Nova bateria quântica carrega com luz em menos de um segundo

Nos laboratórios de Melbourne, foi alcançado um resultado que parece saído da ficção científica: uma minúscula bateria quântica absorve energia da luz numa fração de segundo. Por agora, trata-se ainda de um sistema experimental, mas a tecnologia poderá transformar profundamente os tempos de carregamento e a utilização de energia, dos smartphones aos automóveis elétricos.

Como funciona a nova bateria quântica

O protótipo foi desenvolvido por uma equipa da agência australiana CSIRO, em conjunto com a Universidade de Melbourne e a RMIT. A abordagem é radicalmente diferente da das baterias convencionais de iões de lítio, que dependem de reações químicas relativamente lentas.

Em alternativa, a bateria quântica tira partido das regras peculiares da física quântica. Em termos simples, numerosos estados energéticos são organizados num sistema acoplado comum, de modo a absorverem luz num único processo coletivo, em vez de o fazerem por partes.

“A bateria não carrega continuamente: absorve a energia do laser num só acontecimento, quase como um gigantesco trago energético de uma garrafa.”

A revista científica «Nature, Light: Science & Applications» descreve o sistema como ainda muito experimental, mas funcional. Segundo os investigadores, trata-se de uma demonstração clara de que um sistema de armazenamento quântico pode ser carregado sem contacto e a uma velocidade extremamente elevada.

Superabsorção: quando a energia da luz desaparece de uma só vez

O efeito central desta tecnologia chama-se «superabsorção». Em vez de partículas individuais absorverem quanta de luz, ou fotões, de forma independente, todo o sistema está entrelaçado de modo a receber a energia num processo coletivo.

Na prática, isto significa que a bateria não precisa de ser «enchida» lentamente com energia, como acontece nas atuais funções de carregamento rápido. A energia chega ao armazenamento quase por completo, numa janela de tempo muito curta.

• A bateria é irradiada por um laser.
• O sistema quântico entra num estado de excitação comum.
• A energia luminosa é absorvida num «superacontecimento».
• O carregamento demora bastante menos de um segundo.

Nos testes, a equipa recorreu a lasers ultrarrápidos da Faculdade de Química da Universidade de Melbourne. Estes equipamentos permitem efetuar medições em femtossegundos, intervalos de tempo durante os quais a luz percorre apenas alguns nanómetros. A essa escala, tornou-se claro que a energia não é absorvida em parcelas, mas num processo concentrado e muito breve.

Quanto maior a bateria quântica, mais depressa carrega

Uma das observações mais surpreendentes parece contrariar a intuição: quanto maior for a bateria quântica, mais rápido será o seu carregamento. Isto vai contra a experiência quotidiana com baterias convencionais, nas quais uma maior capacidade significa quase sempre tempos de carregamento mais longos.

“Nas baterias quânticas, a velocidade de carregamento aumenta com o tamanho do sistema - um efeito que decorre diretamente da física quântica e não pode ser explicado pela física clássica.”

A explicação está no acoplamento coletivo das muitas partículas envolvidas. Quanto maior for o número de partículas a trabalhar num estado quântico comum, mais intenso será o efeito de superabsorção. Os investigadores veem aqui uma vantagem quântica fundamental, impossível de reproduzir com tecnologias convencionais.

O que isto poderá significar a longo prazo para automóveis elétricos e dispositivos

A visão da equipa vai muito além de uma experiência laboratorial. Entre as aplicações possíveis estão smartphones carregados sem fios, que precisariam de ficar apenas brevemente sobre a secretária, e automóveis elétricos capazes de «atestar» em poucos segundos.

O responsável pelo projeto, James Quach, apresenta um objetivo ambicioso: um dia, os veículos elétricos deverão carregar mais depressa do que se abastecem os veículos com motor de combustão. Ao mesmo tempo, a equipa imagina dispositivos de uso diário que bastaria colocar ao alcance de um emissor para carregarem automaticamente, sem fichas, bases de carregamento por indução nem emaranhados de cabos.

Até que ponto é realista a utilização quotidiana?

Apesar de impressionantes, os resultados dizem respeito a uma bateria quântica que está ainda numa fase muito inicial. O protótipo atual tem uma capacidade minúscula. Demonstra sobretudo que o princípio de armazenamento funciona, e não que amanhã haverá já um produto de série à venda numa loja de eletrónica.

Para os investigadores, continuam a existir três desafios centrais:

• Aumento da capacidade: o sistema de armazenamento tem de poder crescer significativamente sem destruir o efeito quântico.
• Estabilidade da carga: a energia não pode dissipar-se ao fim de segundos ou minutos; tem de permanecer armazenada de forma utilizável.
• Funcionamento em condições normais: o sistema deve operar de modo fiável à temperatura ambiente, sem depender de condições extremas, como o vácuo ou temperaturas extremamente baixas.

Ainda assim, o protótipo agora apresentado já funciona à temperatura ambiente, um passo decisivo para a aplicação prática. Muitas outras experiências quânticas exigem arrefecimento complexo ou ambientes especiais.

O que distingue o armazenamento quântico das baterias comuns

Para compreender a importância desta tecnologia, é útil compará-la diretamente com as atuais células de iões de lítio.

A versão quântica não substitui a eletricidade nem a conservação da energia: altera apenas a rapidez e a eficiência com que a energia da luz é transferida para um sistema de armazenamento.

Oportunidades, riscos e questões em aberto

A nova tecnologia levanta inevitavelmente perguntas: quão seguro será manter um laser em funcionamento em espaços habitacionais ou junto a autoestradas? Como se podem evitar utilizações indevidas ou riscos para a saúde? Até agora, os investigadores referem-se a resultados de laboratório obtidos com feixes e potências rigorosamente controlados, e não à utilização quotidiana de lasers de alta energia sem controlo.

Ao mesmo tempo, surgem oportunidades para as redes elétricas e as energias renováveis. Sistemas de armazenamento com carregamento extremamente rápido poderão absorver melhor os picos momentâneos de potência das instalações solares e eólicas. Assim, a energia que hoje se perde por falta de capacidade de armazenamento poderia ser aproveitada de forma mais direcionada.

Para os consumidores, os efeitos seriam percetíveis: menor desgaste causado pelo carregamento rápido constante, esperas mais curtas e uma utilização mais flexível dos veículos elétricos. Em combinação com redes elétricas inteligentes, os sistemas de armazenamento quântico poderiam atenuar os picos de consumo e estabilizar os preços da eletricidade.

O significado dos termos quânticos neste contexto

Expressões como «superabsorção» ou «entrelaçamento» parecem muitas vezes abstratas. No essencial, descrevem o facto de as partículas se comportarem de maneira diferente em conjunto e isoladamente. Numa bateria quântica, o sistema completo reage à luz como um único grande recetor, em vez de funcionar como muitas pequenas antenas independentes.

Uma comparação com o quotidiano ajuda a visualizar a ideia: se uma bateria atual se assemelha a um balde que se enche gradualmente de água, a bateria quântica comporta-se mais como uma esponja que absorve a água de uma só vez. O desafio é construir essa esponja de modo que consiga depois reter a água de forma fiável.

Continua por saber se e quando estes sistemas de armazenamento chegarão ao mercado de massas. No entanto, o avanço australiano mostra que a física quântica não serve apenas para computadores exóticos: também pode revolucionar o carregamento de automóveis elétricos, computadores portáteis e eletrodomésticos.