รุ่นแรกของโลก! “แบตเตอรีควอนตัม” พิสูจน์แล้วว่าชาร์จเร็วได้จริงอย่างน่าทึ่ง

เป็นครั้งแรกของโลกที่ “แบตเตอรีควอนตัม” (Quantum Battery) พิสูจน์แล้วว่าชาร์จเร็วอย่างน่าทึ่ง แต่แบตฯ ดังกล่าวยังมีขนาดเล็ก แต่แบตฯ ขนาดใหญ่ เช่น ใช้กับรถ EV ยังต้องคิดหาวิธีกันต่อไป จากการเผยแพร่โดยงานวิจัยซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature

Quantum Battery “แบตเตอรีควอนตัม” รุ่นแรกมีขนาดเล็กมาก แต่ก็ยืนยันสิ่งที่นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีได้คาดการณ์ไว้ นั่นคือ ความสามารถในการเก็บพลังงานได้อย่างรวดเร็วอย่างเหลือเชื่อ ทีมผู้พัฒนาต้นแบบเหล่านี้ยอมรับว่า ยังมีอุปสรรคอีกมากมายที่ต้องเอาชนะก่อนที่แบตเตอรีควอนตัม จะสามารถมีขนาดที่ใช้งานได้จริง แต่ก็มีการมองโลกในแง่ดีเกี่ยวกับโอกาสของแบตเตอรีมือถือ ที่สามารถชาร์จได้ในเวลาเพียงไม่กี่วินาที

เป็นเรื่องปกติที่แบตเตอรีขนาดใหญ่จะยิ่งใช้เวลานานในการชาร์จ อย่างไรก็ตาม กฎเกณฑ์นี้กลับใช้ไม่ได้ผลเมื่อปรากฏการณ์ควอนตัม (Quantum) เข้ามามีบทบาท เช่น ทีมวิจัยทีมหนึ่งได้พิสูจน์แล้วว่า “แบตเตอรีควอนตัม” สามารถรับพลังงานจากสถานะของอุปกรณ์ชาร์จที่เรียกว่า “superposition of charging devices” ทำให้การชาร์จเกิดขึ้นได้เร็วกว่าที่กฎเกณฑ์ทั่วไปกำหนดไว้มาก

บางคนไปไกลกว่านั้น ได้ทำนายว่า “แบตเตอรีควอนตัม” อาจชาร์จพลังงานพร้อมกันได้ โดยมีทฤษฎีที่ว่า หน่วยเก็บพลังงานในแบตเตอรีจะทำงานราวกับว่าแรงกดดันจะผลักดันให้พวกมันทำงาน โดยจะเก็บพลังงานได้เร็วขึ้น หากแบตเตอรีมีหน่วยเก็บพลังงานมากขึ้น

Dr. James Quach จากองค์กรวิจัยทางวิทยาศาสตร์แห่งชาติของออสเตรเลีย หรือ “CSIRO” ซึ่งเป็นผู้เขียนหลักในงานวิจัยเกี่ยวกับเรื่องนี้เมื่อปี 2022 กล่าวว่า ปรากฏการณ์นี้มีอยู่จริง โดยทีมวิจัยของเขาได้สร้างแบตเตอรีควอนตัมที่สามารถชาร์จได้โดยการฉายแสงเลเซอร์ และดูดซับพลังงานจากโฟตอนบางส่วน ตามที่ทฤษฎีคาดการณ์ไว้ อัตราการชาร์จจะเป็นสัดส่วนผกผันกับรากที่สองของขนาดแบตเตอรี (ความสัมพันธ์ที่เมื่อค่าหนึ่งเพิ่มขึ้น อีกค่าหนึ่งจะลดลงตามสัดส่วนรากที่สองของตัวแปรนั้น) กล่าวคือ แบตเตอรีที่มีขนาดใหญ่กว่าสี่เท่า ไม่เพียงแต่จะใช้เวลาชาร์จไม่นานเท่าแบตเตอรีขนาดเล็กกว่าสี่เท่าเท่านั้น แต่ยังจะชาร์จได้เร็วกว่าด้วย โดยใช้เวลาเพียงครึ่งเดียว

โดยความพยายามในครั้งนั้นเป็นเพียงการทดสอบแนวคิดเท่านั้น เพราะไม่เพียงแต่จะสร้างแบตฯ ในขนาดเล็กมาก และไม่มีประสิทธิภาพในการดูดซับพลังงานจากเลเซอร์เท่านั้น แต่ยังสูญเสียประจุเกือบจะในทันที ซึ่งล้มเหลวในสิ่งที่หลายคนมองว่าเป็นคุณสมบัติสำคัญของแบตเตอรี นอกจากนี้ยังไม่สามารถทำอะไรที่เป็นประโยชน์ได้เลย เนื่องจากพลังงานถูกปล่อยออกมาในรูปของรังสีแทนที่จะเป็นไฟฟ้า

ปัจจุบัน Quach ได้เป็นผู้นำในส่วนงานของออสเตรเลีย ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของความร่วมมือจากเมื่อครั้งก่อน ในการสร้างสิ่งที่คล้าย “แบตเตอรี” มากขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ในขณะที่ยังคงรักษาข้อได้เปรียบหลักของควอนตัมไว้ ที่สำคัญ อุปกรณ์ยังสามารถปล่อยพลังงานในรูปแบบไฟฟ้า ซึ่งเหมาะสมกับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้า ยิ่งไปกว่านั้น ยังสามารถกักเก็บประจุไว้ได้ในระยะเวลาที่ใช้งานได้จริง และปล่อยออกมาเมื่อจำเป็นเท่านั้น

ทั้งนี้ Quach และทีมวิจัยยังทำงานในระดับที่เล็กมาก แต่เมื่อพูดถึงความเร็วในการชาร์จ Quach ยอมรับว่า การชาร์จให้เร็วขึ้นและทำให้แบตเตอรีควอนตัมใช้ได้จริง นั้นยังคงมีความท้าทายอีกมาก

การใช้เลเซอร์ช่วยให้ส่งพลังงานได้มาก โดยมีข้อจำกัดอยู่ที่ความร้อน วิธีแก้ปัญหาคือการปล่อยพลังงานเป็นจังหวะ แล้วปล่อยเลเซอร์เป็นเวลาเฟมโตวินาที (Femtosecond) แล้วหยุดพักเป็นเวลานาโนวินาที (Nanosecond) เพื่อให้แบตฯ เย็นลง โดย Quach และทีมงานได้คำนวณแล้วว่า หากทำซ้ำในขนาดที่ใหญ่ขึ้น จะสามารถชาร์จแบตเตอรีมือถือทั่วไปได้ภายใน 20 วินาที ซึ่งสิ่งนี้จะมีประโยชน์มาก เมื่อเรารู้ตัวว่าลืมชาร์จก่อนออกจากบ้าน แต่ทั้งนี้ ทีมวิจัยพบว่ากระบวนการดังกล่าวยังไม่สามารถปรับขยายขนาดแบตฯ ได้อย่างสมบูรณ์ แต่ก็ยังมีเวลาเหลือเฟือให้คนที่ต้องการชาร์จแบตฯ ไม่รู้สึกรำคาญ

ปัญหาที่ใหญ่กว่านั้นอาจอยู่ที่ว่ากระบวนการนี้มีประสิทธิภาพเพียง 3% ในปัจจุบัน โดยพลังงานส่วนใหญ่ในเลเซอร์ไม่สามารถส่งไปถึงแบตเตอรีได้ แต่เรื่องนี้อาจไม่สำคัญมากนัก สำหรับแบตเตอรีขนาดเล็กที่ทีมวิจัยกำลังพัฒนาอยู่ในขณะนี้ แต่การจะทำเพื่อชาร์จแบตสำหรับ “รถยนต์ไฟฟ้า” นั้นมีราคาแพงเกินไป

แม้กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพเพียง 3% ในปัจจุบัน แต่ Quach มองว่า ความไม่มีประสิทธิภาพนี้เป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ แต่หากทีมวิจัยสามารถควบคุมโฟตอนได้อย่างเหมาะสม ก็อาจทำให้แบตเตอรีควอนตัมมีประสิทธิภาพใกล้เคียง 100% โดยเรื่องนี้ต้องหาทางปรับแก้กันต่อไปในอนาคต แต่ขณะนี้ ความกังวลเหล่านั้นได้ถูกลดความสำคัญลงไป เนื่องจากได้มุ่งเน้นไปที่ “ความเร็ว” ของการชาร์จเป็นหลัก

การดำเนินการทางควอนตัม ส่วนใหญ่จำเป็นต้องเกิดขึ้นที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ (สภาวะที่เย็นจัดระดับต่ำกว่า -273.15 องศาเซลเซียส) ซึ่งเป็นหนึ่งในอุปสรรคหลายประการที่ทำให้ “คอมพิวเตอร์ควอนตัม” ใช้เวลานานกว่าที่คาดการณ์ไว้หลายสิบปีกว่าจะมาถึงสถานะที่อาจนำมาใช้ประโยชน์ได้เช่นในปัจจุบัน

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

ที่มาข้อมูล : nature

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech