Japoneses exploram física quântica para criar baterias mais eficientes

Manchetes recentes de veículos especializados têm registrado cada vez mais marcos importantes na aplicação de computadores quânticos em trabalhos científicos e técnicos, mas já imaginou que a física quântica também pode ser útil no campo das baterias? Pesquisadores da Universidade de Tóquio estão explorando fenômenos quânticos buscando superar a utilidade e capacidade das baterias químicas convencionais em certas aplicações de baixo consumo de energia.

Atualmente, pesquisadores em várias partes do mundo estão trabalhando em diferentes aspectos das baterias quânticas – que armazenam a energia de fótons em vez de elétrons e íons, como nas baterias eletroquímicas convencionais – em experiências de laboratório. No caso do Departamento de Engenharia da Informação e da Comunicação da Universidade de Tóquio, o estudante de graduação Yuanbo Chen e o professor associado Yoshihiko Hasegawa estão investigando a melhor maneira de recarregar uma bateria quântica. Segundo eles, uma das vantagens das baterias quânticas é que podem ser incrivelmente eficientes, mas isso depende da forma como são carregadas.

No mundo da física clássica, para carregar uma bateria usando dois carregadores, isso teria de ser feito em sequência, limitando as opções disponíveis a apenas duas ordens possíveis. Na teoria quântica padrão, a ordem causal de ocorrência entre eventos é prescrita e deve ser definida. Isso foi mantido até agora nos cenários convencionais de operação das baterias quânticas. Nesse estudo, os pesquisadores deram um passo além ao explorar o efeito quântico denominado ordem causal indefinida, ou ICO, para carregar baterias quânticas usando vários carregadores dispostos em ordens diferentes, formando uma superposição quântica.

No domínio clássico, a causalidade segue um caminho claro, o que significa que se o evento A leva ao evento B, então a possibilidade de B causar A está excluída. No entanto, na escala quântica, o ICO permite ambas as direções de causalidade com base no que é conhecido como superposição quântica, fazendo com as duas afirmações acima possam ser simultaneamente verdadeiras.

No experimento japonês, em colaboração com o Centro de Pesquisa em Ciência Computacional de Pequim, foram realizados vários experimentos para carregar uma bateria quântica usando aparelhos ópticos como lasers, lentes e espelhos.

“Com o ICO, demonstramos que a forma como se carrega uma bateria composta de partículas quânticas pode impactar significativamente seu desempenho”, explica Chen. “Observamos ganhos enormes tanto na energia armazenada no sistema quanto na eficiência térmica. E, de forma um tanto contraintuitiva, descobrimos o efeito surpreendente de uma interação que é o inverso do que você poderia esperar: um carregador de menor potência poderia fornecer mais energia com mais eficiência do que um carregador de potência comparativamente maior usando o mesmo aparelho”, completa o pesquisador.

Segundo os pesquisadores, o fenômeno da ICO explorado nesse estudo poderia encontrar usos além da recarga uma possível nova geração de dispositivos de baixo consumo de energia. Poderia melhorar o desempenho de outras tarefas envolvendo termodinâmica ou transferência de calor. Um exemplo promissor são os painéis solares que, sob efeito do calor, hoje perdem eficiência; o ICO poderia ser usado para mitigar esse efeito, levando a ganhos de eficiência.

O conceito de baterias quânticas, que introduz a possibilidade de criar meios eficientes de armazenamento de energia em pequena escala, foi proposto formalmente pela primeira vez há 10 anos por Robert Alicki, da Universidade de Gdańsk, na Polônia, e Mark Fannes, da KU Leuven, na Bélgica. A ideia é explorar as dimensões microscópicas e suas características não clássicas, como emaranhamento, para ter baterias com processos de carregamento mais eficientes e mais rápidos do que mundo macroscópico. Desde então, muito tem sido pesquisado sobre o tema, examinando diferentes mecanismos de carga, densidade de energética e estabilidade, entre outros, sem, no entanto, chegar a um produto comercial.

Tempo de recarga

Um estudo de 2022 quantificou a aceleração máxima do tempo de carregamento de uma bateria que pode ser alcançada por meio de efeitos quânticos. Segundo pesquisadores do Instituto de Ciências Básicas da República da Coreia, mesmo com crescimento dos estudos sobre baterias quânticas com velocidades de recarga capazes de superar suas contrapartes clássicas, faltava uma estimativa teórica da dimensão dessa aceleração.

A pesquisa provou que a velocidade de carregamento das baterias quânticas pode crescer, no máximo, em proporção quadrática em relação ao número de células que compõem a bateria. No caso das baterias clássicas, essa escala é linear, cuja razão decorre do fato de as células serem normalmente carregadas em paralelo, o que significa que cada célula é carregada independentemente das outras. Já nas baterias quânticas, o protocolo de carregamento reúne múltiplas células.