La civiltà umana che sia fotovoltaico o fusione, prima o poi dovrà rivolgersi alle energie rinnovabili, ciò è ritenuto inevitabile considerando la domanda energetica sempre crescente dell’umanità e la natura limitata dei combustibili fossili; pertanto, molte ricerche sono state portate avanti al fine di sviluppare fonti di energia alternative, la maggior parte della quale utilizza l’elettricità come principale vettore energetico.
L’ampia ricerca e sviluppo nelle energie rinnovabili, è stata accompagnata da graduali cambiamenti sociali quando il mondo ha adottato nuovi prodotti e dispositivi che funzionano con energie rinnovabili. Il cambiamento più sorprendente è stata la rapida adozione dei veicoli elettrici. Sebbene fossero stati visti raramente sulle strade anche 10 anni fa, ora milioni di auto elettriche vengono vendute ogni anno. Il mercato delle auto elettriche è uno dei settori in più rapida crescita.
I veicoli elettrici a differenza delle auto tradizionali, che traggono energia dalla combustione di idrocarburi, si basano sulle batterie come mezzo di stoccaggio per la loro energia. Le batterie per molto tempo, hanno avuto una densità di energia molto inferiore rispetto a quelle offerte dagli idrocarburi, il che ha portato a autonomia molto bassa dei primi veicoli elettrici.
Il graduale miglioramento delle tecnologie delle batterie, alla fine ha consentito alle gamme di guida delle auto elettriche di rientrare a livelli accettabili rispetto alle auto a benzina, non è un eufemismo che il miglioramento della tecnologia di accumulo della batteria sia stato uno dei principali colli di bottiglia tecnici che dovevano essere risolti per dare il via all’attuale rivoluzione dei veicoli elettrici. Tuttavia, nonostante i grandi miglioramenti nella tecnologia delle batterie, oggi i consumatori di veicoli elettrici devono affrontare un’altra difficoltà: la bassa velocità di ricarica della batteria. Attualmente, le auto impiegano circa 10 ore per ricaricarsi completamente a casa, anche i compressori più veloci delle stazioni di ricarica richiedono fino a 20-40 minuti per ricaricare completamente i veicoli, questo crea costi aggiuntivi e disagi per i clienti.
Gli scienziati per affrontare questo problema, hanno cercato risposte nel misterioso campo della fisica quantistica. La loro ricerca ha portato alla scoperta che le tecnologie quantistiche possono promettere nuovi meccanismi per caricare le batterie a un ritmo più veloce. Tale concetto di “batteria quantistica” è stato proposto per la prima volta in un articolo pubblicato da Alicki e Fannes nel 2012.
Vantaggio di carica quantistica
È stato teorizzato che le risorse quantistiche, come l’entanglement, possono essere utilizzate per accelerare notevolmente il processo di carica della batteria caricando contemporaneamente tutte le celle all’interno la batteria. Ciò è particolarmente entusiasmante poiché le moderne batterie di grande capacità possono contenere numerose celle. Tale carica collettiva non è possibile nelle batterie classiche, dove le celle vengono caricate in parallelo indipendentemente l’una dall’altra. Il vantaggio di questa carica collettiva rispetto a quella parallela può essere misurato dal rapporto chiamato “vantaggio di carica quantistica”. Più tardi, intorno all’anno 2017, è stato notato che ci possono essere due possibili fonti dietro questo vantaggio quantistico: vale a dire “operazione globale” (in cui tutte le cellule parlano con tutte le altre contemporaneamente, cioè “tutte sedute a un tavolo”) e l’accoppiamento totale (cioè “molte discussioni, ma ogni discussione ha solo due partecipanti”).
Recentemente, gli scienziati del Center for Theoretical Physics of Complex Systems all’interno dell‘Institute for Basic Science (IBS) hanno ulteriormente esplorato queste domande. L’articolo, che è stato scelto come “Suggerimento dell’editore” nella rivista Physical Review Letters, ha mostrato che l’accoppiamento totale è irrilevante nelle batterie quantistiche e che la presenza di operazioni globali è l’unico ingrediente del vantaggio quantistico. Il gruppo è andato oltre per individuare l’esatta fonte di questo vantaggio escludendo qualsiasi altra possibilità e ha persino fornito un modo esplicito per progettare tali batterie.
Ridotti al minimo i tempi di ricarica a casa e nelle stazioni di ricarica
Il team di ricercatori inoltre è stato in grado di quantificare con precisione quanta velocità di ricarica può essere raggiunta in questo schema, mentre la velocità di carica massima aumenta linearmente con il numero di celle nelle batterie classiche, lo studio ha dimostrato che le batterie quantistiche che utilizzano il funzionamento globale possono ottenere un ridimensionamento quadratico della velocità di carica. I ricercatori per illustrare questo aspetto, hanno preso in considerazione un tipico veicolo elettrico con una batteria che contiene circa 200 celle. L’utilizzo di questa ricarica quantistica porterebbe a un’accelerazione 200 volte superiore rispetto alle batterie classiche, ciò significa che il tempo di ricarica a casa verrebbe ridotto da 10 ore a circa 3 minuti, mentre nelle stazioni di ricarica ad alta velocità, il tempo di ricarica verrebbe ridotto da 30 minuti a 9 secondi.
I ricercatori affermano che le prospettive possono essere di vasta portata e che le implicazioni della ricarica quantistica possono andare ben oltre le auto elettriche e l’elettronica di consumo, ad esempio, potrebbe trovare l’utilizzo chiave nelle future centrali elettriche a fusione, che richiedono grandi quantità di energia per essere caricate e scaricate in un istante.
Le tecnologie quantistiche naturalmente sono ancora agli inizi, c’è molta strada da fare prima che questi metodi possano essere implementati nella pratica. Risultati di ricerca come questi, tuttavia, creano una direzione promettente e possono incentivare le agenzie di finanziamento e le imprese a investire ulteriormente in queste tecnologie. Se impiegate, si ritiene che le batterie quantistiche rivoluzionerebbero completamente il modo in cui utilizziamo l’energia e ci porterebbero un passo avanti verso il nostro futuro sostenibile.
