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Komponenten | 22 Dezember 2009

Die digitale Quantenbatterie

Physiker haben ein theoretisches Konzept für einen Energiespeicher aus Milliarden Nanokondensatoren entwickelt, dessen Energiedichte bis zu zehnmal größer sein soll als in den besten Lithium-Ionen-Akkus.
Von der konsequenten Ausnutzung der Quantenmechanik verspricht man sich für die Informationstechnik bekanntlich viel. Physiker der Universität von Illinois wollen sie nun auch für die Energiespeicherung fruchtbar machen: mit einer „digitalen Quantenbatterie“. Sollte ihr theoretisches Konzept realisierbar sein, so ein Bericht der Technology Review, könnten damit ganz neue, äußerst leistungsfähige Energiespeicher möglich werden.

Stand der Technik
Herkömmliche 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 Kathodenoberfläche sammelt. Das Problem: Überschreitet die Spannung einen bestimmten Wert, schlägt der Kondensator durch – 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
„Es 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 veröffentlicht hat. Damit wären Energiespeicher möglich, die alle bekannten Technologien „weit übertreffen“, glaubt Hubler. Die Leistungsdichte sei um mehrere Zehnerpotenzen größer, die Energiedichte zwei bis zehnmal so groß wie in den derzeit besten Lithium-Ionen-Akkus.

Herstellungsprozess
Ein weiterer Vorteil sei, dass digitale Quantenbatterien mit herkömmlichen photolithographischen Verfahren wie in der Chipfertigung hergestellt werden könnten. Dabei könnten billige und nicht-toxische Materialien wie Wolfram und Eisen auf einem Silizium-Substrat verwendet werden. Beim Ladungstransfer würde in dieser Anordnung nur wenig Energie verschwendet, betont Hubler. Ein erster Prototyp könnte schon in einem Jahr gebaut werden.

Status
Bislang existiert die digitale Quantenbatterie nur als Konzept. Hubler hat aber bereits bei der Forschungsbehörde des US-Verteidigungsministeriums DARPA eine Förderung beantragt. Andere Experten sehen jedoch einige Schwierigkeiten: So sei nicht klar, ob die Nanokondensatoren eine Beladung überstehen würden, wendet Joel Schindall, Elektrotechniker am MIT, ein.

Als abwegig will Schindall das Konzept dennoch nicht abtun. „Ich beobachte das schon mit einer gewissen Faszination, denn Hubler hat ein paar gute Argumente dafür, dass bei diesen Dimensionen die Kapazität deutlich und in vorhersehbarer Weise steigt“, sagt er. Man müsse nun schauen, ob Hublers Grundannahmen stimmten oder ob es andere Quantenphänomene geben, die bisher übersehen wurden und die praktische Umsetzung erschweren könnten.

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