Forscher entwickeln Quantenbatterie mit ungewöhnlichem Ladeprinzip

Forscher der australischen Forschungsorganisation CSIRO haben einen Prototyp einer Quantenbatterie entwickelt, die sich mit zunehmender Größe immer schneller auflädt – genau das Gegenteil herkömmlicher Batterien. Die Forscher konnten zudem erstmals nachweisen, dass sich aus dem System elektrischer Strom gewinnen lässt. Damit ist das Konzept einem funktionsfähigen Energiespeicher einen weiteren Schritt nähergekommen.

Die ungewöhnliche Batterie wurde vom Quantenwissenschaftler James Quach und seinem Team entwickelt. Statt chemische Reaktionen zu nutzen, setzt sie auf Quanteneffekte, um Energie aufzunehmen und zu speichern. Der Prototyp basiert auf einem optischen Mikroresonator mit zwei winzigen Spiegeln, die nur etwa 100 Nanometer voneinander entfernt sind – rund tausendmal dünner als ein menschliches Haar. Der Zwischenraum ist mit organischen Farbstoffmolekülen gefüllt und wird mit einem Laser bestrahlt.

Diese Wechselwirkung zwischen Licht und Molekülen erzeugt hybride Licht-Materie-Zustände, sogenannte Polaritonen. Gleichzeitig tritt ein Phänomen namens Superabsorption auf, bei dem die Moleküle Energie nicht mehr unabhängig voneinander, sondern gemeinsam aufnehmen. Je mehr Moleküle vorhanden sind, desto schneller kann das System Energie absorbieren. Eine größere Quantenbatterie lässt sich dadurch schneller aufladen als eine kleinere.

Der Prototyp lädt sich innerhalb von Femtosekunden auf und kann die gespeicherte Energie für Nanosekunden halten. Das entspricht einer Speicherdauer, die etwa eine Million Mal länger ist als der Ladevorgang. Die speicherbare Energiemenge bleibt allerdings winzig und liegt bei nur wenigen Milliarden Elektronenvolt. Anwendungen in Smartphones oder Elektrofahrzeugen sind daher noch lange nicht in Sicht.

Der jüngste Durchbruch besteht darin, dass die Forscher eine zusätzliche Schicht integriert haben, die es ermöglicht, elektrischen Strom aus der Quantenbatterie zu gewinnen. Das Team wertet die Ergebnisse derzeit weiter aus und plant, die vollständigen Details in einer wissenschaftlichen Veröffentlichung vorzustellen.

Ein entscheidender Vorteil dieses Ansatzes ist, dass er bei Raumtemperatur funktioniert. Andere Konzepte für Quantenbatterien, die auf supraleitenden Materialien basieren, benötigen Temperaturen von unter etwa −150 °C. Das schränkt ihre praktische Nutzung außerhalb spezialisierter Umgebungen erheblich ein.

Die wahrscheinlich erste Anwendung für Quantenbatterien dürfte daher im Bereich des Quantencomputings liegen. Quach geht davon aus, dass die Technologie langfristig dazu beitragen könnte, den Energieverbrauch von Quantencomputern zu senken und sie gleichzeitig schneller sowie weniger fehleranfällig zu machen. Dadurch könnte auch die Verbreitung von Quantencomputern vorangetrieben werden.

Die größte Herausforderung besteht weiterhin darin, die gespeicherte Quantenenergie stabil, kontrolliert und effizient nutzbar zu machen. Quantenzustände reagieren empfindlich auf äußere Einflüsse und können durch ihre Umgebung gestört werden. Daher untersuchen Forscher auch Hybridkonzepte, die quantenbasierte Komponenten für schnelles Laden mit herkömmlichen Materialien kombinieren, die Energie über längere Zeiträume speichern können.

Das jüngste Experiment demonstriert jedoch ein Prinzip, das aus Sicht herkömmlicher Batterien nahezu absurd klingt: Je größer die Quantenbatterie, desto schneller lässt sie sich aufladen.