Elektroautos so schnell aufladen wie Benzin tanken

Neue Technologie wird Ladezeit dank Quantenladung von zehn Stunden auf drei Minuten verkürzen

Die jüngste auffälligste Veränderung war die rasche Einführung von Elektrofahrzeugen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kfz sind Elektroautos auf Batterien als Energiespeicher angewiesen. Die hatten lange eine weitaus geringere Energiedichte als Kohlenwasserstoffe, was sehr geringe Reichweiten zur Folge hatte. Durch die schrittweise Verbesserung der Batterietechnologien konnten die Reichweiten von Elektroautos jedoch auf ein akzeptables Niveau gebracht werden. Es ist keine Untertreibung, dass die Verbesserung der Batteriespeichertechnologie einer der wichtigsten technischen Engpässe war, die gelöst werden mussten, um die gegenwärtige Revolution der Elektrofahrzeuge in Gang zu setzen. Letzte Hürde laut dem südkoreanischen Institut für Grundlagenforschung: Die Ladegeschwindigkeit.

E-Pkw, ladend vor Fossiltankstelle – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify

Trotz der enormen Verbesserungen in der Batterietechnologie sehen sich die Verbraucher von Elektrofahrzeugen heute mit einem weiteren Problem konfrontiert – der langsamen Ladegeschwindigkeit der Batterien. Gegenwärtig brauchen die Autos etwa zehn Stunden, um vollständig aufgeladen zu werden. Selbst die schnellsten Supercharger an den Ladestationen benötigen bis zu 20-40 Minuten. Dies verursacht zusätzliche Kosten und Unannehmlichkeiten für die Kunden. Um dieses Problem zu lösen, suchten Wissenschaftler nach Antworten im Gebiet der Quantenphysik. Ihre Suche hat zu der Entdeckung geführt, dass Quantentechnologien neue Mechanismen zum schnelleren Aufladen von Batterien versprechen könnten. Das Konzept der „Quantenbatterie“ wurde erstmals in einer bahnbrechenden Arbeit von Alicki und Fannes aus dem Jahr 2012 vorgeschlagen. Darin wurde die Theorie aufgestellt, dass Quantenressourcen, wie z. B. Verschränkung, genutzt werden können, um den Ladevorgang einer Batterie erheblich zu beschleunigen, indem alle Zellen innerhalb der Batterie gleichzeitig und kollektiv aufgeladen werden.

Dies ist besonders spannend, da moderne Batterien mit großer Kapazität zahlreiche Zellen enthalten können. Eine solche kollektive Ladung ist bei klassischen Batterien, bei denen die Zellen unabhängig voneinander parallel geladen werden, nicht möglich. Der Vorteil dieser kollektiven Ladung gegenüber der parallelen Ladung kann durch das Verhältnis gemessen werden, das als „Quantenladevorteil“ bezeichnet wird. Später, etwa 2017, wurde festgestellt, dass hinter diesem Quantenvorteil zwei mögliche Quellen stehen können, nämlich der „globale Betrieb“ (bei dem alle Zellen mit allen anderen gleichzeitig sprechen, d. h. „alle sitzen an einem Tisch“) und die „All-zu-All-Kopplung“ (jede Zelle kann mit jeder anderen, aber einer einzigen Zelle sprechen, d. h. „viele Diskussionen, aber jede Diskussion hat nur zwei Teilnehmer“). Es ist jedoch unklar, ob diese beiden Quellen notwendig sind und ob es Grenzen für die erreichbare Ladegeschwindigkeit gibt.

Kürzlich sind Wissenschaftler des Zentrums für Theoretische Physik komplexer Systeme im südkoreanischen Institut für Grundlagenforschung (IBS) in Daejeon diesen Fragen weiter nachgegangen. Die Arbeit, die von den Physical Review Letters als „Editor’s Suggestion“ ausgewählt wurde, zeigte, dass die Kopplung von allen zu allen in Quantenbatterien irrelevant ist und dass das Vorhandensein globaler Operationen die einzige Zutat für den Quantenvorteil ist. Die Gruppe ging noch weiter, um die genaue Quelle dieses Vorteils zu bestimmen, während sie alle anderen Möglichkeiten ausschloss, und lieferte sogar eine explizite Möglichkeit, solche Batterien zu entwerfen.

Von 30 Minuten auf neun Sekunden

Darüber hinaus konnte die Gruppe genau quantifizieren, wie viel Ladegeschwindigkeit in diesem Schema erreicht werden kann. Während die maximale Ladegeschwindigkeit bei klassischen Batterien linear mit der Anzahl der Zellen ansteigt, zeigte die Studie, dass Quantenbatterien mit globalem Betrieb eine quadratische Skalierung der Ladegeschwindigkeit erreichen können. Um dies zu veranschaulichen, betrachten wir ein typisches Elektrofahrzeug mit einer Batterie, die etwa 200 Zellen enthält. Der Einsatz dieser Quantenladung würde zu einer 200-fachen Beschleunigung gegenüber klassischen Batterien führen, was bedeutet, dass die Ladezeit zu Hause von 10 Stunden auf etwa 3 Minuten verkürzt würde. An Hochgeschwindigkeitsladestationen würde sich die Ladezeit von 30 Minuten auf nur wenige Sekunden verkürzen.

Die Forscher sagen, dass die Folgen weitreichend sein und die Auswirkungen der Quantenladung weit über Elektroautos und Unterhaltungselektronik hinausgehen können. So könnte sie beispielsweise in künftigen Fusionskraftwerken zum Einsatz kommen, in denen große Energiemengen in kürzester Zeit geladen und entladen werden müssen. Natürlich stecken die Quantentechnologien noch in den Kinderschuhen, und es ist noch ein weiter Weg, bis diese Methoden in der Praxis eingesetzt werden können. Forschungsergebnisse wie diese weisen jedoch in eine vielversprechende Richtung und können Fördereinrichtungen und Unternehmen dazu veranlassen, weiter in diese Technologien zu investieren. Man geht davon aus, dass Quantenbatterien, wenn sie eingesetzt werden, die Art und Weise, wie wir Energie nutzen, vollständig revolutionieren und uns unserer nachhaltigen Zukunft einen Schritt näher bringen würden.

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