Le batterie quantistiche possono rivoluzionare l’accumulo energetico

Per la prima volta un gruppo di ricercatori di Cina e Giappone sfrutta un processo quantistico non intuitivo che ignora la nozione convenzionale di causalità, per migliorare la ricarica delle cosiddette batterie quantistiche

batterie quantistiche
Credits: Università di Tokyo ©2023 Chen et al. CC-BY-ND

Il miglior modo per caricare una batteria quantistica

Potrebbero essere molto più efficienti, capaci e potenti delle ricaricabili tradizionali, ma il loro sviluppo è ancora fermo alle prime fasi. Parliamo delle batterie quantistiche, un tipo di batteria elettrica che utilizza i principi della meccanica quantistica per acquisire, immagazzinare e fornire energia. Questi dispositivi stanno riscuotendo minor attenzione mediatica rispetto a quella ricevuta dai computer quantistici, ma in realtà offrono lo stesso potenziale rivoluzionario. A patto di riuscire a tradurre la teoria in versioni pratiche e commercialmente valide. Al momento, infatti, esistono solo come esperimenti di laboratorio, nonostante diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo stiano lavorando al concetto di quantum battery, proposto formalmente per la prima volta solo 10 anni fa da Robert Alicki dell’Università di Danzica in Polonia e Mark Fannes della KU Leuven in Belgio.

Uno degli ultimi progressi in tal senso arriva da un gruppo di ricercatori dell’Università di Tokyo e del Beijing Computational Science Research Center alle prese con lo studio del miglior modo per caricare una batteria quantistica.

“Le attuali batterie per dispositivi a basso consumo, come smartphone o sensori, utilizzano normalmente sostanze chimiche come il litio per immagazzinare la carica. Al contrario una batteria quantistica utilizza particelle microscopiche come schiere di atomi”, ha affermato il ricercatore Yuanbo Chen, dell’Università di Tokyo. “Mentre le batterie chimiche sono governate dalle leggi classiche della fisica, le particelle microscopiche possiedono una natura quantistica, quindi abbiamo la possibilità di esplorare modi di usarle che piegano o addirittura infrangono le nostre nozioni intuitive di ciò che accade su piccola scala. Sono particolarmente interessato al modo in cui le particelle quantistiche possono agire per violare una delle nostre esperienze più fondamentali, quella del tempo”.

Le batterie quantistiche e l’ordine causale indefinito

In collaborazione con il ricercatore Gaoyan Zhu e il professor Peng Xue del Centro di ricerca cinese, il team ha sperimentato la carica di batterie quantistiche tramite l’impiego di apparecchi ottici come laser, lenti e specchi. Il modo in cui lo hanno ottenuto, tuttavia, richiedeva un preciso effetto quantistico in cui gli eventi seguono un ordine causale indefinito (indefinite causal order – ICO).

Nella fisica classica, la causalità segue un percorso chiaro: se l’evento A porta all’evento B, A deve essere accaduto prima di B ed esclusa la possibilità che B causi A.  Su scala quantistica, invece, l’ordine causale indefinito consente l’esistenza di entrambe le direzioni di causalità in quella che è nota come sovrapposizione quantistica, dove entrambe possono essere contemporaneamente vere.

“Con l’ICO, abbiamo dimostrato che il modo in cui si carica una batteria composta da particelle quantistiche potrebbe avere un impatto drastico sulle sue prestazioni”, ha affermato Chen. “Abbiamo riscontrato enormi miglioramenti sia nell’energia immagazzinata nel sistema che nell’efficienza termica. E, in modo un po’ controintuitivo, abbiamo scoperto l’effetto sorprendente di un’interazione che è l’inverso di quello che ci si potrebbe aspettare: un caricabatterie a bassa potenza potrebbe fornire energie più elevate con maggiore efficienza rispetto a un caricabatterie comparabilmente più potente che utilizza lo stesso apparato”.

Il fenomeno dell’ICO esplorato dal team potrebbe trovare usi oltre alla ricarica di una nuova generazione di dispositivi a basso consumo. I principi sottostanti, incluso l’effetto di interazione inversa scoperto qui, potrebbero migliorare le prestazioni di altri compiti che coinvolgono la termodinamica o processi che implicano il trasferimento di calore. Un esempio promettente sono i pannelli solari, dove gli effetti del calore possono ridurne l’efficienza, ma l’ordine causale indefinito potrebbe essere utilizzata per mitigarli e portare invece a guadagni di efficienza.

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