Quantum Battery ตัวแรกของโลก ชาร์จเต็มในเสี้ยวควอดริลเลียนวินาที ยิ่งแบตใหญ่ ยิ่งชาร์จเร็ว เก็บพลังงานนานกว่าตอนชาร์จ 1 ล้านเท่า

ทีมนักวิจัยจาก CSIRO หน่วยงานวิทยาศาสตร์แห่งชาติของออสเตรเลีย ร่วมกับ University of Melbourne และ RMIT เปิดตัวต้นแบบ Quantum Battery ขนาดจิ๋วที่ใช้ Laser ชาร์จได้ในเวลาเพียงเสี้ยวควอดริลเลียนวินาที (Femtosecond) งานวิจัยตีพิมพ์ในวารสาร Light: Science & Applications เมื่อวันที่ 13 มีนาคม ที่ผ่านมา และถูกมองว่าเป็นก้าวสำคัญที่อาจเปลี่ยนโฉมการกักเก็บพลังงานในอนาคต ตั้งแต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กไปจนถึงรถยนต์ไฟฟ้า โดรน และคอมพิวเตอร์ควอนตัม

ต้นแบบนี้เป็น Proof-of-Concept ตัวแรกของโลกที่สามารถชาร์จ กักเก็บ และคายพลังงานครบวงจรด้วยหลักการของกลศาสตร์ควอนตัม จุดเด่นที่นักวิจัยชี้ว่าน่าตื่นเต้นที่สุดคือ ยิ่งแบตเตอรี่ใหญ่ขึ้น ยิ่งชาร์จเร็วขึ้น ตรงกันข้ามกับแบตเตอรี่ทั่วไปที่ขนาดใหญ่จะใช้เวลาชาร์จนานกว่า และในการทดสอบ ต้นแบบสามารถเก็บพลังงานไว้ได้นานกว่าเวลาที่ใช้ชาร์จถึง 1 ล้านเท่า

ทำไม Quantum Battery ทำงานต่างจากแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน

แบตเตอรี่ Lithium-ion ที่เราคุ้นเคย ทำงานโดยการเคลื่อนย้ายไอออนระหว่างขั้ว Cathode และ Anode ผ่านสารอิเล็กโทรไลต์ ส่วน Quantum Battery กักเก็บพลังงานในรูปของ Electromagnetic Excitation ในกลุ่มโมเลกุลที่อยู่ในสถานะ Coherent หรือสภาวะที่โมเลกุลทั้งหมดมีคุณสมบัติภายในร่วมกัน เช่น พลังงานสั่นสะเทือนหรือสถานะของอิเล็กตรอน ทำให้โมเลกุลเหล่านี้ทำงานสัมพันธ์กันเสมือนเป็นหนึ่งเดียว

หัวใจของระบบคือปรากฏการณ์ Quantum Coherence ที่อนุภาคจำนวนมากดำรงอยู่ในหลายสถานะพร้อมกัน (Superposition) แต่ยังคงทำงานสัมพันธ์กันอย่างคาดเดาได้ เมื่ออนุภาคเหล่านี้รวมตัวในแบตเตอรี่ จะเกิด Quantum Entanglement กลายเป็นระบบเดียวกัน ผลที่ตามมาคือทุกโมเลกุลในแบตเตอรี่ชาร์จด้วยความเร็วคงที่ไม่ว่าขนาดจะใหญ่แค่ไหน และยิ่งโมเลกุลมาก พลังงานยิ่งถูกดูดซับมีประสิทธิภาพมากขึ้น ส่งผลให้เวลาในการชาร์จลดลงเมื่อแบตเตอรี่ใหญ่ขึ้น

James Hutchinson ผู้ร่วมเขียนงานวิจัยและ Associate Professor สาขา Physical Chemistry แห่ง University of Melbourne อธิบายว่า "Quantum Battery ก็ชาร์จ เก็บ และคายพลังงานเหมือนแบตเตอรี่ทั่วไป แต่ในขณะที่แบตเตอรี่ทั่วไปอาศัยปฏิกิริยาเคมี Quantum Battery ใช้คุณสมบัติของกลศาสตร์ควอนตัม ข้อได้เปรียบคือระบบดูดซับแสงในเหตุการณ์ Super Absorption ครั้งเดียว ทำให้ชาร์จได้เร็วกว่ามาก"

โครงสร้างต้นแบบและการทดสอบในห้องแล็บ

โครงสร้างของแบตเตอรี่อาศัยทฤษฎี Dicke Model ในวิชา Quantum Optics ซึ่งระบุว่าเมื่อแสงและสสารถูก Coupling ในระดับที่กำหนด จะเกิดสภาวะ Superradiance หรือการที่กลุ่มอนุภาคปล่อยแสงพร้อมกันเป็นพัลส์ความเข้มสูงในเวลาสั้น ๆ

ในเชิงโครงสร้างจริง แบตเตอรี่ประกอบด้วยชั้น Organic Semiconductor หลายชั้นซ้อนกันระหว่างกระจกเงิน (Silver Mirrors) สองด้าน เกิดเป็นโพรงขนาดเล็ก (Microcavity) ที่กักแสงให้สะท้อนไปมาในปริมาตรเล็ก ๆ ทำให้กลุ่มโมเลกุลปล่อยแสงเป็นพัลส์เดียวสำหรับการคายพลังงาน และดูดซับแสงในอัตรา Superabsorption ที่เท่ากับจำนวนโมเลกุลยกกำลังสอง นอกจากนี้ยังมีชั้น Hole Blocking และ Electron Transport อยู่ด้านบนและด้านล่างของชั้นเซมิคอนดักเตอร์ เพื่อควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนไปยังขั้วและอิเล็กโทรด ให้ระบบทำงานเป็นแบตเตอรี่ได้จริง

ในการทดสอบที่ Ultrafast and Microspectroscopy Laboratories ของ University of Melbourne ทีมงานยิงพัลส์ Laser ที่มี Bandwidth 31 นาโนเมตร เป็นเวลา 1 Femtosecond (หนึ่งในควอดริลเลียนของวินาที) เพื่อกระตุ้นให้โมเลกุลเข้าสู่สถานะกระตุ้น (Excited State) ที่อยู่ได้นานหลายสิบ Nanosecond ผลลัพธ์คือแบตเตอรี่สามารถเก็บประจุได้นานกว่าเวลาที่ใช้ชาร์จถึง 1 ล้านเท่า

James Quach หัวหน้าทีมวิจัยจาก CSIRO ระบุกับ The Guardian ว่าในสเกลนี้ ถ้าแบตเตอรี่ใช้เวลาชาร์จ 1 นาที ก็จะเก็บประจุไว้ได้หลายปี

โจทย์ใหญ่ที่ต้องเอาชนะคือ Decoherence

แม้ผลทดสอบจะน่าตื่นเต้น แต่ทีมงานยังต้องแก้โจทย์สำคัญคือการขยายขนาดแบตเตอรี่ให้ใช้งานได้จริง โดยที่ยังคงคุณสมบัติเชิงควอนตัมไว้ พลังงานใน Quantum Battery มีความเปราะบางต่อสัญญาณรบกวนจากสภาพแวดล้อม (Environmental Noise) ที่ทำให้พฤติกรรมเชิงควอนตัมถูกรบกวนหรือสลายไป ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Decoherence ซึ่งเป็นอุปสรรคสำคัญของเทคโนโลยีควอนตัมแทบทุกแขนง

ปัจจุบันต้นแบบที่ผลิตได้มีความจุเพียงไม่กี่ Billion Electron Volt ซึ่งยังน้อยเกินกว่าจะนำไปใช้ขับเคลื่อนอุปกรณ์อะไรได้จริง ทีมงานยอมรับว่านี่เป็นเพียงจุดเริ่มต้นของเทคโนโลยี ก่อนจะนำไปสู่ระดับที่ใช้งานเชิงพาณิชย์ได้

การประยุกต์ใช้งาน ตั้งแต่ Quantum Computer ไปจนถึงโดรนกลางอากาศ

หากข้ามอุปสรรคเรื่องการขยายขนาดได้ การประยุกต์ใช้ Quantum Battery จะเปิดความเป็นไปได้ใหม่ในวงกว้าง การชาร์จระยะไกลด้วย Laser อาจปลดล็อกการใช้งานในโดรนและอากาศยานที่สามารถชาร์จได้กลางอากาศ รวมถึงการกักเก็บพลังงานระยะยาวและการใช้งานที่ต้องการ Energy Density สูง อย่างรถยนต์ไฟฟ้าขนาดใหญ่

Andrew White หัวหน้า Quantum Technology Laboratory แห่ง University of Queensland ระบุกับ The Guardian ว่า การประยุกต์ใช้ลำดับแรกที่น่าจะเห็นผลคือการนำมาจ่ายไฟให้ Quantum Computer ที่มีต้นทุนพลังงานต่ำมาก ก่อนที่จะขยายไปสู่การใช้งานเชิงพาณิชย์ในอุปกรณ์อื่น ๆ

ขณะนี้ Quantum Battery ยังอยู่ในสถานะต้นแบบเชิงทดลอง ยังไม่พร้อมสำหรับการผลิตเชิงพาณิชย์ในระยะใกล้ แต่ผลการทดสอบครั้งนี้นับเป็นการยืนยันว่าเทคโนโลยีนี้ไม่ได้เป็นเพียงแนวคิด หากแต่กลายเป็นต้นแบบที่ทำงานได้จริงตามคำของ Andrew White

ที่มา: Live Science, The Guardian, Light: Science & Applications