Los japoneses exploran la física cuántica para crear baterías más eficientes

En los últimos titulares de los medios especializados se han registrado cada vez más hitos importantes en la aplicación de los ordenadores cuánticos a trabajos científicos y técnicos, pero ¿alguna vez ha imaginado que la física cuántica también podría ser útil en el campo de las baterías? Investigadores de la Universidad de Tokio están explorando los fenómenos cuánticos en un intento de superar la utilidad y capacidad de las baterías químicas convencionales en determinadas aplicaciones de bajo consumo energético.

En la actualidad, investigadores de diversas partes del mundo trabajan en distintos aspectos de las baterías cuánticas -que almacenan la energía de fotones en lugar de electrones e iones, como las baterías electroquímicas convencionales- en experimentos de laboratorio. En el caso del Departamento de Ingeniería de la Información y la Comunicación de la Universidad de Tokio, el estudiante de posgrado Yuanbo Chen y el profesor asociado Yoshihiko Hasegawa investigan la mejor forma de recargar una batería cuántica. Según ellos, una de las ventajas de las baterías cuánticas es que pueden ser increíblemente eficientes, pero esto depende de cómo se carguen.

En el mundo de la física clásica, para cargar una batería utilizando dos cargadores, habría que hacerlo en secuencia, lo que limitaría las opciones disponibles a sólo dos órdenes posibles. En la teoría cuántica estándar, el orden causal de ocurrencia entre sucesos está prescrito y debe definirse. Esto se ha mantenido hasta ahora en los escenarios de funcionamiento de las baterías cuánticas convencionales. En este estudio, los investigadores dieron un paso más explotando el efecto cuántico denominado orden causal indefinido, u OIC, para cargar baterías cuánticas utilizando varios cargadores dispuestos en distintos órdenes, formando una superposición cuántica.

En el ámbito clásico, la causalidad sigue un camino claro, lo que significa que si el suceso A conduce al suceso B, entonces se descarta la posibilidad de que B cause A. Sin embargo, en la escala cuántica, la ICO permite ambas direcciones de causalidad basándose en lo que se conoce como superposición cuántica, lo que hace que las dos afirmaciones anteriores sean simultáneamente ciertas.

En el experimento japonés, realizado en colaboración con el Centro de Investigación de Ciencias Computacionales de Pekín, se llevaron a cabo varios experimentos para cargar una batería cuántica utilizando dispositivos ópticos como láseres, lentes y espejos.

“Con ICO hemos demostrado que la forma de cargar una batería compuesta de partículas cuánticas puede influir significativamente en su rendimiento”, explica Chen. “Observamos enormes ganancias tanto en la energía almacenada en el sistema como en la eficiencia térmica. Y, de forma un tanto contraintuitiva, descubrimos el sorprendente efecto de una interacción inversa a la que cabría esperar: un cargador de menor potencia podría suministrar más energía de forma más eficiente que un cargador comparativamente de mayor potencia que utilizara el mismo dispositivo”, añade el investigador.

Según los investigadores, el fenómeno ICO explorado en este estudio podría encontrar usos más allá de la recarga en una posible nueva generación de dispositivos energéticamente eficientes. Podría mejorar el rendimiento de otras tareas que impliquen termodinámica o transferencia de calor. Un ejemplo prometedor son los paneles solares que, bajo el efecto del calor, hoy pierden eficiencia; ICO podría utilizarse para mitigar este efecto, lo que supondría un aumento de la eficiencia.

El concepto de baterías cuánticas, que introduce la posibilidad de crear medios eficientes de almacenar energía a pequeña escala, fue propuesto formalmente por primera vez hace 10 años por Robert Alicki, de la Universidad de Gdańsk (Polonia), y Mark Fannes, de la KU Leuven (Bélgica). La idea es aprovechar las dimensiones microscópicas y sus características no clásicas, como el entrelazamiento, para disponer de baterías con procesos de carga más eficientes y rápidos que en el mundo macroscópico. Desde entonces se ha investigado mucho sobre el tema, examinando distintos mecanismos de carga, densidad energética y estabilidad, entre otros, sin llegar, sin embargo, a un producto comercial.

Tiempo de recarga

Un estudio de 2022 cuantifica la aceleración máxima del tiempo de carga de una batería que puede conseguirse mediante efectos cuánticos. Según los investigadores del Instituto de Ciencias Básicas de la República de Corea, incluso con el crecimiento de los estudios sobre baterías cuánticas con velocidades de recarga capaces de superar a sus homólogas clásicas, faltaba una estimación teórica de la magnitud de esta aceleración.

La investigación demostró que la velocidad de carga de las baterías cuánticas puede crecer como máximo en proporción cuadrática al número de celdas que la componen. En el caso de las baterías clásicas, esta escala es lineal, y la razón se debe a que las celdas se cargan normalmente en paralelo, lo que significa que cada celda se carga independientemente de las demás. En cambio, en las baterías cuánticas, el protocolo de carga reúne varias células.