{"id":14469,"date":"2023-12-19T16:33:58","date_gmt":"2023-12-19T16:33:58","guid":{"rendered":"https:\/\/network-king.net\/?post_type=articles&p=14469"},"modified":"2023-12-19T16:34:00","modified_gmt":"2023-12-19T16:34:00","slug":"innovation-aus-japan-mit-quantenphysik-zu-effizienteren-batterien","status":"publish","type":"articles","link":"https:\/\/network-king.net\/de\/innovation-aus-japan-mit-quantenphysik-zu-effizienteren-batterien\/","title":{"rendered":"Innovation aus Japan: Mit Quantenphysik zu effizienteren Batterien?"},"content":{"rendered":"\n

Die j\u00fcngsten Schlagzeilen der Fachmedien verzeichneten immer h\u00e4ufiger wichtige Meilensteine<\/a> bei der Anwendung von Quantenphysik \u2013 sowohl in der wissenschaftlichen als auch technischen Arbeit. Nun folgt der n\u00e4chste: Quantenphysik soll auch im Bereich der Batterien n\u00fctzlich sein. Das untersuchen derzeit Forscher der Universit\u00e4t Tokio. Im Rahmen eines Versuchs soll eruiert werden, inwiefern die Verwendbarkeit und Kapazit\u00e4t herk\u00f6mmlicher chemischer Batterien in bestimmten Niedrigenergieanwendungen \u00fcbertroffen werden kann.<\/p>\n\n\n\n

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 herk\u00f6mmlichen elektrochemischen Batterien, speichern. In der Abteilung f\u00fcr Informations- und Kommunikationstechnik der Universit\u00e4t Tokio untersuchen der Doktorand Yuanbo Chen und der au\u00dferordentliche Professor Yoshihiko Hasegawa, wie sich eine Quantenbatterie<\/a> am besten aufladen l\u00e4sst. Einer der Vorteile von Quantenbatterien ist nach Meinung der Forscher die Tatsache, dass sie unglaublich effizient sein k\u00f6nnen. Das hinge allerdings von der Art der Aufladung ab.<\/p>\n\n\n\n

In der Welt der klassischen Physik m\u00fcsste das Aufladen einer Batterie mit zwei Ladeger\u00e4ten nacheinander erfolgen, was die verf\u00fcgbaren Optionen auf nur zwei m\u00f6gliche Reihenfolgen einschr\u00e4nkt. 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 Ger\u00e4ten aufzuladen, die in unterschiedlicher Reihenfolge angeordnet sind und so eine Quantensuperposition bilden.<\/p>\n\n\n\n

Im klassischen Bereich folgt die Kausalit\u00e4t einem klaren Pfad, das hei\u00dft: Wenn Ereignis A zu Ereignis B f\u00fchrt, ist die M\u00f6glichkeit ausgeschlossen, dass B A verursacht. Auf der Quantenskala l\u00e4sst ICO jedoch beide Richtungen der Kausalit\u00e4t zu, basierend auf der so genannten Quanten\u00fcberlagerung, sodass die beiden oben genannten Aussagen gleichzeitig wahr sind.<\/p>\n\n\n\n

In dem japanischen Experiment wurden in Zusammenarbeit mit dem Beijing Computational Science Research Centre verschiedene Experimente durchgef\u00fchrt, um eine Quantenbatterie mit optischen Ger\u00e4ten wie Lasern, Linsen und Spiegeln aufzuladen.<\/p>\n\n\n\n

\u201eMit ICO haben wir gezeigt, dass die Art und Weise, wie man eine aus Quantenpartikeln bestehende Batterie aufl\u00e4dt, ihre Leistung erheblich beeinflussen kann\u201c, erkl\u00e4rt Chen. \u201eWir haben enorme Steigerungen sowohl bei der im System gespeicherten Energie als auch bei der thermischen Effizienz beobachtet. Und, etwas kontraintuitiv, entdeckten wir den \u00fcberraschenden Effekt einer Wechselwirkung, die das Gegenteil von dem ist, was man erwarten w\u00fcrde: Ein Ladeger\u00e4t mit geringerer Leistung kann mit ICO mehr Energie effizienter liefern als ein vergleichsweise leistungsst\u00e4rkeres Ladeger\u00e4t\u201c, f\u00fcgt der Wissenschaftler hinzu.<\/p>\n\n\n\n

Den Forschern zufolge k\u00f6nnte das in dieser Studie untersuchte ICO-Ph\u00e4nomen \u00fcber das Aufladen hinaus in einer m\u00f6glichen neuen Generation von Ger\u00e4ten mit geringem Stromverbrauch Verwendung finden. Es k\u00f6nnte die Leistung anderer Aufgaben verbessern, die mit Thermodynamik oder W\u00e4rme\u00fcbertragung zu tun haben. Ein vielversprechendes Beispiel sind Sonnenkollektoren, die heute unter dem Einfluss von W\u00e4rme an Effizienz verlieren; ICO k\u00f6nnte genutzt werden, um diesen Effekt abzuschw\u00e4chen, was zu Effizienzgewinnen f\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\n

Das Konzept der Quantenbatterien<\/a> wurde als M\u00f6glichkeit, effiziente Energiespeicher im kleinen Ma\u00dfstab zu schaffen, erstmals vor zehn Jahren von Robert Alicki von der Universit\u00e4t 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.\u00a0B. die Verschr\u00e4nkung) zu nutzen, um \u00fcber Batterien mit effizienteren und schnelleren Ladeprozessen als in der makroskopischen Welt zu verf\u00fcgen. Seitdem hat man viel zu diesem Thema geforscht, wobei unter anderem Auflademechanismen, Energiedichte und Stabilit\u00e4t untersucht wurden \u2013 ohne jedoch zu einem kommerziellen Produkt zu gelangen.<\/p>\n\n\n\n

Aufladezeit<\/h2>\n\n\n\n

In einer Studie aus dem Jahr 2022<\/a> wurde die maximale Beschleunigung der Ladezeit einer Batterie gemessen, die sich durch Quanteneffekte erreichen l\u00e4sst. Laut den Forschern des Instituts f\u00fcr Grundlagenwissenschaften der Republik Korea fehlte trotz der zunehmenden Studien \u00fcber Quantenbatterien \u2013 deren Ladegeschwindigkeit die ihrer klassischen Gegenst\u00fccke \u00fcbertreffen kann \u2013 eine theoretische Sch\u00e4tzung des Ausma\u00dfes dieser Beschleunigung.<\/p>\n\n\n\n

Die Forschung hat gezeigt, dass die Ladegeschwindigkeit von Quantenbatterien h\u00f6chstens quadratisch mit der Anzahl der Zellen, aus denen die Batterie besteht, wachsen kann. Bei klassischen Batterien ist diese Skala linear, was darauf zur\u00fcckzuf\u00fchren ist, dass die Zellen normalerweise parallel, also unabh\u00e4ngig von anderen, geladen werden. Bei Quantenbatterien hingegen werden mehrere Zellen in einem Ladeprotokoll zusammengef\u00fchrt. Es bleibt also abzuwarten, welche technischen Fortschritte Quantenbatterien in der Anwendung mit sich bringen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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