Tecnologia quântica pode carregar veículos elétricos em poucos segundos

Seja fotovoltaica ou fusão, mais cedo ou mais tarde a civilização humana deve se voltar para as energias renováveis. Isso é tido como inevitável, considerando as crescentes demandas de energia da humanidade e a natureza finita dos combustíveis fósseis.

Muita pesquisa tem sido realizada no sentido de desenvolver fontes alternativas de energia, sendo que a maioria usa a eletricidade como principal portador de energia. O extenso emprego de P&D em energias renováveis ​​tem sido acompanhado por mudanças sociais graduais à medida que o mundo adota novos produtos e dispositivos que funcionam com energias renováveis. A mudança mais marcante foi a rápida adoção dos veículos elétricos. Embora raramente fossem vistos nas estradas há 10 anos, agora, milhões de carros elétricos estão sendo vendidos anualmente. O mercado destes carros é um dos que mais crescem.

Ao contrário dos carros tradicionais, que obtêm energia da combustão de combustíveis de hidrocarbonetos, os veículos elétricos dependem de baterias como meio de armazenamento de energia. Por muito tempo, as baterias tiveram densidade energética muito menor do que as oferecidas pelos hidrocarbonetos, o que resultou em autonomias muito baixas no princípio.

No entanto, a melhoria gradual nas tecnologias de bateria acabou permitindo que a autonomia dos carros elétricos ficasse dentro de níveis aceitáveis ​​em comparação com a dos carros a gasolina. Não é exagero dizer que a melhoria na tecnologia de armazenamento de baterias foi um dos principais gargalos técnicos que tiveram que ser resolvidos para iniciar a atual revolução dos veículos elétricos.

Apesar das grandes melhorias na tecnologia de baterias, os atuais consumidores de veículos elétricos enfrentam outra dificuldade: a baixa velocidade de carregamento. Atualmente, os carros levam cerca de 10 horas para recarregar totalmente a bateria em casa. Mesmo os super-carregadores mais rápidos nas estações de carregamento requerem de 20 a 40 minutos para recarregar totalmente os veículos. Isso cria custos adicionais e inconveniência para os clientes.

Para resolver esse problema, os cientistas procuraram respostas no campo da física quântica. A busca resultou na descoberta promissora de novos mecanismos que sugerem que a tecnologia quântica pode carregar carros elétricos em poucos segundos.

A tecnologia de bateria quântica foi proposta pela primeira vez em um artigo importante, publicado por Alicki e Fannes em 2012. A teoria mostrara que recursos quânticos podiam ser usados ​​para acelerar bastante o processo de carregamento da bateria, ao carregar de forma simultânea e coletiva todas as células dentro da bateria.

Isso é particularmente empolgante, pois as baterias modernas de alta capacidade podem conter várias células. Esse carregamento coletivo não é possível em baterias clássicas, nas quais as células são carregadas em paralelo e de forma independente umas das outras. A vantagem desse carregamento coletivo versus o paralelo pode ser medida pela razão chamada vantagem de carregamento quântico.

Por volta de 2017, os pesquisadores notaram que pode haver duas fontes possíveis por trás dessa vantagem quântica: operação global (na qual todas as células conversam com todas as outras simultaneamente, ou seja, “todos sentados em uma mesa”) e acoplamento de todos para todos (ou seja, “muitas discussões, mas cada discussão tem apenas dois participantes”).

No entanto, não está claro se essas duas fontes são necessárias e se existem limites para a velocidade de carregamento que pode ser alcançada.

Recentemente, cientistas do Centro de Física Teórica de Sistemas Complexos do Instituto de Ciências Básicas exploraram ainda mais essas questões. O artigo, escolhido como Sugestão dos Editores, no periódico Physical Review Letters, mostrou que o acoplamento tudo-para-todos é irrelevante em baterias quânticas e que a presença de operações globais é o único ingrediente da vantagem quântica.

O grupo foi além para identificar a fonte exata dessa vantagem, descartando quaisquer outras possibilidades e até mesmo fornecendo uma maneira explícita de projetar essas baterias. Além disso, o grupo conseguiu mensurar com precisão o quanto a velocidade de carregamento pode ser alcançada nesse esquema.

Enquanto a velocidade máxima de carregamento aumenta linearmente com o número de células nas baterias clássicas, o estudo mostrou que as baterias quânticas que empregam operação global podem atingir escala quadrática na velocidade de carregamento.

Para ilustrar isso, considere um veículo elétrico típico com uma bateria que contém cerca de 200 células. Empregar esse carregamento quântico levaria a uma aceleração de 200 vezes em relação às baterias clássicas, o que significa que o tempo de carregamento em casa seria reduzido de 10 horas para cerca de 3 minutos. Em estações de carregamento de alta velocidade, o tempo de carregamento seria reduzido de 30 minutos para meros segundos.

Os pesquisadores dizem que as consequências são muito grandes e que as implicações do carregamento quântico podem ir muito além dos carros elétricos e eletrônicos de consumo. Por exemplo, usos importantes em futuras usinas de fusão, que exigem grandes quantidades de energia para serem carregadas e descarregadas em um instante.

É claro que as tecnologias quânticas ainda estão em sua infância e há um longo caminho a percorrer antes que esses métodos possam ser colocados em prática. No entanto, resultados de pesquisas semelhantes criam uma direção promissora e podem incentivar agências de financiamento e empresas a investir mais nessas tecnologias.

Artigo original (em inglês) publicado pelo IBS na Phys.org.

Sobre a autoria do artigo
O Institute for Basic Science foi estabelecido em novembro de 2011 como o primeiro instituto dedicado à pesquisa científica básica da Coreia. O IBS promove pesquisa da mais alta qualidade, com o objetivo de aumentar a capacidade nacional da ciência básica e gerar novas oportunidades para a nação.

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