Een Australisch onderzoeksteam heeft iets gecreëerd dat klinkt als pure sciencefiction
Australische wetenschappers hebben een batterijprototype gepresenteerd dat door een laserstraal wordt opgeladen — vrijwel ogenblikkelijk en volledig zonder kabels. Het klinkt ongelooflijk, maar het gaat om een echt experiment dat gebaseerd is op de kwantumfysica.
Een onderzoeksteam verbonden aan CSIRO, de University of Melbourne en RMIT toonde ’s werelds eerste werkende kwantumaccu in een laboratoriumomgeving. In plaats van klassieke chemische reacties maakt de accu gebruik van kwantumfysische verschijnselen en absorbeert hij lichtenergie in één enkele, razendsnel verlopen handeling.
Het project is ontstaan binnen de Australische onderzoeksorganisatie CSIRO, in samenwerking met twee universiteiten uit Melbourne. De resultaten zijn gepubliceerd in een toonaangevend wetenschappelijk tijdschrift dat zich richt op fotonica en nieuwe energietechnologieën. Het centrale idee is een energieopslag te ontwikkelen die de beperkingen van conventionele lithium-ionbatterijen doorbreekt.
Zo werkt de superabsorptie van energie
Een klassieke batterij laadt op via een trage beweging van ionen en chemische reacties. In het kwantumprototype stroomt energie als laserlicht het materiaal in — volledig zonder draden. Het hele proces duurt minder dan één seconde en speelt zich af op tijdschalen gemeten in femtoseconden, dat wil zeggen biljoendsten van een seconde.
Het kwantumprototype wordt niet stap voor stap “gevuld”. In plaats daarvan absorbeert het in één gecoördineerde actie een hoeveelheid lichtenergie, waardoor de laadtijd radicaal wordt verkort. De onderzoekers omschrijven het gebruikte verschijnsel als superabsorptie.
Het concept berust op het idee dat de elementaire “bouwstenen” van de accu niet onafhankelijk van elkaar werken, maar zich gedragen als één gesynchroniseerd systeem. In de kwantummechanica kan de toestand van het materiaal zo worden ingesteld dat het collectief op licht reageert in plaats van individueel.
Bij een gewone batterij absorbeert elk materiaaldeel energie voor zichzelf. Hier gedraagt de hele structuur zich als één gigantische antenne voor fotonen. Hoe meer van deze elementen samenwerken, hoe gemakkelijker energie uit de laserstraal wordt geabsorbeerd — en hoe korter de laadtijd wordt.
Om te bevestigen dat het effect echt werkt, gebruikten de onderzoekers een ultrasnelle laser uit een scheikundelaboratorium van de University of Melbourne. Dergelijke apparatuur maakt het mogelijk om in microscopisch kleine tijdsfracties “in” het laadproces te kijken en te meten hoeveel energie het prototype daadwerkelijk bereikt.
Grotere kwantumaccu’s laden verrassend genoeg sneller op
De meest verrassende conclusie uit het onderzoek gaat over de schaalbaarheid van de technologie. In de klassieke batterijwereld betekent een grotere capaciteit doorgaans een langere laadtijd. Het Australische team bewijst precies het tegenovergestelde patroon voor kwantumaccu’s.
Naarmate het kwantummechanische systeem groter wordt, nemen de laadtijden niet toe — ze worden juist korter. Meer “actieve” elementen creëren een sterkere collectieve werking en een snellere energieabsorptie uit de laser. Zo’n resultaat staat volledig haaks op de intuïtie van ingenieurs die gewend zijn aan conventionele accu’s.
Vanuit de kwantumfysica bezien is het echter logisch: hoe meer moleculen er in één toestand gecorreleerd kunnen worden, hoe krachtiger hun gezamenlijke respons op licht wordt.
Belangrijkste kenmerken van het kwantumprototype
- Opladen gebeurt zonder kabels — uitsluitend via licht
- Energie wordt in één enkele gecoördineerde fase door de accu opgenomen
- De laadtijd wordt teruggebracht tot een fractie van een seconde
- Kwantumkoppeling tussen de elementen van het materiaal speelt een beslissende rol
- De onderzoekers maakten gebruik van een ultrasnelle laser uit een laboratorium in Melbourne
- De technologie zet klassieke schaalvergrotingsprincipes volledig op zijn kop
Wat kan dit betekenen voor elektrische auto’s en elektronica?
De onderzoekers erkennen openlijk dat ze kijken in de richting van de auto-industrie, consumentenelektronica en netwerkgebonden energieopslagsystemen. De visie is verleidelijk: een elektrische auto die enkele seconden bij een laadstation stilstaat, een gigantische impuls lichtenergie ontvangt en verder rijdt met een volle “tank”.
Draadloos opladen op afstand opent bovendien volledig nieuwe scenario’s thuis en op kantoor. Stel je een ruimte voor met een discrete zender die telefoons, laptops of koptelefoons oplaadt zodra het energieniveau daalt. Apparaten zouden vrijwel ophouden “leeg te lopen” op het meest ongelegen moment.
Van laboratorium tot eindproduct is er echter nog een lange weg te gaan. Het gaat om een prototype — niet om een kant-en-klaar accumodule voor een smartphone. De huidige versie heeft een zeer beperkte capaciteit en dient er voornamelijk toe te bevestigen dat het concept in de praktijk werkt. Voordat er een commerciële doorbraak kan plaatsvinden, zijn meerdere stappen vereist: hogere capaciteit, stabiele energieopslag over tijd, beheersing van energieverliezen en het ontwerp van een veilige infrastructuur voor vermogensoverdracht via licht.
Wat betekent “kwantumaccu” eigenlijk?
De term “kwantum” prikkelt al snel de verbeelding, maar de betekenis kan gemakkelijk verloren gaan. In dit geval gaat het om een heel concreet geheel van effecten: kwantumtoestanden waarbij vele moleculen of actieve centra als één systeem functioneren, gecombineerd met precieze controle over de manier waarop zij fotonen absorberen.
Het lijkt noch op een kernreactor, noch op een futuristische “energiebol”. Het is veeleer een gespecialiseerd materiaal dat onder de juiste omstandigheden anders gedraagt dan alles waarmee de klassieke elektronica ons vertrouwd heeft gemaakt. Onderzoekers van CSIRO benadrukken dat de kwantumkoppeling tussen de deeltjes van het materiaal de gesynchroniseerde fotonenabsorptie mogelijk maakt.
Bedrijven uit de energie- en auto-industrie tonen al interesse in het concept van razendsnelle energieopslag. Een combinatie van kwantumaccu’s en hernieuwbare energiebronnen zoals zonnepanelen of windparken zou in de toekomst de stabilisatie van het elektriciteitsnet kunnen vergemakkelijken. Fabrikanten van elektrische auto’s zouden bovendien een argument krijgen dat bestuurders werkelijk kan overtuigen: geen uren wachten meer bij een laadpaal.
Risico’s en uitdagingen die zelden worden benoemd
Fantastische visioenen over razendsnelle oplading overschaduwen gemakkelijk de moeilijke vragen. Systemen die grote hoeveelheden energie door de lucht overdragen, moeten voldoen aan strenge veiligheidsnormen. Het gaat daarbij niet alleen om de gezondheid van mensen, maar ook om interferentie met andere apparaten zoals optische communicatie of sensoren.
Ook de energiekant mag niet worden genegeerd. Er moet worden vastgesteld hoeveel vermogen er nodig is voor het praktisch opladen van een breed scala aan apparaten, en of een dergelijk proces aanzienlijke verliezen genereert. Kwantumtechnologieën kunnen op microschaal enorm efficiënt zijn, maar opschaling naar massamarktoplossingen blijkt vaak bijzonder lastig.
Onderzoekers van de University of Melbourne en RMIT wijzen erop dat het huidige prototype nog een reeks technische beperkingen kent. De materialen die in kwantumaccu’s worden gebruikt, moeten voldoen aan specifieke eisen op het gebied van coherentie en stabiliteit van kwantumtoestanden. De laserstraal vereist bovendien een precieze focussering en synchronisatie met het ontvangende systeem.
Waarom is het de moeite waard deze technologie te volgen?
Voor de gewone gebruiker draait het in de eerste plaats om gemak. Als de technologie volwassen wordt, kan ze dagelijkse gewoonten veranderen op dezelfde manier als snelladers voor telefoons of inductieladers dat deden. Het verschil is dat we het dit keer hebben over een aanzienlijk hogere snelheid.
Het Australische prototype toont aan dat dergelijke scenario’s niet louter indrukwekkende motieven zijn uit sciencefictionfilms. De resterende vraag is niet “of”, maar wanneer het ingenieurs lukt om kwantumsuperabsorptie om te zetten in iets wat daadwerkelijk in garages en broekzakken van gebruikers belandt. En of we dan nog zullen weten hoe het voelde om halverwege de dag nerveus naar een stopcontact te zoeken.
