoch beide Richtungen der Kausalität zu, basierend auf der so genannten Quantenüberlagerung, sodass die beiden oben genannten Aussagen gleichzeitig wahr sind.

In dem japanischen Experiment wurden in Zusammenarbeit mit dem Beijing Computational Science Research Centre verschiedene Experimente durchgeführt, um eine Quantenbatterie mit optischen Geräten wie Lasern, Linsen und Spiegeln aufzuladen.

„Mit ICO haben wir gezeigt, dass die Art und Weise, wie man eine aus Quantenpartikeln bestehende Batterie auflädt, ihre Leistung erheblich beeinflussen kann“, erklärt Chen. „Wir haben enorme Steigerungen sowohl bei der im System gespeicherten Energie als auch bei der thermischen Effizienz beobachtet. Und, etwas kontraintuitiv, entdeckten wir den überraschenden Effekt einer Wechselwirkung, die das Gegenteil von dem ist, was man erwarten würde: Ein Ladegerät mit geringerer Leistung kann mit ICO mehr Energie effizienter liefern als ein vergleichsweise leistungsstärkeres Ladegerät“, fügt der Wissenschaftler hinzu.

Den Forschern zufolge könnte das in dieser Studie untersuchte ICO-Phänomen über das Aufladen hinaus in einer möglichen neuen Generation von Geräten mit geringem Stromverbrauch Verwendung finden. Es könnte die Leistung anderer Aufgaben verbessern, die mit Thermodynamik oder Wärmeübertragung zu tun haben. Ein vielversprechendes Beispiel sind Sonnenkollektoren, die heute unter dem Einfluss von Wärme an Effizienz verlieren; ICO könnte genutzt werden, um diesen Effekt abzuschwächen, was zu Effizienzgewinnen führt.

Das Konzept der Quantenbatterien wurde als Möglichkeit, effiziente Energiespeicher im kleinen Maßstab zu schaffen, erstmals vor zehn Jahren von Robert Alicki von der Universität Danzig in Polen und Mark Fannes von der KU Leuven in Belgien formell vorgeschlagen. Die Idee ist, mikroskopische Dimensionen und ihre nicht-klassischen Eigenschaften (wie z. B. die Verschränkung) zu nutzen, um über Batterien mit effizienteren und schnelleren Ladeprozessen als in der makroskopischen Welt zu verfügen. Seitdem hat man viel zu diesem Thema geforscht, wobei unter anderem Auflademechanismen, Energiedichte und Stabilität untersucht wurden – ohne jedoch zu einem kommerziellen Produkt zu gelangen.

Aufladezeit

In einer Studie aus dem Jahr 2022 wurde die maximale Beschleunigung der Ladezeit einer Batterie gemessen, die sich durch Quanteneffekte erreichen lässt. Laut den Forschern des Instituts für Grundlagenwissenschaften der Republik Korea fehlte trotz der zunehmenden Studien über Quantenbatterien – deren Ladegeschwindigkeit die ihrer klassischen Gegenstücke übertreffen kann – eine theoretische Schätzung des Ausmaßes dieser Beschleunigung.

Die Forschung hat gezeigt, dass die Ladegeschwindigkeit von Quantenbatterien höchstens quadratisch mit der Anzahl der Zellen, aus denen die Batterie besteht, wachsen kann. Bei klassischen Batterien ist diese Skala linear, was darauf zurückzuführen ist, dass die Zellen normalerweise parallel, also unabhängig von anderen, geladen werden. Bei Quantenbatterien hingegen werden mehrere Zellen in einem Ladeprotokoll zusammengeführt. Es bleibt also abzuwarten, welche technischen Fortschritte Quantenbatterien in der Anwendung mit sich bringen.