Forscher erreichen Meilenstein bei Entwicklung von Quanten-Akkus

Durch Quantenbatterien könnten künftig neue Maßstäbe im Bereich der Energiespeicherung gesetzt werden. Ihre Funktionsweise beruht auf den Prozess der Superabsorption, der Fähigkeit eines Moleküls, Licht zu absorbieren.

Dieser Vorgang war bis jetzt nur in der Theorie erfolgreich und musste noch in einem entsprechend großem Maßstab demonstriert werden, um Quantenbatterien zu bauen. Wie New Atlas berichtet, haben Wissenschaftler*innen dieses quantenmechanische Prinzip nun in die Praxis umgesetzt und im Rahmen einer Studie in einem Proof-of-Concept-Gerät nachgewiesen. 

"Superabsorption ist ein kollektiver Quanteneffekt, bei dem Übergänge zwischen den Zuständen der Moleküle konstruktiv interferieren", erklärte James Quach, korrespondierender Autor der Studie. "Konstruktive Interferenz kommt bei allen Arten von Wellen vor (Licht, Schall, Wellen auf Wasser) und tritt auf, wenn sich verschiedene Wellen addieren, um einen größeren Effekt zu erzielen als jede Welle für sich allein. Entscheidend ist, dass die kombinierten Moleküle Licht effizienter absorbieren können, als wenn jedes Molekül einzeln agieren würde."

Je mehr energiespeichernde Moleküle vorhanden sind, desto effizienter können sie diese Energie absorbieren, ergo desto größer die Batterie ist, desto schneller wird sie aufgeladen.

Funktionsweise und Bau

Für das Testgerät verwendeten die Forscher*innen einen Farbstoff namens Lumogen-F Orange, der als eine aktive Schicht lichtabsorbierender Moleküle fungiert, in einer Mikrokavität zwischen 2 Spiegeln. Laut Quach wurden sie mit einer Standardmethode zur Herstellung von hochwertigen Spiegel produziert. "Dabei werden abwechselnde Schichten aus dielektrischen Materialien - Siliziumdioxid und Niobpentoxid - verwendet, um einen so genannten "verteilten Bragg-Reflektor" zu erzeugen. Dadurch entstehen Spiegel, die viel mehr Licht reflektieren als ein typischer Metall- bzw. Glasspiegel. Das sei wichtig, damit das Licht so lange wie möglich im Hohlraum bleibe.

Daraufhin wurde durch Transienten-Absorptionsspektroskopie gemessen, wie die Farbstoffmoleküle die Energie speichern und wie schnell das gesamte Gerät aufgeladen wird. Das Ergebnis belegte die Superabsorption, da sich mit zunehmender Größe des Mikrohohlraums und der Molekülanzahl, die Ladezeit verringerte.

Ein bedeutender Anfang

"Die Idee ist ein Grundsatzbeweis dafür, dass eine verstärkte Absorption von Licht in einem solchen Gerät möglich ist", erklärte Quach. "Die größte Herausforderung besteht jedoch darin, die Lücke zwischen dem Grundsatzbeweis für ein kleines Gerät und der Nutzung derselben Ideen in größeren, nutzbaren Geräten zu schließen." Diese Forschung steht zwar noch am Beginn, jedoch könnte dieser Erfolg ein Grundstein für die Nutzung von Quanten-Akkus sein.

Diese könnten in Zukunft schneller aufladende Elektrofahrzeuge oder Energiespeichersysteme Wirklichkeit werden lassen, die mit Energiespitzen aus erneuerbaren Quellen umgehen können. "Die nächsten Schritte bestehen darin, zu erforschen, wie dies mit anderen Möglichkeiten der Energiespeicherung und -übertragung kombiniert werden kann, um ein Gerät zu schaffen, das praktisch nutzbar ist", sagte Quach.