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Durchbruch bei Speichertechnik Quantenbatterie: Superabsorption macht extrem schnelle Aufladung möglich

James Quach hofft in drei bis fünf Jahren einen brauchbaren Prototypen bauen zu können. 
James Quach hofft in drei bis fünf Jahren einen brauchbaren Prototypen bauen zu können. 
© University of Adelaide
Wissenschaftler der University of Adelaide konnten einen Effekt der Quantenphysik nutzen, um Energie zu speichern. Ihre Quantenbatterie vereint die Funktionen von Solarpanels und Akkus. Sie benötigt keine seltenen Mineralien. Ein praktisch nutzbares Gerät soll in wenigen Jahren fertig sein.

In der Welt der Quantenphysik regieren Prinzipien, die im kompletten Widerspruch zur wahrnehmbaren Welt stehen. Zu ihnen gehört die Superabsorption. Bei ihr erhöht sich die Fähigkeit eines Moleküls, Licht zu absorbieren. Die Moleküle beginnen, auf geheimnisvolle Weise gemeinsam zu agieren, dadurch absorbieren sie weitaus stärker, als sie es einzeln können.

Quantenbatterien könnten eines Tages die Energiespeicherung revolutionieren, aufgrund dieses Paradoxons: Je größer die Batterie ist, desto schneller lädt sie sich auf. Ein Team von Wissenschaftlern der University of Adelaide hat nun zum ersten Mal das quantenmechanische Prinzip der Superabsorption, das Quantenbatterien zugrunde liegt, in einem Proof-of-Concept-Gerät nachgewiesen.

Je mehr, desto besser

"Superabsorption ist die Idee, dass die Rate, mit der das Licht vom Molekül absorbiert werden kann, tatsächlich zunimmt, wenn Sie die Anzahl der Moleküle erhöhen", erklärt Dr. James Quach, Hauptautor einer Studie, die in "Science Advances" veröffentlicht wurde. "Das ist ein kollektiver Quanteneffekt."

"So eine konstruktive Interferenz kommt bei allen Arten von Wellen vor (Licht, Schall, Wellen auf Wasser) und tritt auf, wenn sich verschiedene Wellen addieren, um einen größeren Effekt zu erzielen als jede Welle für sich allein. Entscheidend ist, dass die kombinierten Moleküle Licht effizienter absorbieren können, als wenn jedes Molekül einzeln agieren würde."

Superabsorption ist der Schlüssel zur Quantenbatterie. Wenn Moleküle Licht mit zunehmender Geschwindigkeit absorbieren können, können sie zum Bau von Quantenbatterien verwendet werden, die sich mit hoher Geschwindigkeit aufladen.

In der Theorie ist das Phänomen bekannt, nur konnte man es bislang nicht nutzbar machen. "Lange Zeit war das nur eine theoretische Idee", sagt Quach. "Wir waren die Ersten, die so etwas mit organischen Molekülen zeigen."

Panel und Speicher in einem Gerät

Die Forscher bauten ein "Proof of Concept"-Gerät. Dazu brachten sie eine Schicht lichtabsorbierender Moleküle zwischen zwei Spiegel. Natürlich handelte es sich nicht um einen Badezimmer-Spiegel. "Es werden abwechselnde Schichten aus dielektrischen Materialien – Siliziumdioxid und Niobpentoxid – verwendet, um einen sogenannten 'verteilten Bragg-Reflektor' zu erzeugen. Dadurch entstehen Spiegel, die viel mehr Licht reflektieren als ein typischer Metall-/Glasspiegel. Das ist wichtig, denn wir wollen, dass das Licht so lange wie möglich im Hohlraum bleibt."

Je größer der Mikrohohlraum und je höher die Anzahl der Moleküle wurde, desto mehr verringerte sich die Ladezeit. Die Superabsorption trat wie erhofft ein.

"Die Idee ist ein Grundsatzbeweis dafür, dass eine verstärkte Absorption von Licht in einem solchen Gerät möglich ist", so Quach. "Ich möchte nun eine durch Licht wiederaufladbare Quantenbatterie bauen."

Diese Art von Batterie wird mit Umgebungslicht geladen. Eine kühne Vision wäre, dass solche Geräte die Funktionen von Solarpanel und Akkuspeicher in sich vereinen. Quach schätzt, dass der Prototyp eines nutzbaren Geräts in drei bis fünf Jahren fertig sein könnte. Ein weiterer Effekt ist, dass diese Quantenbatterie ihre Energie in einem organischen Trägermaterial speichert. Sie benötigt nicht die knappen Rohstoffe, die heutige Akkuspeicher verwenden.

Quelle: Science Advanved


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