As baterias quânticas, com os seus métodos de carregamento inovadores, representam um salto na tecnologia de baterias, prometendo maior eficiência e aplicações mais amplas em soluções de energia sustentável. Crédito: SciTechDaily.com
Uma nova forma de carregar baterias aproveita o poder da “ordem causal indefinida”.
As baterias que exploram fenómenos quânticos para obter, distribuir e armazenar energia prometem superar as capacidades e a utilidade das baterias químicas convencionais em certas aplicações de baixo consumo de energia. Pela primeira vez, pesquisadores, incluindo os da Universidade de Tóquio, aproveitam um processo quântico não intuitivo que desconsidera a noção convencional de causalidade para melhorar o desempenho das chamadas baterias quânticas, aproximando um pouco mais esta tecnologia do futuro da realidade.
Baterias Quânticas em Energia Sustentável
Quando você ouve a palavra “quântico”, a física que governa o mundo subatômico, os desenvolvimentos em computadores quânticos tendem a roubar as manchetes, mas há outras tecnologias quânticas futuras às quais vale a pena prestar atenção. Um desses itens é a bateria quântica que, embora inicialmente intrigante no nome, possui um potencial inexplorado para soluções energéticas sustentáveis e possível integração em futuros veículos eléctricos. No entanto, estes novos dispositivos estão preparados para serem utilizados em diversas aplicações portáteis e de baixo consumo de energia, especialmente quando as oportunidades de recarga são escassas.
No mundo clássico, se você tentasse carregar uma bateria usando dois carregadores, teria que fazê-lo em sequência, limitando as opções disponíveis a apenas duas ordens possíveis. No entanto, aproveitar o novo efeito quântico denominado ICO abre a possibilidade de carregar baterias quânticas de uma forma distintamente não convencional. Aqui, vários carregadores dispostos em ordens diferentes podem existir simultaneamente, formando uma superposição quântica. Crédito: ©2023 Chen et al.
Avanços na pesquisa em baterias quânticas
Actualmente, as baterias quânticas existem apenas como experiências de laboratório, e investigadores de todo o mundo estão a trabalhar nos diferentes aspectos que se espera que um dia se combinem numa aplicação prática e totalmente funcional. O estudante de graduação Yuanbo Chen e o professor associado Yoshihiko Hasegawa, do Departamento de Engenharia de Informação e Comunicação da Universidade de Tóquio, estão investigando a melhor maneira de carregar uma bateria quântica, e é aqui que o tempo entra em jogo. Uma das vantagens das baterias quânticas é que elas devem ser incrivelmente eficientes, mas isso depende da forma como são carregadas.
“As baterias atuais para dispositivos de baixo consumo de energia, como smartphones ou sensores, normalmente usam produtos químicos como o lítio para armazenar carga, enquanto uma bateria quântica usa partículas microscópicas como conjuntos de átomos”, disse Chen. “Embora as baterias químicas sejam regidas pelas leis clássicas da física, as partículas microscópicas são de natureza quântica, por isso temos a oportunidade de explorar formas de as utilizar que distorcem ou mesmo quebram as nossas noções intuitivas do que acontece em pequenas escalas. Estou particularmente interessado na forma como as partículas quânticas podem funcionar para violar uma das nossas experiências mais fundamentais, a do tempo.”
Embora ainda seja um pouco maior do que a bateria AA que você pode encontrar em casa, o aparelho experimental que atua como uma bateria quântica demonstrou características de carregamento que um dia poderão melhorar a bateria do seu smartphone. Crédito: ©2023 Zhu et al.
Métodos de carregamento quântico
Em colaboração com o pesquisador Gaoyan Zhu e o professor Peng Xue do Centro de Pesquisa em Ciência Computacional de Pequim, a equipe experimentou maneiras de carregar uma bateria quântica usando aparelhos ópticos como lasers, lentes e espelhos, mas a maneira como conseguiram isso exigiu um efeito quântico onde os eventos não estão causalmente conectados como as coisas cotidianas. Os métodos anteriores para carregar uma bateria quântica envolviam uma série de estágios de carregamento, um após o outro. No entanto, aqui, a equipe usou um novo efeito quântico que eles chamam de ordem causal indefinida, ou ICO. 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 que ambas as direções de causalidade existam no que é conhecido como superposição quântica, onde ambas podem ser simultaneamente verdadeiras.
A intuição comum sugere que um carregador mais potente resulta em uma bateria com carga mais forte. No entanto, a descoberta decorrente da ICO introduz uma inversão notável nesta relação; agora é possível carregar uma bateria mais energética com significativamente menos energia. Crédito: ©2023 Chen et al.
Implicações da pesquisa sobre baterias quânticas
“Com o ICO, demonstramos que a forma como você carrega uma bateria composta de partículas quânticas pode impactar drasticamente seu desempenho”, disse Chen. “Observamos enormes ganhos 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 energias mais altas com maior eficiência do que um carregador de potência comparativamente maior usando o mesmo aparelho.”
O fenômeno da ICO que a equipe explorou poderia encontrar usos além do carregamento de uma nova geração de dispositivos de baixo consumo de energia. Os princípios subjacentes, incluindo o efeito de interação inversa aqui descoberto, poderiam melhorar o desempenho de outras tarefas que envolvem termodinâmica ou processos que envolvem a transferência de calor. Um exemplo promissor são os painéis solares, onde os efeitos do calor podem reduzir a sua eficiência, mas o ICO poderia ser usado para mitigá-los e, em vez disso, levar a ganhos de eficiência.
Referência: “Carregando baterias quânticas via ordem causal indefinida: teoria e experimento” por Gaoyan Zhu, Yuanbo Chen, Yoshihiko Hasegawa e Peng Xue, 13 de dezembro de 2023, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.240401
Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (Grant Nos. 92265209 e 12025401). YH reconhece o apoio do número de concessão JSPS KAKENHI JP22H03659. YC reconhece o apoio da JST SPRING, número de concessão JPMJSP2108.
