Klassische Akkus haben ein Problem: Je größer die Kapazität, desto länger das Laden. Australische Forscher haben jetzt eine Quantenbatterie entwickelt, die genau das Gegenteil tut. Sie lädt sich per Licht auf, wandelt Energie direkt in Strom um und wird mit wachsender Größe schneller, nicht langsamer. Wir verraten dir, was dahintersteckt und warum das die Energietechnik neu definieren könnte.
Forscher aus Australien haben erstmals den kompletten Kreislauf einer voll funktionierenden Quantenbatterie demonstriert. Das System nutzt einfallendes Licht, um sich drahtlos aufzuladen und liefert anschließend direkt elektrischen Strom.
Der Kern der Batterie besteht aus speziellen organischen Farbstoffmolekülen, die in einem winzigen optischen Hohlraum eingebettet sind. In dieser Struktur verschmelzen die Moleküle durch starke Wechselwirkungen mit den eingefangenen Lichtteilchen.
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Diese enge Kopplung zwischen Licht und Materie führt zu einem Phänomen, das die Fachwelt als Superextensivität bezeichnet. Im normalen Alltag dauert das Laden eines klassischen Akkus umso länger, je mehr Kapazität er besitzt. Bei der neuen Quantenbatterie verhält sich dieser Prozess durch kollektive Quanteneffekte genau umgekehrt. Je mehr Moleküle die Batterie enthält, desto schneller nimmt das System Energie aus dem Lichtfeld auf.
Quantenbatterie spielt gegen die Regeln der klassischen Physik
Nach dieser fast augenblicklichen Aufladung muss das Bauteil die Energie speichern, bevor sie ungenutzt verfällt. Die Wissenschaftler nutzten dafür einen quantenmechanischen Kniff auf molekularer Ebene, der auf dem sogenannten Intersystem Crossing basiert.
Die aufgenommene Energie fällt rasch in einen metastabilen Zustand, wodurch die gespeicherte Ladung für zehn bis 50 Nanosekunden erhalten bleibt. Diese Zeitspanne ist absolut betrachtet kurz, übersteigt die extrem schnelle Ladezeit der Batterie jedoch um ein Millionenfaches.
Um diese ruhende Energie nutzbar zu machen, integrierten die Entwickler gezielt Transportschichten in ihr System. Diese Schichten erzeugen ein inneres Energiegefälle und lenken die freigesetzten elektrischen Ladungen in eine vorgegebene Richtung. Dadurch entsteht ein elektrischer Stromkreis, der eine messbare und stetige Leistung abgibt. So liefert die Batterie kontinuierlich Strom, selbst wenn sie nur durch eine schwache, unstrukturierte Lichtquelle bestrahlt wird.
Sensoren, Solar und Miniaturstrom: Was Quantenbatterien leisten könnten
Die Menge der abgegebenen elektrischen Leistung wächst bei dieser Architektur überproportional zur Größe der Batterie. Ein solches Verhalten war bisher in Experimenten zur Quantenthermodynamik weitgehend unentdeckt geblieben. Entsprechende Mechanismen ließen sich künftig für stark verbesserte Photovoltaik-Anlagen nutzen, die bei Dämmerlicht mehr Energie sammeln.
„Unsere Ergebnisse liefern die erste experimentelle Demonstration einer superextensiven Licht-zu-Ladung-Umwandlung im stationären Zustand“, so die Forscher in ihrer Studie. James Hutchinson, Professor an der Universität Melbourne, ergänzte:
Ähnlich wie herkömmliche Batterien laden, speichern und geben Quantenbatterien Energie ab. Doch während herkömmliche Batterien auf chemischen Reaktionen beruhen, nutzen Quantenbatterien die Eigenschaften der Quantenmechanik.
Bislang funktioniert dieses Prinzip in Prototypen bei Raumtemperatur unter Laborbedingungen. Künftige Geräte könnten als winzige, permanente Stromquellen für kleine elektronische Bauteile dienen. Auch autonome Sensoren ließen sich damit betreiben, da sie sich bei minimalem Lichteinfall ununterbrochen selbst aufladen würden. Eine Marktreife für herkömmliche Endgeräte dürfte jedoch noch intensive Materialforschung erfordern.
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