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La ricerca scientifica continua a esplorare nuovi orizzonti nella tecnologia delle batterie, e l’ultima innovazione arriva direttamente dal mondo quantistico. Un gruppo di ricercatori dell’Università RMIT in Australia, in collaborazione con CSIRO, ha appena pubblicato uno studio su PRX Energy che potrebbe rappresentare un punto di svolta: un prototipo di quantum battery è riuscito a estendere il tempo di conservazione dell’energia di oltre 1.000 volte rispetto alle dimostrazioni precedenti.
Un traguardo che, sebbene ancora lontano dall’applicazione su larga scala, potrebbe avere implicazioni significative anche nel settore della mobilità elettrica. Perché se da un lato oggi ci confrontiamo con limiti fisici e tecnologici delle batterie agli ioni di litio, dall’altro il mondo della meccanica quantistica sta iniziando a offrire soluzioni alternative in grado di migliorare velocità di ricarica e durata dei sistemi di accumulo.
La quantum battery è un concetto teorico sviluppato negli ultimi anni nel campo della fisica quantistica. A differenza delle batterie convenzionali, che accumulano energia attraverso reazioni chimiche, le batterie quantistiche si basano sull’interazione tra luce e materia a livello atomico, sfruttando proprietà come la sovrapposizione quantistica e l’entanglement per accelerare i processi di carica.
In particolare, il team australiano si è concentrato su un modello noto come Dicke Quantum Battery, che prevede l’utilizzo di una microcavità ottica dove le molecole assorbenti interagiscono collettivamente con la luce, permettendo un fenomeno chiamato superassorbimento: un meccanismo per cui più molecole cooperano per assorbire energia in modo esponenzialmente più efficiente.
Il problema? Fino a oggi, queste batterie si scaricavano altrettanto rapidamente, a causa della superradianza, un fenomeno speculare al superassorbimento, che accelera l’emissione spontanea della luce (cioè, la perdita di energia accumulata). Il risultato era un dispositivo capace di caricarsi in nanosecondi... ma anche di scaricarsi in nanosecondi.
Nello studio pubblicato su PRX Energy, i ricercatori hanno introdotto una novità cruciale: la separazione tra la fase di assorbimento (la carica) e quella di accumulo dell’energia. Hanno progettato un dispositivo a microcavità multistrato, con una zona “donatrice” che assorbe l’energia attraverso superassorbimento e una zona “accettrice” in grado di immagazzinarla sfruttando stati tripletto molecolari.
Gli stati tripletto sono stati elettronici “oscuri”, ovvero proibiti alla rilassazione radiativa rapida, e dunque in grado di trattenere l’energia per tempi molto più lunghi. Uno dei dispositivi realizzati dal team è riuscito a mantenere l’energia per 40,3 microsecondi, contro i pochi nanosecondi delle versioni precedenti: un miglioramento di oltre 1.000 volte.
La domanda sorge spontanea: questa tecnologia potrà mai arrivare sulle auto elettriche? La risposta breve è: non a breve termine, ma le potenzialità sono enormi. Nel mondo dell’auto elettrica, due sono le grandi sfide delle batterie:
Velocità di ricarica, oggi limitata dalle reazioni chimiche e dalla gestione termica;
Densità energetica e durata nel tempo, fondamentali per autonomia e ciclo vita.
Le quantum batteries, in teoria, potrebbero offrire una carica ultrarapida scalabile: più è grande il sistema, più veloce diventa la carica. Un vantaggio che potrebbe essere rivoluzionario non solo per i veicoli elettrici, ma anche per lo stoccaggio energetico da rinnovabili o per il trasporto pesante.
Il limite attuale, però, resta la densità energetica: gli stati eccitati utilizzati nelle quantum batteries non riescono ancora a raggiungere i livelli delle celle agli ioni di litio. Inoltre, la gestione di sistemi quantistici su larga scala richiede condizioni controllate (ad esempio temperature criogeniche) difficilmente compatibili con l’uso automobilistico quotidiano.
Lo studio guidato da Daniel Tibben e dal chimico-fisico Daniel Gómez apre nuove prospettive di ricerca. Infatti, il team sta già lavorando con partner industriali per sviluppare una nuova generazione di dispositivi, e tra gli obiettivi futuri c’è quello di arrivare a una batteria quantistica “coerente”, capace di sfruttare davvero il potenziale dell’entanglement quantistico in condizioni reali.
Tra le possibili applicazioni iniziali ci sono dispositivi elettronici miniaturizzati, celle solari più efficienti, e – in un futuro più lontano – veicoli elettrici dotati di sistemi di accumulo completamente nuovi.
Fonti:
