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Komponenten | 22 Dezember 2009

Die digitale Quantenbatterie

Physiker haben ein theoretisches Konzept f√ľr einen Energiespeicher aus Milliarden Nanokondensatoren entwickelt, dessen Energiedichte bis zu zehnmal gr√∂√üer sein soll als in den besten Lithium-Ionen-Akkus.
Von der konsequenten Ausnutzung der Quantenmechanik verspricht man sich f√ľr die Informationstechnik bekanntlich viel. Physiker der Universit√§t von Illinois wollen sie nun auch f√ľr die Energiespeicherung fruchtbar machen: mit einer ‚Äědigitalen Quantenbatterie“. Sollte ihr theoretisches Konzept realisierbar sein, so ein Bericht der Technology Review, k√∂nnten damit ganz neue, √§u√üerst leistungsf√§hige Energiespeicher m√∂glich werden.

Stand der Technik
Herk√∂mmliche Kondensatoren bestehen aus makroskopischen Leiterplatten oder Elektroden, die durch einen Isolator voneinder getrennt sind. Legt man an beide eine Spannung an, wird in dem dielektrischen Zwischenmaterial ein elektrisches Feld aufgebaut, das Energie speichert, indem es Elektronen an der Kathodenoberfl√§che sammelt. Das Problem: √úberschreitet die Spannung einen bestimmten Wert, schl√§gt der Kondensator durch ‚Äď es kommt zu einer Bogenentladung, Elektronen springen von der Kathode zur Anode. Deshalb ist die Menge der zu speichernden Energie begrenzt.

Der neue Ansatz
Alfred Hubler und Onyeama Osuagwu visieren stattdessen ein Gerät an, dass aus Milliarden von Nanokondensatoren besteht. In denen wären die Elektroden 10 Nanometer oder 100 Atomlagen voneinander entfernt, so dass Quanteneffekte wirksam werden sollen, die eine Bogenentladung verhindern. Bereits seit längerem haben Wissenschaftler beobachtet, dass sich in nanoskaligen Kondensatoren ungewöhnlich starke elektrische Felder aufbauen lassen.

Energiedichte
‚ÄěEs ist aber niemand auf die Idee gekommen, dass eine starkes elektrisches Feld auch eine hohe Energiedichte bedeutet“, sagt Hubler, der das Konzept mit einigen Kollegen im Journal Complexity ver√∂ffentlicht hat. Damit w√§ren Energiespeicher m√∂glich, die alle bekannten Technologien ‚Äěweit √ľbertreffen“, glaubt Hubler. Die Leistungsdichte sei um mehrere Zehnerpotenzen gr√∂√üer, die Energiedichte zwei bis zehnmal so gro√ü wie in den derzeit besten Lithium-Ionen-Akkus.

Herstellungsprozess
Ein weiterer Vorteil sei, dass digitale Quantenbatterien mit herk√∂mmlichen photolithographischen Verfahren wie in der Chipfertigung hergestellt werden k√∂nnten. Dabei k√∂nnten billige und nicht-toxische Materialien wie Wolfram und Eisen auf einem Silizium-Substrat verwendet werden. Beim Ladungstransfer w√ľrde in dieser Anordnung nur wenig Energie verschwendet, betont Hubler. Ein erster Prototyp k√∂nnte schon in einem Jahr gebaut werden.

Status
Bislang existiert die digitale Quantenbatterie nur als Konzept. Hubler hat aber bereits bei der Forschungsbeh√∂rde des US-Verteidigungsministeriums DARPA eine F√∂rderung beantragt. Andere Experten sehen jedoch einige Schwierigkeiten: So sei nicht klar, ob die Nanokondensatoren eine Beladung √ľberstehen w√ľrden, wendet Joel Schindall, Elektrotechniker am MIT, ein.

Als abwegig will Schindall das Konzept dennoch nicht abtun. ‚ÄěIch beobachte das schon mit einer gewissen Faszination, denn Hubler hat ein paar gute Argumente daf√ľr, dass bei diesen Dimensionen die Kapazit√§t deutlich und in vorhersehbarer Weise steigt“, sagt er. Man m√ľsse nun schauen, ob Hublers Grundannahmen stimmten oder ob es andere Quantenph√§nomene geben, die bisher √ľbersehen wurden und die praktische Umsetzung erschweren k√∂nnten.
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