Bateria quântica australiana carrega com luz mais depressa do que um piscar de olhos

Na Austrália, uma equipa de investigação realizou uma experiência que desafia muitas das ideias estabelecidas sobre baterias. Em laboratório, demonstrou uma bateria quântica capaz de carregar sem fios através de luz e a uma velocidade superior à de um piscar de olhos. Embora pareça ficção científica, o avanço assenta em física rigorosa e poderá, a longo prazo, transformar profundamente os automóveis elétricos, os smartphones e os sensores.

O que está por trás da nova bateria quântica

O estudo foi conduzido por investigadores da agência científica australiana CSIRO, em colaboração com a Universidade de Melbourne e o RMIT. Foi publicado na revista científica “Light: Science & Applications”, uma publicação associada ao prestigiado grupo “Nature”.

Na sua essência, a bateria quântica é um minúsculo dispositivo de armazenamento de energia que, ao contrário das células convencionais de iões de lítio, não depende de reações químicas. Em vez de elétrodos e de iões em movimento, o protótipo explora deliberadamente efeitos da mecânica quântica - fenómenos que apenas surgem à escala dos átomos e dos fotões.

“A bateria absorve energia de um feixe laser num único evento extremamente breve, em vez de a armazenar lentamente, pouco a pouco.”

A diferença determinante é que a energia não chega através de um cabo nem resulta de reações lentas dos materiais: provém da luz. Um feixe laser incide sobre o sistema quântico, que absorve os fotões quase em simultâneo. A equipa descreve este processo como um efeito quântico controlado, passível de ser usado especificamente para o carregamento.

Superabsorção: como a bateria absorve energia “de uma só vez”

O princípio central recebe o nome de “superabsorção”. Isto significa que muitos dos componentes quânticos da bateria atuam em conjunto, absorvendo a luz de forma cooperativa, e não individualmente. O resultado é uma espécie de “golpe” coletivo de energia.

Em termos simples, enquanto os materiais clássicos absorvem fotões um após outro, as unidades ativas desta bateria quântica comportam-se como uma equipa perfeitamente coordenada. Todas respondem ao impulso luminoso ao mesmo tempo, em vez de aguardarem numa fila.

• A bateria é irradiada com energia por um laser.
• Os objetos quânticos do material estabelecem um forte acoplamento entre si.
• A estrutura acoplada absorve luz num único evento.
• Como consequência, o tempo de carregamento é drasticamente reduzido.

Para comprovar o efeito, a equipa recorreu a um laser ultrarrápido do laboratório de química da Universidade de Melbourne. Através de medições à escala dos femtossegundos - milionésimos de mil milionésimos de segundo -, os investigadores acompanharam a velocidade a que a energia entra no sistema. Os dados revelaram que o carregamento ocorre efetivamente em intervalos temporais minúsculos, muito além do que é conhecido nas baterias clássicas.

Quanto maior a bateria, mais depressa carrega - contraintuitivo, mas mensurável

Uma das conclusões mais surpreendentes foi que a velocidade de carregamento aumenta à medida que a bateria cresce. Isto contraria a experiência quotidiana, segundo a qual as baterias maiores permanecem mais tempo ligadas à tomada.

“A equipa confirma um efeito quântico fundamental: à medida que a dimensão aumenta, cresce o número de unidades que trabalham cooperativamente - e, com ele, a velocidade de carregamento possível.”

Em concreto, isto quer dizer:

• Um maior número de componentes quânticos ativos estabelece ligações mais fortes entre si.
• O “efeito de equipa” na absorção da luz torna-se mais intenso.
• A bateria consegue receber mais energia no mesmo intervalo extremamente curto.

À primeira vista, as implicações práticas parecem paradoxais: uma enorme bateria de automóvel elétrico a carregar mais depressa do que uma pequena bateria de telemóvel? No enquadramento da mecânica quântica, contudo, a observação é lógica, pois não estão em causa processos químicos de difusão, mas sim estados quânticos coletivos.

A distância entre o protótipo e produtos reais

Apesar do entusiasmo, a atual solução é uma montagem de laboratório, não uma bateria que possa ser instalada num smartphone. O protótipo demonstra que a superabsorção pode ser explorada em condições realistas, inclusive à temperatura ambiente. Isto é invulgar em fenómenos quânticos, que frequentemente só se mantêm estáveis perto do zero absoluto.

Ainda assim, persistem desafios fundamentais:

• A capacidade de armazenamento continua a ser muito baixa.
• Por enquanto, a bateria perde a carga com relativa rapidez.
• A expansão para módulos maiores é tecnicamente complexa.
• As questões de segurança associadas a lasers potentes no quotidiano ainda não estão esclarecidas.

Por esse motivo, os investigadores encaram o trabalho como uma prova de viabilidade. Mostram que é possível introduzir energia num armazenamento quântico de forma extremamente rápida e sem fios. A passagem para aplicações industriais exigirá agora materiais melhores, uma arquitetura inteligente e efeitos quânticos estáveis em sistemas de maior dimensão.

O que poderá significar para automóveis elétricos, smartphones e sensores

O responsável pelo projeto descreve um futuro em que os veículos elétricos carregam mais depressa do que os veículos a combustão abastecem. Poderiam existir superfícies de carregamento ou túneis com sistemas laser integrados, capazes de transferir enormes quantidades de energia para baterias quânticas durante paragens breves. Existem também cenários em que dispositivos portáteis carregam automaticamente ao entrarem no alcance de uma fonte de energia - sem fichas e sem bases de carregamento por indução.

Entre as aplicações realistas num futuro mais distante poderão estar:

• Postos de carregamento rápido para automóveis elétricos com tempos de carregamento de segundos
• Dispositivos vestíveis que se recarregam continuamente em espaços equipados com emissores laser
• Sensores industriais instalados em locais de difícil acesso e alimentados por impulsos de luz
• Drones que recebem energia durante o voo a partir de feixes direcionados

Para os consumidores, a utilização diária da energia mudaria de forma profunda: em vez de planeamento de carregamentos, ansiedade de autonomia e confusão de cabos, haveria impulsos de energia curtos e direcionados - algo semelhante aos pagamentos sem contacto, mas aplicado à eletricidade.

O que se deve entender por bateria quântica e superabsorção

A expressão bateria quântica pode soar misteriosa, mas refere-se simplesmente a um armazenamento que explora intencionalmente efeitos quânticos. A sua base são estados entrelaçados e excitações coletivas de muitas partículas. Ao contrário das baterias clássicas, em que cada ião se desloca isoladamente, aqui todo o sistema atua em conjunto.

A superabsorção descreve uma absorção de luz que aumenta mais do que proporcionalmente à dimensão. Se o número de componentes duplicar, a taxa de absorção cresce mais do que duas vezes. Os componentes “ajudam-se” mutuamente a captar a luz, em vez de se bloquearem uns aos outros.

Oportunidades, riscos e questões em aberto

As oportunidades são evidentes: tempos de carregamento muito mais curtos, abastecimento energético flexível e sem fios, além de uma melhor utilização de fontes renováveis que possam ser convertidas em luz. As baterias quânticas poderiam, por exemplo, absorver excedentes de eletricidade solar de forma extremamente rápida e libertá-los quando necessário.

Ao mesmo tempo, subsistem questões delicadas. Lasers de alta energia em espaços públicos implicam riscos de segurança. Ainda será necessário encontrar sistemas de materiais que se mantenham estáveis durante longos períodos sob radiação intensa. Além disso, os custos da ótica de precisão, do arrefecimento e do controlo continuam, até agora, a ser enormes.

Também é interessante a eventual combinação com outras tecnologias do futuro. Podem imaginar-se sistemas integrados nos quais computadores quânticos, comunicação quântica e baterias quânticas funcionem num único conjunto de chips. Um conjunto deste tipo poderia processar informação e, simultaneamente, gerir energia de uma forma que hoje ainda parece difícil de conceber.

Por agora, o protótipo australiano continua a ser uma visão espetacular de um possível futuro energético. Os resultados demonstram que os fundamentos físicos funcionam realmente - e que os maiores avanços surgem frequentemente onde a intuição habitual falha.