La carga cuántica reducirá el tiempo de carga de los vehículos eléctricos de diez horas a tres minutos, según un estudio publicado por el Instituto de Ciencias Básicas de Corea. Ya sea fotovoltaica o fusión, tarde o temprano, la civilización humana debe recurrir a las energías renovables. Esto se considera inevitable teniendo en cuenta las demandas energéticas cada vez mayores de la humanidad y la naturaleza finita de los combustibles fósiles. Como tal, se ha llevado a cabo mucha investigación para desarrollar fuentes alternativas de energía, la mayoría de las cuales utilizan la electricidad. La extensa I+D en energías renovables ha ido acompañada de cambios sociales graduales a medida que el mundo adoptaba nuevos productos y dispositivos que funcionan con energías renovables. El cambio más llamativo recientemente es la rápida adopción de vehículos eléctricos.
Aunque apenas se veían en las carreteras hace 10 años, ahora se venden anualmente millones de coches eléctricos.
El mercado de los coches eléctricos es uno de los sectores de más rápido crecimiento
A diferencia de los automóviles tradicionales que obtienen energía de la combustión de combustibles de hidrocarburos, los vehículos eléctricos dependen de las baterías como medio de almacenamiento de su energía. Durante mucho tiempo, las baterías tenían una densidad energética muy inferior a la que ofrecían los hidrocarburos, lo que daba como resultado unas autonomías muy bajas de los primeros vehículos eléctricos. Sin embargo, la mejora gradual en las tecnologías de las baterías finalmente permitió que los rangos de manejo de los autos eléctricos estuvieran dentro de niveles aceptables en comparación con los autos que queman gasolina.
No es una subestimación que la mejora en la tecnología de almacenamiento de baterías fue uno de los principales cuellos de botella técnicos que tuvieron que resolverse para poner en marcha la actual revolución de los vehículos eléctricos.
Sin embargo, a pesar de las grandes mejoras en la tecnología de las baterías, hoy en día los consumidores de vehículos eléctricos se enfrentan a otra dificultad: la velocidad de carga de la batería es lenta. Actualmente, los coches tardan unas 10 horas en recargarse completamente en casa. Incluso los supercargadores más rápidos en las estaciones de carga requieren de 20 a 40 minutos para recargar completamente los vehículos. Esto crea costos adicionales e inconvenientes para los clientes.
Para abordar este problema, los científicos buscaron respuestas en el misterioso campo de la física cuántica. Su búsqueda ha llevado al descubrimiento de que las tecnologías cuánticas pueden prometer nuevos mecanismos para cargar baterías a un ritmo más rápido. Dicho concepto de «batería cuántica» se propuso por primera vez en un artículo seminal 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 cargar todas las celdas dentro la batería simultáneamente de manera colectiva.
Carga colectiva de celdas frente a las baterías clásicas
Esto es particularmente emocionante ya que las baterías modernas de gran capacidad pueden contener numerosas celdas. Tal carga colectiva no es posible en las baterías clásicas, donde las celdas se cargan en paralelo independientemente unas de otras. La ventaja de esta carga colectiva frente a la paralela puede medirse mediante la relación denominada «ventaja de carga cuántica». Más tarde, alrededor del año 2017, se notó que puede haber dos posibles fuentes detrás de 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 ‘acoplamiento de todos a todos’ (cada celda puede hablar entre sí, pero una sola celda, es decir, «muchas discusiones, pero cada discusión tiene solo dos participantes»). Sin embargo,
Figura 1. Una ilustración pictórica del vehículo eléctrico actual frente al vehículo del futuro basado en tecnologías de baterías cuánticas. Emplear la carga cuántica daría lugar a una aceleración de 200 veces en un EV típico, lo que significa que el tiempo de carga se reduciría de 10 horas a unos 3 minutos (en casa), o de 30 minutos a 9 segundos en una estación de carga.
Recientemente, científicos del Centro de Física Teórica de Sistemas Complejos dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) exploraron más a fondo estas preguntas. El artículo, que fue elegido como «Sugerencia del editor» en la revista Physical Review Letters, mostró que el acoplamiento total es irrelevante en las baterías cuánticas y que la presencia de operaciones globales es el único ingrediente de la ventaja cuántica. El grupo fue 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 cuánta velocidad de carga se puede lograr en este esquema.
Si bien la velocidad de carga máxima aumenta linealmente con la cantidad de celdas en las baterías clásicas, el estudio mostró que las baterías cuánticas que emplean una operación global pueden lograr una escala cuadrática en la velocidad de carga.
Para ilustrar esto, consideraremos un vehículo eléctrico típico con una batería que contiene alrededor de 200 celdas. Emplear esta carga cuántica daría lugar a una aceleración de 200 veces con respecto a las baterías clásicas, lo que significa que el tiempo de carga en el hogar se reduciría 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 meros segundos.
Más allá de los coches eléctricos
Los investigadores dicen que las consecuencias pueden ser de gran alcance y que las implicaciones de la carga cuántica pueden ir mucho más allá de los automóviles eléctricos y la electrónica de consumo. Por ejemplo, puede encontrar usos clave en 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 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. Si se emplean, se cree que las baterías cuánticas revolucionarían por completo la forma en que usamos la energía y nos acercarían un paso más a nuestro futuro sostenible.
Toda mejora en la rapidez de carga y eficiencia de los dispositivos eléctricos impulsará definitivamente non solo la movilidad eléctrica sino toda la Smart City, que dependerá de este tipo de energía. Como explica Emilio Madueño, Energy Innovation Manager en Vodafone Business en una entrevista publicada po Enertic, «cuando hablamos de SmartCities, nos referimos a las ciudades como el escenario clave desde donde abordar los retos globales de la sostenibilidad y la eficiencia gracias a la digitalización. Asimismo, nuevas tecnologías como el Internet of Things proporcionan soluciones dinámicas capaces de reducir las emisiones de gases y de combatir los problemas energéticos más comunes».
Referencia: Ju-Yeon Gyhm, Dominik Šafránek, and Dario Rosa, “Quantum Charging Advantage Cannot Be Extensive Without Global Operations”, Physical Review Letters (2022) DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.140501
Fuente: IBS
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