Anında Şarj Olan Kuantum Batarya Geliştirildi: Kapasitesi Şimdilik Çok Düşük
Bilim insanları, enerjiyi femtosaniye ölçeğinde emebilen ve ardından elektrik akımına dönüştürebilen ilk işlevsel kuantum batarya prototipini geliştirdi. Avustralya’nın ulusal bilim kurumu CSIRO öncülüğündeki ekip, yeni tasarımda süperabsorpsiyon etkisinden yararlanarak ışık enerjisinin moleküller tarafından kolektif biçimde emilmesini sağladı. Kuantum batarya şimdilik yalnızca birkaç milyar elektronvolt düzeyinde enerji depolayabildiği için akıllı telefon, dizüstü bilgisayar veya elektrikli otomobil gibi cihazlara güç verecek kapasiteye henüz ulaşmadı.
Kuantum Batarya Enerjiyi Çok Kısa Sürede Emilimle Topluyor
CSIRO, RMIT University ile University of Melbourne araştırmacılarının geliştirdiği prototip, ışık enerjisini depolama sürecinde klasik bataryalardan farklı bir fiziksel mekanizma kullanıyor. Araştırmacılar, yaklaşık 100 nanometre ölçeğinde bir optik mikro boşluk oluşturarak yapının içine ışığı emen bakır ftalosiyanin (CuPc) moleküllerini yerleştirdi. Aynalar arasında hapsolan ışık ile moleküller güçlü biçimde etkileşirken ortaya çıkan kolektif kuantum davranışı, enerjinin tek tek moleküller yerine birlikte emilmesini sağlıyor.
Süperabsorpsiyon adı verilen etki, molekül sayısı arttıkça şarj süresinin klasik bataryalardaki beklentinin tersine kısalmasına dayanıyor. Araştırmacıların önceki deneylerinde şarj süresinin molekül sayısının kareköküyle ters orantılı olarak değiştiği gösterilmişti. Yeni çalışmada ekip, önceki tasarıma enerji çıkarma katmanları ekleyerek depolanan enerjinin elektrik akımına dönüştürülebileceğini deneysel olarak ortaya koydu.
Araştırmacıların yeni prototipi, yalnızca enerjiyi hızlı biçimde içine alan bir yapı olmaktan çıkarak tam bir şarj-deşarj döngüsü gerçekleştirdi. Cihazın mikro boşluğuna eklenen yük taşıma katmanları, ışıkla uyarılan moleküllerden elektrik yüklerinin ayrılmasına yardımcı olurken depolanan enerjinin dış devreye aktarılmasını sağladı. Çalışma, kuantum bataryalarda süperabsorpsiyon ile elektrik üretiminin aynı cihaz üzerinde birleştirilebildiğini gösteren ilk deneysel örnek olarak tanımlandı.
Enerjinin depolanması ile elektrik üretimi arasındaki süre de deneyin önemli ayrıntılarından birini oluşturdu. Sistem ışık enerjisini son derece kısa bir zaman aralığında emerken oluşan uyarılmış durumun ömrü şarj lazer darbesinden yaklaşık altı mertebe daha uzun sürdü. Araştırmacılar böylece kuantum etkilerinin yalnızca hızlı enerji aktarımı sağlamadığını, depolanan enerjinin ölçülebilir bir elektrik çıkışına dönüştürülebileceğini de gösterdi.
Prototipin birkaç milyar elektronvolt seviyesindeki kapasitesi, teknolojinin günlük elektronik cihazlara ulaşmasının önündeki en büyük engel olarak öne çıkıyor. Bir telefon veya dizüstü bilgisayarın ihtiyaç duyduğu enerjiyle karşılaştırıldığında bu değer son derece küçük kalırken elektrikli otomobillerin enerji gereksinimi ölçeği daha da büyütüyor. CSIRO, mevcut prototipin geleneksel cihazları çalıştıracak düzeyde olmadığını açıkça belirtiyor.
Kuantum bataryanın asıl avantajı daha fazla enerji depolamak yerine enerjinin sisteme ne kadar hızlı aktarılabildiği noktasında ortaya çıkıyor. Geleneksel bataryalarda daha büyük kapasite genellikle daha uzun şarj süresi anlamına gelirken kuantum bataryalarda kolektif etkiler teorik olarak daha büyük sistemlerin daha hızlı şarj edilmesine yol açabiliyor. Araştırmacılar bu özelliğin özellikle çok kısa sürelerde enerji gerektiren özel kuantum teknolojileri açısından değer taşıyabileceğini değerlendiriyor.
Laboratuvar ortamında geliştirilen prototip, oda sıcaklığında çalışması sayesinde kuantum enerji teknolojilerindeki önemli bir mühendislik sorununu azaltıyor. Araştırma ekibi cihazı ortam koşullarında test ederken mikro boşluk mimarisi güçlü ışık-madde etkileşimini koruyarak enerji aktarımının ölçülmesini sağladı. Bazı kuantum teknolojilerinde gereken aşırı düşük sıcaklıkların aksine bu tasarımın oda sıcaklığında çalışması, gelecekte ölçeklendirme çalışmalarının önündeki soğutma yükünü azaltabilecek bir özellik olarak değerlendiriliyor.
James Quach liderliğindeki ekip, prototipin kapasitesini büyütmenin yanı sıra depolanan enerjinin daha uzun süre korunmasına odaklanıyor. Araştırmacılar, kuantum bileşeninin hızlı şarj özelliğini klasik bataryaların daha uzun süre enerji tutma kapasitesiyle birleştiren hibrit bir tasarım üzerinde çalışıyor. Birden fazla mikroskobik enerji depolama biriminin birlikte kullanılması da cihazın ölçeğini artırmak için değerlendirilen yaklaşımlar arasında bulunuyor.
Kuantum bataryaların ilk ticari kullanım alanının akıllı telefonlardan ziyade kuantum bilgisayarlar gibi özel sistemler olması daha gerçekçi görünüyor. Kuantum bilgisayarların ölçeklenmesi sırasında hızlı ve kontrollü enerji aktarımı önem kazanırken küçük miktarda enerjinin çok kısa zaman aralıklarında sağlanabilmesi bu cihazlar için klasik bataryalardan farklı bir değer sunabilir. CSIRO da kuantum bilgisayarların gelecekte bu tür enerji kaynakları için potansiyel kullanım alanlarından biri olabileceğini belirtiyor.
Araştırmanın yayımlandığı Light: Science & Applications çalışması, enerji çıkış gücünün sistemdeki molekül sayısıyla doğrusal olmayan biçimde artabildiğini de ortaya koyuyor. Ekip, güçlü ışık-madde etkileşiminin elektriksel deşarj gücünde süperdoğrusal ölçeklenme oluşturduğunu gösterirken düşük yoğunluklu ışık altında sürekli enerji dönüşümünün de gözlenebildiğini bildirdi. Bu sonuç, kuantum bataryaların yalnızca hızlı şarj edilen deneysel cihazlar olarak değil, düşük ışık koşullarında enerji hasadı sağlayabilecek yeni nesil sistemlerin bir parçası olarak araştırılmasının önünü açıyor.
Kuantum enerji depolama alanındaki asıl sınav, femtosaniyelik şarj hızını gerçek bir enerji kapasitesiyle birleştirmek olacak. Araştırmacılar depolama süresini uzatıp cihazı büyütebildikleri takdirde teknoloji, bugün kullanılan bataryaların doğrudan alternatifi olmaktan önce kuantum bilgisayarlar, sensörler ile düşük güç tüketimli özel elektronik sistemlerde yeni bir enerji çözümüne dönüşebilir.
