Dlaczego technologia kwantowa może być kluczem do alternatywnych źródeł energii
W obliczu szybkiego wyczerpywania się konwencjonalnych źródeł energii, takich jak paliwa kopalne, nie wspominając o ich niekorzystnym wpływie na środowisko, świat desperacko potrzebuje alternatywnych środków, aby zaspokoić nasze stale rosnące potrzeby energetyczne. Próby obejmują między innymi energię słoneczną, wiatrową, geotermalną i wodną, reaktory termojądrowe, energię wodorową i baterie sodowo-jonowe. Chociaż wszystkie te wysiłki były z pewnością godne pochwały, większość z nich stanęła przed poważnymi wyzwaniami i w rezultacie odniosła niewielki lub umiarkowany sukces. Trwają poszukiwania realnego substytutu paliw kopalnych, co po raz kolejny wystawia ludzką pomysłowość na próbę. Odpowiedź może jednak pochodzić z najbardziej nieprawdopodobnego miejsca – z kwantowej natury samej rzeczywistości.
Powstała ponad sto lat temu teoria kwantowa pozostaje przedmiotem wielu dyskusji i debat w samej społeczności fizyków. Częściowo wynika to z nieintuicyjnego charakteru tematu, ponieważ niezwykle trudno jest nam wyobrazić sobie, jak funkcjonuje świat w tak mikroskopijnej skali. Okazuje się, że wszechświat jest dość osobliwy w skali kwantowej i wydaje się przeczyć konwencjonalnej logice. Krótko mówiąc, teoria kwantowa jest po prostu dziwna. W rezultacie, mimo że jest to jak dotąd najbardziej skuteczna i najdokładniejsza teoria, nie jest ona jeszcze prawie kompletna, a istnieją podstawowe pytania, które pozostają bez odpowiedzi.
W obliczu szybkiego wyczerpywania się konwencjonalnych źródeł energii, takich jak paliwa kopalne, nie wspominając o ich niekorzystnym wpływie na środowisko, świat desperacko potrzebuje alternatywnych środków, aby zaspokoić nasze stale rosnące potrzeby energetyczne.
To długie dążenie do zrozumienia, jak działa natura na podstawowym poziomie, poprowadziło nas na nieoczekiwaną ścieżkę, której nie mogliśmy przewidzieć, i teraz błaga nas o zadanie ważnego pytania: Czy możliwe jest wykorzystanie kwantowej natury samej materii do stworzyć alternatywne źródło energii? Trwające badania w tej dziedzinie wydają się sugerować, że odpowiedź na to pytanie brzmi zdecydowanie „tak”. Niedawne prace nad „baterami kwantowymi” i „silnikami kwantowymi” wskazują, że technologia kwantowa może rzeczywiście stanowić klucz do przyszłości wytwarzania energii, a ledwo nawet zarysowaliśmy powierzchnię.
Baterie kwantowe
Choć na razie wydawało się to odległą rzeczywistością, grupa badawcza składająca się z naukowców z Uniwersytetu Tokijskiego i Pekińskiego Centrum Badań Obliczeniowych dokonała niedawno przełomu, który może sprawić, że baterie kwantowe staną się praktyczną rzeczywistością szybciej, niż oczekiwano. Konwencjonalne akumulatory chemiczne wykorzystują materiały takie jak lit do przechowywania ładunku. Z kolei baterie kwantowe wykorzystują pojedyncze cząstki, takie jak fotony, do magazynowania energii.
Panele słoneczne notorycznie tracą wydajność z powodu strat ciepła, ale wykorzystanie ICO może złagodzić te straty, prowadząc do znacznego zwiększenia produkcji energii.
Zasadniczą ideą, z której korzystała ta grupa, jest zjawisko czysto kwantowe znane jako „nieokreślony porządek przyczynowy (ICO)”, które modyfikuje nasze zwykłe pojęcie przepływu czasu. Świat makroskopowy kieruje się zasadą „przyczynowości”, jeśli zdarzenie 1 poprzedza wydarzenie 2, sytuacja odwrotna nie może mieć miejsca. Nie jest to jednak koniecznie prawdą w przypadku świata kwantowego. ICO zakłada, że zdarzenie 1 prowadzące do zdarzenia 2 oraz zdarzenie 2 prowadzące do zdarzenia 1 mogą mieć miejsce jednocześnie dzięki zasadzie „superpozycji”. Doprowadziło to do nieoczekiwanego rezultatu, że ładowarka o niższej mocy może zapewnić wyższą energię przy większej wydajności w porównaniu z ładowarką o większej mocy wykorzystującą to samo urządzenie.
Konsekwencje tego przełomu wykraczają daleko poza urządzenia przenośne. Zdolność ICO do manipulowania transferem ciepła w układach kwantowych może zrewolucjonizować wychwytywanie energii słonecznej. Panele słoneczne notorycznie tracą wydajność z powodu strat ciepła, ale wykorzystanie ICO może złagodzić te straty, prowadząc do znacznego zwiększenia produkcji energii.
Rysunek 1: Ładowanie akumulatorów kwantowych w nieokreślonym porządku przyczynowym. W klasycznym świecie, jeśli próbowałbyś naładować akumulator za pomocą dwóch ładowarek, musiałbyś to robić po kolei, ograniczając dostępne opcje do zaledwie dwóch możliwych kolejności. Jednak wykorzystanie nowatorskiego efektu kwantowego zwanego ICO otwiera możliwość ładowania akumulatorów kwantowych w wyraźnie niekonwencjonalny sposób. W tym przypadku wiele ładowarek ułożonych w różnej kolejności może istnieć jednocześnie, tworząc superpozycję kwantową. Źródło: Chen i wsp. (2023).
Silniki kwantowe
Chociaż silniki kwantowe są przedsięwzięciem bardziej ambitnym niż baterie, ostatnie prace naukowców z Uniwersytetu w Kaiserslautern w Niemczech sugerują, że mogą one posiadać ogromny potencjał w przyszłości. Podczas gdy konwencjonalne silniki wykorzystują „cykl Carnota” do zamiany ciepła lub energii cieplnej na pracę mechaniczną, ten konkretny silnik kwantowy wykorzystuje różnice energii, które powstają w wyniku statystycznych właściwości cząstek kwantowych.
Bozony gromadzą się w najniższym stanie energetycznym, podczas gdy fermiony wznoszą się i układają jeden na drugim, zwiększając w ten sposób energię układu.
Według mechaniki kwantowej przyroda składa się z dwóch rodzajów cząstek: bozonów i fermionów. Chociaż każdy stan energetyczny może pomieścić nieskończenie dużą liczbę bozonów, w danym momencie może pomieścić tylko jeden fermion, co oznacza, że żadne dwa fermiony nie mogą znajdować się w tym samym stanie. Jest to podstawa słynnej „Zasady wykluczenia Pauliego”.
Chociaż efekt ten nie jest istotny w temperaturze pokojowej, staje się coraz bardziej dominujący w miarę schładzania cząstek do temperatury zera absolutnego (-273o Celsjusza lub 0 Kelvina). Bozony gromadzą się w najniższym stanie energetycznym, podczas gdy fermiony wznoszą się i układają jeden na drugim, zwiększając w ten sposób energię układu. Dlatego w bardzo niskich temperaturach fermiony posiadają znacznie więcej energii niż bozony.
Rysunek 2: Niebieskie kulki oznaczają bozony, a czerwone i zielone oznaczają fermiony. Zielone i czerwone kulki odpowiadają dwóm stanom rotacji (spin w górę i w dół). Bozony gromadzą się w stanie podstawowym, podczas gdy fermiony wciąż wznoszą się w energię. Źródło: S. Will (2011).
Na początku XXI wieku odkryto, że za pomocą pól magnetycznych można przekształcić gaz fermionów w bozony i odwrotnie. Kiedy proces ten przebiega cyklicznie, różnicę energii pomiędzy fermionami i bozonami można w zasadzie przekształcić w energię mechaniczną, podobnie jak działa konwencjonalny silnik. Główna różnica polega na tym, że zamiast wykorzystywać ciepło, siłą napędową silników kwantowych okazuje się różnica w fundamentalnej naturze samych cząstek kwantowych.
Chociaż eksperyment był demonstracją słuszności koncepcji, nie można zaprzeczyć, jakie stwarza możliwości. Chociaż silniki kwantowe wydają się być realnym źródłem energii do zasilania komputerów kwantowych i czujników kwantowych w przyszłości, całkowicie prawdopodobne jest, że w przyszłości będą w stanie zasilić coś jeszcze większego.
Wniosek
Ostatnio nastąpił duży postęp technologiczny w dziedzinie energii alternatywnej i odnawialnej. Jednakże większość z nich, jeśli nie wszystkie, jest w decydującym stopniu uzależniona od ograniczonych zasobów, które w końcu się wyczerpią. Na przykład synteza jądrowa, mimo że jest jednym z najczystszych źródeł energii, nadal całkowicie opiera się na rzadkich materiałach, takich jak tryt. Poważne niedobory w dostawach półprzewodników miały ostatnio niekorzystny wpływ na produkcję pojazdów elektrycznych w 2023 r., branżę, która już w przyszłości będzie musiała stawić czoła załamaniom dostaw litu. I chociaż ekologiczny wodór wydaje się ekscytującą perspektywą, jest on obecnie zbyt drogi i nieefektywny, aby był ekonomicznie opłacalny, i nie wiadomo, czy zmieni się to w przyszłości.
Poważne niedobory w dostawach półprzewodników miały ostatnio niekorzystny wpływ na produkcję pojazdów elektrycznych w 2023 r., branżę, która już w przyszłości będzie musiała stawić czoła załamaniom dostaw litu.
W tym kontekście rozwiązaniem może być technologia kwantowa, ponieważ nie jest ona bezpośrednio zależna od żadnych zasobów zewnętrznych, a wytwarzanie energii opiera się raczej na naturze samej materii. Chociaż wyżej wymienione zmiany to zaledwie małe kroki we właściwym kierunku i może minąć wiele lat, zanim technologia kwantowa stanie się realnym źródłem wytwarzania energii, potencjał w tym zakresie jest ogromny. Baterie kwantowe mogą na przykład w przyszłości stanowić niezawodny zamiennik baterii litowo-jonowych. Biorąc pod uwagę koszty środowiskowe wydobycia litu, nie wspominając o jego rosnącym niedoborze, świat pilnie potrzebuje alternatywy, a technologia kwantowa może to zapewnić.
Indie w dalszym ciągu inwestują znaczne zasoby w energię alternatywną w ramach swoich celów zerowej netto do roku 2070, czego niedawnym przykładem jest Krajowa Misja dotycząca Zielonego Wodoru. Tym, czego tak naprawdę nie zbadano dotychczas, jest wytwarzanie energii kwantowej. Po ogłoszeniu Narodowej Misji Kwantowej w budżecie na 2023 r. przygotowano już podstawy. Włączenie wytwarzania energii kwantowej do zakresu NQM byłoby dobrym sposobem na rozpoczęcie wysiłków Indii w tej nowatorskiej i ekscytującej dziedzinie, która ma potencjał całkowitego przekształcenia krajobrazu produkcji energii, jaki znamy. Przyszłość wytwarzania energii może leżeć w mikroskopijnej domenie mechaniki kwantowej.
Prateek Tripathi jest asystentem naukowym w zakresie strategii i technologii bezpieczeństwa w Fundacji Badawczej Observer
Poglądy wyrażone powyżej są własnością autora(ów). Badania i analizy ORF są teraz dostępne na Telegramie! Kliknij tutaj, aby uzyskać dostęp do wybranych przez nas treści — blogów, długich formularzy i wywiadów.
