La nuova era della batteria quantistica si fa più vicina
Potrebbero rivoluzionare l’accumulo di energia per come lo conosciamo, offrendo vantaggi insuperabili in termini di densità energetica e velocità di ricarica. Allo stato attuale però non riescono a uscire dalla dimensione sperimentale. Parliamo delle batterie quantistiche o quantum battery, dispositivi che sfruttano i principi della meccanica quantistica per immagazzinare energia.
Concetto teorico relativamente recente, queste batterie stanno compiendo negli ultimi anni piccoli ma fondamentali progressi. L’ultimo degno di nota arriva dall’Australia. Qui un gruppo di ricercatori della RMIT University e del CSIRO, l’agenzia scientifica nazionale, ha svelato un metodo per estendere di oltre 1.000 volte la durata della batteria quantistica rispetto ai precedenti esperimenti, migliorando l’accumulo di energia da nanosecondi a microsecondi.
Per capire l’importanza di questo progresso, però, è necessario fare qualche passo indietro.
Cosa sono le batterie quantistiche?
Le quantum battery sono dispositivi di accumulo basati sulla sovrapposizione quantistica e le interazioni tra elettroni e luce anziché sulle reazioni chimiche. Come funzionano? L’energia viene immagazzinata negli stati eccitati di un sistema quantistico, come atomi o molecole. E può essere estratta inducendo transizioni tra questi stessi stati.
I vantaggi offerti sono molteplici. In teoria queste unità possono rivelarsi particolarmente efficienti grazie allo sfruttamento di effetti quantistici quali l’entanglement e il superassorbimento. E, in maniera del tutto contrintuitiva, possono caricarsi più rapidamente all’aumentare delle loro dimensioni. Inoltre possono immagazzinare molta più energia in un volume ridotto rispetto alle batterie elettrochimiche tradizionali.
Nonostante le promesse teoriche, lo sviluppo di una batteria quantistica funzionante appare come un percorso in salita. La sfida maggiore con questa tecnologia consiste nel mantenere la coerenza quantistica, ovvero la capacità dell’unità stessa di esistere simultaneamente in più stati quantici. Inoltre, affinché la quantum battery funzioni, i vari componenti devono rimanere in un delicato stato di entanglement non solo tra loro, ma anche con l’elemento responsabile della carica.
Batteria quantistica, l’altra faccia del superassorbimento
Non solo. Il superassorbimento costituisce un’arma a doppio taglio. Se da un lato consente la ricarica ultraveloce dall’altro introduce un effetto noto come superradianza, portando a una rapida scarica della batteria a causa delle perdite per emissione radiativa. I dispositivi realizzati finora hanno dimostrato velocità di ricarica impressionanti, ma hanno avuto problemi con velocità di scarica elevate, perdendo l’energia immagazzinata quasi con la stessa rapidità con cui si caricavano.
È a questo livello che si impone lo studio australiano.
Una nuova quantum battery più performante
I ricercatori si sono focalizzati sulla batteria quantistica basata sul modello Dicke che utilizza microcavità organiche per permettere il superassorbimento. Nel dettaglio il gruppo ha esaminato un tipo particolare di microcavità multistrato in cui uno strato “attivo” assorbe l’energia e la trasferisce agli stati di tripletto molecolare presenti in un altro strato di “accumulo”. Il lavoro ha identificato due modi in cui questo trasferimento può avvenire, basandosi su risonanze tra eccitoni-polaritoni. E ha scoperto che il massimo accumulo di energia negli stati di tripletto si verifica quando il polaritone e lo stato di tripletto hanno la stessa energia.
Il risultato? La batteria quantistica del gruppo è riuscita a immagazzinare energia per un periodo 1.000 volte più lungo rispetto alla dimostrazione precedente, migliorando l’accumulo di energia da nanosecondi a microsecondi.
Quando arriveranno le batterie quantistiche sul mercato?
Per ora appare ancora prematuro provare a immaginare una deadline per la commercializzazione. Il concetto è stato proposto per la prima volta nel 2013 e il primo modello di batteria quantica (il modello Dicke) ha visto la luce solo nel 2018. In altre parole, la ricerca è ancora solo all’inizio. Nonostante ciò c’è già chi guarda fiducioso al mercato.
Parliamo dell’italiana Planckian, spin-off congiunto dell’Università di Pisa e della Scuola Normale Superiore e prima società al mondo impegnata nello sviluppo delle batterie quantistiche. Nel 2023, Planckian, ha annunciato la chiusura di round di investimento “pre-seed” di quasi 3 milioni di euro guidato da “Eureka! Fund I – Technology Transfer”. La società è stata lanciata da Marco Polini e Vittorio Giovannetti, esperti di fisica della materia condensata e teoria quantistica dell’informazione.
Applicazioni possibili della batteria quantica
Innanzitutto una precisazione. C’è ancora molto lavoro da fare prima di poter utilizzare questi dispositivi in modo affidabile al di fuori di un laboratorio. Tuttavia un’applicazione a breve termine delle batterie quantiche potrebbe essere quella di migliorare la cattura dell’energia a bassa luminosità nelle celle solari utilizzate negli impianti fotovoltaici e nelle fotocamere.
“Sebbene una batteria quantistica funzionante potrebbe richiedere ancora del tempo, questo studio sperimentale ci ha permesso di progettare la prossima iterazione dei dispositivi”, ha affermato il coautore dello studio e fisico chimico del RMIT, il professor Daniel Gómez. “Si spera che un giorno le quantum battery possano essere utilizzate per migliorare l’efficienza delle celle solari e alimentare piccoli dispositivi elettronici”.