新しい量子充電技術: わずか 9 秒で電気自動車をフル充電?

電気自動車の普及に伴い、充電について心配する消費者が増えています。

現在市販されている電気自動車の場合、自宅の充電ステーションでフル充電するには約10時間かかります。専用の急速充電ステーションに行っても、車を完全に充電するには少なくとも20〜40分かかります。明らかに、充電の不便さも、多くの潜在的消費者が電気自動車の購入を躊躇する原因となっています。

では、電気自動車の充電速度を上げるための新たな技術革新はあるのでしょうか?

最近、基礎科学研究所（IBS）の複雑系理論物理学センターの科学者たちは、量子充電技術という新しい技術的解決策を提案しました。量子充電技術を使用すると、従来の電気自動車の充電プロセスを200倍加速することができ、充電時間は10時間から約3分（自宅で）、または充電ステーションでは30分から9秒に短縮されます。

電気自動車の普及と課題

太陽光発電であれ原子力エネルギーであれ、人類文明は遅かれ早かれ再生可能エネルギーに目を向けざるを得なくなるでしょう。人類のエネルギー需要がますます増加し、化石燃料の供給が限られていることを考慮すると、再生可能エネルギーへのこの傾向は避けられないものと考えられます。

そのため、科学者たちは代替エネルギー源を開発するために多くの研究を行ってきましたが、そのほとんどは電気を主なエネルギー媒体として使用しています。再生可能エネルギーの普及に伴い、再生可能エネルギーをベースにした新製品や設備も急速に発展しています。最も大きな変化は電気自動車の急速な普及です。

10年前は電気自動車が道路上でほとんど見られなかったが、現在では毎年何百万台もの電気自動車が何千もの家庭に導入されている。電気自動車市場は最も急速に成長している新エネルギー産業の一つとなり、マスク氏は世界で最も裕福な人物の一人となった。

(出典: Pixabay)

炭化水素燃料の燃焼からエネルギーを得る従来の自動車とは異なり、電気自動車はエネルギーの貯蔵媒体としてバッテリーに依存しています。しかし、バッテリーのエネルギー密度は長い間炭化水素よりもはるかに低く、その結果、初期の電気自動車の航続距離は非常に短いものでした。

しかし、バッテリー技術が徐々に向上し、電気自動車の航続距離はガソリン車に比べて許容できるレベルに達しました。現在の電気自動車革命を前進させるためには、バッテリー貯蔵技術の改善が解決しなければならない主要な技術的ボトルネックの一つであると言っても過言ではありません。

しかし、バッテリー技術が大きく進歩したにもかかわらず、今日の電気自動車の消費者は、バッテリーの充電が遅いという別の課題に直面しています。

量子充電技術

この問題を解決するために、科学者たちは量子物理学の神秘的な分野で答えを探し始めました。

研究者らは、量子技術がバッテリーをより高速に充電するための新しいメカニズムにつながる可能性があることを発見した。この「量子電池」の概念は、2012年に発表された独創的な論文で初めて提案されました。

理論的には、量子リソースを使用してバッテリー内のセルを一括して同時に充電することで、バッテリーの充電プロセスを大幅に高速化できます。この発見は特に興奮します。

(出典: Pixabay)

その後、2017 年頃に、この量子的優位性の背後には 2 つの経路、つまり「グローバル操作」(すべての充電ユニットが同時に他のすべてのユニットと向き合う、つまり「全員が 1 つのテーブルに座っている」) と「全員対全員の結合」(各充電ユニットが互いに向き合うことができる、つまり「ユニットあたり 2 人のプレーヤーのみ」) がある可能性があることが認識されました。

しかし、両方の可能性が必要なのかどうか、また達成できる充電速度に制限があるのか​​どうかは不明です。

新たに発表された研究で、科学者たちはこれらの疑問をさらに探究しました。フィジカル・レビュー・レターズ誌に掲載されたこの論文は、量子電池では全対全結合は無関係であり、グローバル動作の存在が量子優位性をもたらす唯一の要因であることを示しています。

研究チームはさらに進んで、この利点の正確な原因を特定し、他の可能性を排除し、さらにそのようなバッテリーを設計するための明確な方法も提供しました。

さらに、チームはこの方式でどれだけの高速充電が実現できるかを正確に定量化しました。従来のバッテリーでは最大充電速度がセル数に応じて直線的に増加しますが、グローバル操作を使用する量子バッテリーでは充電速度が指数関数的に増加することが研究で示されています。

図 |現在の電気自動車と量子電池技術に基づく将来の自動車の比較

これを説明するために、研究者らは約 200 個のセルを含むバッテリーを搭載した従来の電気自動車を想定しました。この量子充電技術を使用することで、充電速度は従来のバッテリーの200倍になり、家庭での充電時間は10時間から約3分に短縮されます。急速充電ステーションを利用すれば、充電時間を 30 分からわずか数秒に短縮できます。

研究者らは、この技術的解決策の影響は広範囲に及ぶ可能性があり、量子充電の実現は電気自動車や家電製品の分野をはるかに超えて広がる可能性があると述べた。例えば、瞬時の充電と放電を可能にするために大量のエネルギーが必要となる将来の原子力発電所で、この技術が重要な用途に使われる可能性があります。

もちろん、量子技術はまだ初期段階にあり、これらの手法が実際に実装されるまでにはまだまだ長い道のりがあります。

しかし、このような発見は有望な方向性を示し、資金提供機関や企業がこれらの技術にさらに投資するよう促す可能性があります。量子電池が実現すれば、エネルギーの使用方法に革命をもたらし、持続可能な未来に近づくことになると私たちは信じています。

参考文献:

https://arxiv.org/abs/2108.02491

https://www.eurekalert.org/news-releases/946882

出典: アカデミックヘッドライン