Híbridos y Eléctricos

INVESTIGACIÓN DEL IBS

Las baterías cuánticas permitirán recargar un coche eléctrico en unos segundos

El principio de carga de una batería cuántica difiere de la de una convencional. Mientras en esta las celdas se cargan en paralelo e independientemente unas de otras en una batería cuántica todas las celdas se cargan simultáneamente de manera colectiva, lo que acelera el proceso.

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Los científicos del Centro de Física Teórica de Sistemas Complejos del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) han explorado en profundidad las posibilidades de las baterías cuánticas. Con ellas se puede acelerar enormemente el proceso de carga al hacerlo todas las celdas dentro de ella simultáneamente y de manera colectiva. Empleando una operación global, en la que todas las celdas pueden “hablar” entre ellas se alcanza una escala cuadrática en la velocidad de carga. El tiempo de carga en un punto vinculado en el hogar pasaría de 10 horas a unos 3 minutos y en una estación de carga de alta velocidad, de 30 minutos a unos segundos.

Más tarde o más temprano, será necesario recurrir al uso de energías renovables, ya sean las que se emplean actualmente como la solar fotovoltaica, la eólica o la propia energía nuclear. Es una consecuencia inevitable teniendo en cuenta las demandas energéticas cada vez mayores de la humanidad y la naturaleza finita de los combustibles fósiles. Las investigaciones y los programas de I+D llevados a cabo para desarrollar fuentes de energía alternativas utilizan, la práctica mayoría de ellas, a la electricidad como principal vector de energía. El cambio más llamativo en la industria actual es el desarrollo de los vehículos eléctricos, uno de los mercados con mayor crecimiento en los últimos años.

Los vehículos eléctricos dependen de las baterías para poder recibir energía. Durante mucho tiempo estas han tenido una densidad energética muy inferior a la de los hidrocarburos, lo que daba como resultado autonomías muy bajas. Sin embargo, la mejora de su tecnología ha permitido alcances similares a los de los vehículos de combustión. La superación de este cuello de botella ha sido la clave para poner en marcha la actual revolución de los coches eléctricos.

Sin embargo, esta densidad energética no es suficiente, porque los conductores se enfrentan a otro hándicap fundamental: la velocidad de carga. En un punto vinculado, hoy en día un coche eléctrico puede tardar toda la noche en cargarse o incluso más. Pero incluso en las estaciones de recarga ultrarrápida existentes actualmente, el tiempo necesario continua siendo de entre 20 y 40 minutos, mucho más largo que repostar combustible.

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Con las baterías cuánticas, el tiempo de carga en un punto vinculado en el hogar pasa de 10 horas a unos 3 minutos.

Las baterías cuánticas y la recarga en segundos

Para abordar este problema, los científicos han buscado las respuestas en el misterioso campo de la física cuántica y al descubrimiento de que estas tecnologías prometen nuevos mecanismos para cargar baterías a un ritmo mucho más rápido. Dicho concepto de "batería cuántica" se propuso por primera vez en un artículo publicado por Alicki y Fannes en 2012. Se teorizó que los recursos cuánticos, como el entrelazamiento, se pueden usar para acelerar enormemente el proceso de carga de la batería al hacerlo todas las celdas dentro de ella simultáneamente y de manera colectiva.

Las baterías modernas de gran capacidad pueden contener numerosas celdas. Sin embargo, esa carga colectiva no es posible en las baterías clásicas, donde las celdas se cargan en paralelo e independientemente unas de otras. La ventaja de esta carga colectiva frente a la paralela puede medirse mediante la relación denominada "ventaja de carga cuántica". 

Alrededor del año 2017, se descubrió que pueden existir dos maneras de aprovechar esta ventaja cuántica. La 'operación global', en la que todas las celdas hablan con todas las demás simultáneamente (es decir, "todas sentadas en una mesa") y el 'acoplamiento total’, en el que cada celda puede hablar solo con la de al lado (es decir, "muchas discusiones, pero cada discusión tiene solo dos participantes"). 

Recientemente, científicos del Centro de Física Teórica de Sistemas Complejos del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) exploraron más a fondo estas posibilidades y sus descubrimientos fueron publicados en la revista Physical Review Letters. Allí se demuestra que el acoplamiento total es irrelevante en las baterías cuánticas y que es a través de las operaciones globales como se logra la ventaja de la carga cuántica. El grupo de trabajo llegó incluso más allá para identificar la fuente exacta de esta ventaja mientras descartaba cualquier otra posibilidad e incluso proporcionó una forma explícita de diseñar tales baterías.

Además, el grupo pudo cuantificar con precisión la velocidad de carga que se puede lograr con este esquema. En las baterías clásicas, la velocidad de carga máxima aumenta linealmente con la cantidad de celdas. Sin embargo, el estudio mostró que las baterías cuánticas que emplean una operación global pueden lograr una escala cuadrática en la velocidad de carga

Para poner esta conclusión en un contexto, se puede considerar un vehículo eléctrico típico con una batería que contiene alrededor de 200 celdas. Empleando la carga cuántica se lograría acelerar el proceso 200 veces con respecto a las baterías clásicas (todas las celdas se cargan a la vez), lo que significa que el tiempo de carga en un punto vinculado en el hogar pasa de 10 horas a unos 3 minutos. En las estaciones de carga de alta velocidad, el tiempo de carga se reduciría de 30 minutos a unos segundos.

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Los investigadores dicen que las consecuencias de llevar a la realidad esta manera de cargar las baterías cuánticas pueden ser de gran alcance y que sus implicaciones pueden ir mucho más allá de los vehículos eléctricos y la electrónica de consumo. Por ejemplo, se pueden encontrar aplicaciones en las futuras plantas de energía de fusión, que requieren grandes cantidades de energía para cargarse y descargarse en un instante. 

Por supuesto, las tecnologías cuánticas aún están en pañales y todavía les queda un largo camino por recorrer antes de que estos métodos puedan implementarse en la práctica. Sin embargo, los hallazgos de investigación como estos crean una dirección prometedora y pueden incentivar a las agencias de financiación y las empresas a invertir más en estas tecnologías.

En resumen, las baterías cuánticas revolucionarían por completo la forma en que usamos la energía y nos acercarían un paso más a nuestro futuro sostenible.

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