{"id":607,"date":"2023-02-16T15:05:03","date_gmt":"2023-02-16T15:05:03","guid":{"rendered":"https:\/\/quantum-power.at\/construction-of-a-new-high-tech-plant-in-washington\/"},"modified":"2023-02-25T02:11:09","modified_gmt":"2023-02-25T02:11:09","slug":"construction-of-a-new-high-tech-plant-in-washington","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/quantum-power.at\/de\/construction-of-a-new-high-tech-plant-in-washington\/","title":{"rendered":"Neue Technologie soll das Aufladen von E-Autos so schnell machen wie das Tanken von Benzin"},"content":{"rendered":"

22-Mar-2022\u00a0–\u00a0Institute for Basic Science<\/em><\/p>\n

Quantenladung wird die Ladezeit von Elektrofahrzeugen von zehn Stunden auf drei Minuten verk\u00fcrzen<\/h3>\n
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Ob Photovoltaik oder Kernfusion – fr\u00fcher oder sp\u00e4ter muss sich die menschliche Zivilisation den erneuerbaren Energien zuwenden. Angesichts des st\u00e4ndig wachsenden Energiebedarfs der Menschheit und der Endlichkeit fossiler Brennstoffe wird dies als unvermeidlich angesehen. Aus diesem Grund wurde viel geforscht, um alternative Energiequellen zu entwickeln, von denen die meisten Strom als Hauptenergietr\u00e4ger nutzen. Die umfangreichen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Bereich der erneuerbaren Energien wurden von allm\u00e4hlichen gesellschaftlichen Ver\u00e4nderungen begleitet, da die Welt neue Produkte und Ger\u00e4te, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, annahm. Die auff\u00e4lligste Ver\u00e4nderung in j\u00fcngster Zeit ist die rasche Einf\u00fchrung von Elektrofahrzeugen. W\u00e4hrend sie noch vor 10 Jahren kaum auf den Stra\u00dfen zu sehen waren, werden heute j\u00e4hrlich Millionen von Elektroautos verkauft. Der Markt f\u00fcr Elektroautos ist einer der am schnellsten wachsenden Sektoren und hat dazu beigetragen, dass Elon Musk der reichste Mann der Welt geworden ist.<\/p>\n

Im Gegensatz zu herk\u00f6mmlichen Autos, die ihre Energie aus der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen gewinnen, sind Elektroautos auf Batterien als Energiespeicher angewiesen. Lange Zeit hatten die Batterien eine weitaus geringere Energiedichte als die Kohlenwasserstoffe, was zu sehr geringen Reichweiten der ersten Elektrofahrzeuge f\u00fchrte. Durch die schrittweise Verbesserung der Batterietechnologien konnten die Reichweiten von Elektroautos im Vergleich zu Benzinautos jedoch auf ein akzeptables Niveau gebracht werden. Es ist keine Untertreibung, dass die Verbesserung der Batteriespeichertechnologie einer der wichtigsten technischen Engp\u00e4sse war, die gel\u00f6st werden mussten, um die gegenw\u00e4rtige Revolution der Elektrofahrzeuge in Gang zu setzen.<\/p>\n

Doch trotz der enormen Verbesserungen in der Batterietechnologie sehen sich die Verbraucher von Elektrofahrzeugen heute mit einem weiteren Problem konfrontiert – der langsamen Ladegeschwindigkeit der Batterien. Derzeit brauchen Autos etwa 10 Stunden, um zu Hause vollst\u00e4ndig aufgeladen zu werden. Selbst die schnellsten Supercharger an den Ladestationen ben\u00f6tigen bis zu 20-40 Minuten, um die Fahrzeuge vollst\u00e4ndig aufzuladen. Dies verursacht zus\u00e4tzliche Kosten und Unannehmlichkeiten f\u00fcr die Kunden.<\/p>\n

Um dieses Problem zu l\u00f6sen, suchten Wissenschaftler nach Antworten im geheimnisvollen Gebiet der Quantenphysik. Ihre Suche hat zu der Entdeckung gef\u00fchrt, dass Quantentechnologien neue Mechanismen zum schnelleren Aufladen von Batterien versprechen k\u00f6nnten. 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. Verschr\u00e4nkung, genutzt werden k\u00f6nnen, um den Ladevorgang einer Batterie erheblich zu beschleunigen, indem alle Zellen innerhalb der Batterie gleichzeitig und kollektiv aufgeladen werden.<\/p>\n

Dies ist besonders spannend, da moderne Batterien mit gro\u00dfer Kapazit\u00e4t zahlreiche Zellen enthalten k\u00f6nnen. Eine solche kollektive Ladung ist bei klassischen Batterien, bei denen die Zellen unabh\u00e4ngig voneinander parallel geladen werden, nicht m\u00f6glich. Der Vorteil dieser kollektiven Ladung gegen\u00fcber der parallelen Ladung l\u00e4sst sich durch ein Verh\u00e4ltnis messen, das als „Quantenladevorteil“ bezeichnet wird. Sp\u00e4ter, etwa im Jahr 2017, wurde festgestellt, dass hinter diesem Quantenvorteil zwei m\u00f6gliche Quellen stehen k\u00f6nnen, n\u00e4mlich 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 f\u00fcr die erreichbare Ladegeschwindigkeit gibt.<\/p>\n

K\u00fcrzlich sind Wissenschaftler des Zentrums f\u00fcr Theoretische Physik komplexer Systeme im Institut f\u00fcr Grundlagenforschung (IBS) diesen Fragen weiter nachgegangen. Die Arbeit, die in der Fachzeitschrift Physical Review Letters als „Editor’s Suggestion“ ausgew\u00e4hlt wurde, zeigte, dass die Kopplung von allen zu allen in Quantenbatterien irrelevant ist und dass das Vorhandensein globaler Operationen die einzige Zutat f\u00fcr den Quantenvorteil ist. Die Gruppe ging noch weiter, um die genaue Quelle dieses Vorteils zu bestimmen, w\u00e4hrend sie alle anderen M\u00f6glichkeiten ausschloss, und lieferte sogar eine explizite M\u00f6glichkeit, solche Batterien zu entwerfen.<\/p>\n

Dar\u00fcber hinaus konnte die Gruppe genau quantifizieren, wie viel Ladegeschwindigkeit in diesem Schema erreicht werden kann. W\u00e4hrend 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 k\u00f6nnen. Um dies zu veranschaulichen, betrachten wir ein typisches Elektrofahrzeug mit einer Batterie, die etwa 200 Zellen enth\u00e4lt. Der Einsatz dieser Quantenladung w\u00fcrde zu einer 200-fachen Beschleunigung gegen\u00fcber klassischen Batterien f\u00fchren, was bedeutet, dass die Ladezeit zu Hause von 10 Stunden auf etwa 3 Minuten verk\u00fcrzt w\u00fcrde. An Hochgeschwindigkeitsladestationen w\u00fcrde sich die Ladezeit von 30 Minuten auf nur wenige Sekunden verk\u00fcrzen.<\/p>\n

Die Forscher sagen, dass die Folgen weitreichend sein k\u00f6nnen und dass die Auswirkungen des Quantenladens weit \u00fcber Elektroautos und Unterhaltungselektronik hinausgehen k\u00f6nnen. Sie k\u00f6nnte beispielsweise in k\u00fcnftigen Fusionskraftwerken zum Einsatz kommen, in denen gro\u00dfe Energiemengen in k\u00fcrzester Zeit geladen und entladen werden m\u00fcssen. Nat\u00fcrlich stecken die Quantentechnologien noch in den Kinderschuhen, und es ist noch ein weiter Weg, bis diese Methoden in der Praxis eingesetzt werden k\u00f6nnen. Forschungsergebnisse wie diese weisen jedoch in eine vielversprechende Richtung und k\u00f6nnen F\u00f6rdereinrichtungen 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, v\u00f6llig revolutionieren und uns unserer nachhaltigen Zukunft einen Schritt n\u00e4her bringen w\u00fcrden.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n