Neue Quantenladetechnologie: Ein Elektroauto in nur 9 Sekunden vollständig aufladen?

Angesichts der zunehmenden Beliebtheit von Elektrofahrzeugen machen sich immer mehr Verbraucher Gedanken über das Aufladen.

Bei den derzeit auf dem Markt befindlichen Elektrofahrzeugen dauert das vollständige Aufladen an der heimischen Ladestation etwa 10 Stunden. Selbst wenn Sie zu einer speziellen Schnellladestation gehen, dauert es mindestens 20 bis 40 Minuten, um ein Auto vollständig aufzuladen. Offensichtlich sind es auch die Unannehmlichkeiten beim Aufladen, die viele potenzielle Käufer davon abhalten, ein Elektrofahrzeug zu kaufen.

Gibt es also neue technologische Durchbrüche, um die Ladegeschwindigkeit von Elektrofahrzeugen zu erhöhen?

Kürzlich haben Wissenschaftler des Zentrums für Theoretische Physik komplexer Systeme des Institute for Basic Science (IBS) eine neue technische Lösung vorgeschlagen – die Quantenladetechnologie. Mithilfe der Quantenladetechnologie kann der herkömmliche Ladevorgang eines Elektrofahrzeugs um das 200-fache beschleunigt werden, wodurch sich die Ladezeit von 10 Stunden auf etwa 3 Minuten (zu Hause) bzw. von 30 Minuten auf 9 Sekunden an einer Ladestation verkürzt.

Die Popularität und Herausforderungen von Elektrofahrzeugen

Ob Photovoltaik oder Kernenergie: Die menschliche Zivilisation wird früher oder später auf erneuerbare Energien umsteigen müssen. Angesichts des ständig steigenden Energiebedarfs der Menschheit und der begrenzten Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe gilt dieser Trend zu erneuerbaren Energien als unvermeidlich.

Aus diesem Grund haben Wissenschaftler intensiv an der Entwicklung alternativer Energiequellen geforscht, von denen die meisten Elektrizität als Hauptenergieträger verwenden. Mit der weitverbreiteten Entwicklung erneuerbarer Energien haben sich auch neue Produkte und Geräte auf Basis erneuerbarer Energien rasant entwickelt. Die bedeutendste Veränderung ist die schnelle Verbreitung von Elektrofahrzeugen.

Während Elektroautos vor zehn Jahren auf den Straßen kaum zu sehen waren, erobern heute jedes Jahr Millionen davon Tausende von Haushalten. Der Markt für Elektrofahrzeuge hat sich zu einer der am schnellsten wachsenden neuen Energiebranchen entwickelt und Musk ist zu einem der reichsten Menschen der Welt geworden.

(Quelle: Pixabay)

Im Gegensatz zu herkömmlichen Autos, die ihre Energie aus der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen gewinnen, sind Elektrofahrzeuge auf Batterien als Speichermedium für ihre Energie angewiesen. Allerdings hatten Batterien lange Zeit eine viel geringere Energiedichte als Kohlenwasserstoffe, was zu sehr geringen Reichweiten bei frühen Elektrofahrzeugen führte.

Durch schrittweise Verbesserungen der Batterietechnologie wurde die Reichweite von Elektrofahrzeugen im Vergleich zu benzinbetriebenen Fahrzeugen jedoch letztendlich auf ein akzeptables Niveau gebracht. Es ist keine Übertreibung zu sagen, dass Verbesserungen in der Batteriespeichertechnologie einen der größten technischen Engpässe darstellen, die gelöst werden müssen, um die aktuelle Revolution der Elektrofahrzeuge voranzutreiben.

Trotz enormer Fortschritte in der Batterietechnologie stehen die heutigen Käufer von Elektrofahrzeugen noch immer vor einer weiteren Herausforderung: dem langsamen Aufladen der Batterie.

Quantenladetechnologie

Um dieses Problem zu lösen, begannen Wissenschaftler, im geheimnisvollen Bereich der Quantenphysik nach Antworten zu suchen.

Forscher haben herausgefunden, dass die Quantentechnologie zu neuen Mechanismen für schnelleres Aufladen von Batterien führen könnte. Das Konzept dieser „Quantenbatterie“ wurde erstmals in einem bahnbrechenden Artikel aus dem Jahr 2012 vorgeschlagen.

Theoretisch können Quantenressourcen zum Laden von Batterien verwendet werden, indem die Zellen in der Batterie gemeinsam und gleichzeitig geladen werden, wodurch der Ladevorgang der Batterie erheblich beschleunigt wird. Diese Entdeckung ist besonders aufregend.

(Quelle: Pixabay)

Später, etwa im Jahr 2017, wurde festgestellt, dass hinter diesem Quantenvorteil zwei mögliche Wege stecken könnten – nämlich der „globale Betrieb“ (alle Ladeeinheiten stehen allen anderen Einheiten gleichzeitig gegenüber, d. h. „alle sitzen an einem Tisch“) und die „Alle-an-alle-Kopplung“ (jede Ladeeinheit kann jeder anderen gegenüberstehen, d. h. „nur zwei Spieler pro Einheit“).

Allerdings ist unklar, ob beide Möglichkeiten notwendig sind und ob es Grenzen hinsichtlich der erreichbaren Ladegeschwindigkeiten gibt.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie sind Wissenschaftler diesen Fragen weiter nachgegangen. Der in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Artikel zeigt, dass die All-to-All-Kopplung bei Quantenbatterien irrelevant ist und dass das Vorhandensein eines globalen Betriebs der einzige Faktor ist, der für den Quantenvorteil verantwortlich ist.

Das Team ging noch einen Schritt weiter und ermittelte die genaue Quelle dieses Vorteils, während es alle anderen Möglichkeiten ausschloss und sogar eine klare Methode für die Entwicklung einer solchen Batterie bereitstellte.

Darüber hinaus hat das Team genau quantifiziert, wie schnell das Laden mit diesem Schema erreicht werden könnte. Während bei klassischen Akkumulatoren die maximale Ladegeschwindigkeit linear mit der Zellenzahl zunimmt, zeigen Untersuchungen, dass bei Quantenakkumulatoren mit globalem Betrieb eine exponentielle Steigerung der Ladegeschwindigkeit erreicht werden kann.

Abbildung | Vergleich zwischen aktuellen Elektrofahrzeugen und zukünftigen Fahrzeugen auf Basis der Quantenbatterietechnologie

Zur Veranschaulichung gingen die Forscher von einem herkömmlichen Elektroauto mit einer Batterie aus etwa 200 Zellen aus. Durch den Einsatz dieser Quantenladetechnologie werden Ladegeschwindigkeiten von 200-mal schneller erreicht als bei herkömmlichen Batterien, was bedeutet, dass sich die Ladezeit zu Hause von 10 Stunden auf etwa 3 Minuten verkürzt. Mit Schnellladestationen lässt sich die Ladezeit von 30 Minuten auf wenige Sekunden reduzieren.

Die Forscher sagten, die Auswirkungen dieser technischen Lösung könnten weitreichend sein und die Realisierung des Quantenladens könne weit über die Bereiche Elektrofahrzeuge und Unterhaltungselektronik hinausgehen. Beispielsweise könnte es in zukünftigen Kernkraftwerken eine entscheidende Rolle spielen, da dort große Energiemengen benötigt werden, um ein sofortiges Laden und Entladen zu ermöglichen.

Natürlich steckt die Quantentechnologie noch in den Kinderschuhen und bis zur praktischen Umsetzung dieser Methoden ist es noch ein weiter Weg.

Erkenntnisse wie diese eröffnen jedoch eine vielversprechende Richtung und könnten Fördereinrichtungen und Unternehmen dazu inspirieren, weiter in diese Technologien zu investieren. Wir sind überzeugt, dass Quantenbatterien, wenn sie realisiert werden, die Art und Weise, wie wir Energie nutzen, revolutionieren und uns einer nachhaltigen Zukunft näher bringen werden.

Quellen:

https://arxiv.org/abs/2108.02491

https://www.eurekalert.org/news-releases/946882

Quelle: Academic Headlines