Batterijen die nooit vanzelf leeg raken. Klinkt dat als sciencefiction? Niet meer lang. Onderzoekers uit China hebben een belangrijke stap gezet richting een praktisch bruikbare quantum batterij die zijn lading veel langer vasthoudt dan huidige concepten. De sleutel tot deze doorbraak? Een minuscuul defect in diamant.
Quantum batterijen zijn een fascinerend onderzoeksveld binnen de energietechnologie. In tegenstelling tot klassieke batterijen, maken ze gebruik van kwantummechanische principes zoals superpositie en verstrengeling om sneller te laden en – in theorie – efficiënter energie te leveren. Maar hoewel het idee al jaren bestaat, is praktische toepassing tot nu toe ver buiten bereik gebleven.
Een van de grootste problemen bij quantum batterijen is zelfontlading. Door interactie met de omgeving verliezen de kwetsbare quantumtoestanden hun coherentie, een proces dat bekend staat als decoherentie. Dat betekent dat de opgeslagen energie als het ware weglekt nog vóór hij nuttig gebruikt kan worden.
De rol van diamant en de NV-center
Het nieuwe ontwerp, ontwikkeld door wetenschappers van de Chinese Academie van Wetenschappen, de Hubei Universiteit en de Lanzhou Universiteit, pakt dat probleem nu op een elegante manier aan. In plaats van te vertrouwen op complexe externe laders of instabiele quantumkoppelingen, gebruiken ze een bekende structuur binnen diamant: de stikstof-vacature (NV) center.
Dit NV-center is een veel bestudeerd defect in het kristalrooster van diamant waarbij een stikstofatoom naast een ontbrekend koolstofatoom zit. Deze onvolkomenheid heeft een bijzondere eigenschap: het bevat een elektron met een goed controleerbare spin, die zich zeer stabiel gedraagt onder quantumomstandigheden. Precies dat maakt het interessant als opslagmedium voor een quantum batterij.
Geen quantumlader meer nodig
Tot nu toe vereisten de meeste ontwerpen voor quantum batterijen een externe quantumlader om energie op te slaan in het systeem. Maar die lader introduceert ook een nieuw probleem: verstrengeling tussen de batterij en de lader vermindert de zogenaamde ergotropie – het maximale deel van de opgeslagen energie dat daadwerkelijk als nuttig werk kan worden omgezet.
Het NV-gebaseerde ontwerp lost dit op door gebruik te maken van de interne interactie tussen het elektron van het NV-center en de kernspin van het stikstofatoom. Die zogeheten hyperfijne interactie is voldoende om energie op een coherente manier vast te houden, zonder dat externe kwantumapparatuur nodig is.
Volgens co-auteur Jun-Hong An biedt dit ontwerp een unieke mogelijkheid: “Verschillende voorstellen zijn gedaan om zelfontlading tegen te gaan, maar die vereisen een quantumlader. Onze aanpak ondervangt dat met interne controle op basis van quantuminteracties.”
Coherente energie als sleutel
Het verschil tussen coherente en incoherente energieopslag is hier essentieel. Coherente energie is quantummechanisch geordend en gaat minder snel verloren aan de omgeving dan de meer chaotische incoherente component. Het onderzoeksteam ontdekte dat ze de verhouding tussen deze twee konden optimaliseren, zodat een groter deel van de energie nuttig behouden bleef.
Hiermee komt het concept van een echte quantum batterij, die weken of zelfs maanden energie kan vasthouden zonder zelfontlading, een stap dichterbij. Vooral in toepassingen waarbij snel laden belangrijk is – denk aan drones, medische implantaten of nanosatellieten – zou dit een gamechanger kunnen zijn.
Van theorie naar praktijk?
De gepresenteerde batterij is nog altijd vooral een theoretisch model, weliswaar onderbouwd door simulaties en experimentele inzichten. Maar de gekozen materialen – diamant en stikstof – zijn relatief goed te produceren en bewerken, wat het potentieel voor schaalbare toepassingen verhoogt.
Daarnaast worden NV-centers al op grote schaal onderzocht in quantumcomputers en magnetische sensoren. Die bestaande infrastructuur kan de vertaalslag naar batterijen wellicht versnellen.
Een quantum batterij zonder zelfontlading opent de deur naar een volledig nieuwe energiearchitectuur. In plaats van batterijen die langzaam leeg raken (zelfs als je ze niet gebruikt), zou je opslag kunnen realiseren die maandenlang stabiel blijft – ideaal voor toepassingen in afgelegen omgevingen of op plekken waar herladen lastig is.
Ook zou de combinatie van snel laden en langdurige opslag een revolutie betekenen voor consumentenelektronica, van wearables tot smartphones, en zelfs de elektrische auto-industrie. Denk aan een telefoon die in enkele seconden oplaadt en dagen meegaat zonder energieverlies.
