Bateries Quàntiques.

Un nou estudi de la Universitat de Lanzhou i la Universitat de Hubeiproposa un sistema innovador per carregar bateries quàntiques utilitzant una guia d'ones.

Aquesta proposta no només obre portes a una càrrega més eficient, sinó que també podria tenir un impacte ambiental positiu i superar les limitacions actuals relacionades amb la distància de càrrega.

Les bateries convencionals, malgrat els grans avenços en els últims anys, continuen presentant reptes importants: millorar l’emmagatzematge d’energia, augmentar la durabilitat i accelerar els temps de càrrega. Les bateries quàntiques, per la seva banda, ofereixen un camí alternatiu aprofitant els principis de la mecànica quàntica, com l’entrellat i la coherència,  per obtenir un rendiment superior respecte a les tecnologies tradicionals. L’objectiu és superar les limitacions de la física clàssica i aconseguir una càrrega més ràpida, més eficient i amb una extracció d’energia més gran.

L'estudi se centra en un model on tant la bateria com el carregador són sistemes de dos nivells d’energia, coneguts com TLS (per les sigles en anglès de "two-level systems"). En aquest escenari, la bateria i el carregador poden intercanviar energia mitjançant una interacció coherent. Tanmateix, aquestes interaccions són fràgils i molt sensibles al seu entorn, cosa que fa que es produeixi un fenomen anomenat decoherència. Aquesta decoherència implica la pèrdua espontània d’energia de la bateria, sovint descrit com l’envelliment de la mateixa.

Una altra dificultat en aquest tipus de sistema és que la càrrega es veu afectada per la distància entre la bateria i el carregador. Per això, una part clau de la proposta és utilitzar guies d'ones —estructures metàl·liques i buides que dirigeixen ones electromagnètiques— com a pont entre la bateria i el carregador. Aquestes guies permeten transferir energia a distància sense contacte directe, i ho fan d’una manera controlada i eficient.

En aquest nou sistema, el carregador es troba en un estat excitat i la bateria en un estat bàsic. El carregador emet un fotó (una unitat d’energia electromagnètica) que viatja a través de la guia d’ones i és absorbit per la bateria, que passa a un estat excitat. Curiosament, tot i que aquest procés implica un camp electromagnètic amb infinits modes possibles (el que normalment comportaria una gran decoherència), el camp es comporta com un entorn favorable, facilitant la transferència coherent d’energia. Això contradiu la idea habitual que més complexitat equival a més pèrdues: en aquest cas, el sistema es manté estable i funcional.

Aquest descobriment suggereix que el problema de l’envelliment de la bateria pot ser molt menor del que es pensava en aquests sistemes. De fet, es podria arribar a un procés de càrrega més òptim del que es podria aconseguir amb una connexió directa.

A més, aquest enfocament obre la porta a la càrrega sense fils basada en sistemes quàntics, gràcies a la formació d’estats lligats dins l’espectre energètic del sistema. Les connexions quàntiques establertes a través de la guia d’ones poden convertir-se en una eina clau per millorar el rendiment de les bateries, fent-les més eficients, lleugeres i duradores.

Mirant cap al futur, es preveu el desenvolupament de models de bateries quàntiques de molts cossos que puguin funcionar com a sistemes de càrrega sense fils a gran escala. Aquest pas podria integrar plenament els avantatges de l’entrellat quàntic, millorant no només la potència i la capacitat de càrrega, sinó també la quantitat de treball útil que es pot extreure d’una bateria d’aquest tipus. Tot plegat, representa un pas de gegant cap a una nova generació de tecnologies energètiques..

Resum per Ramon Gallart

Articles originals:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.09040.1

https://arxiv.org/abs/2308.13784

 

La Precisió Invisible Que Ho Connecta Tot.

Avui dia la freqüència de la xarxa elèctrica es dóna per fet, però en els inicis de l'electrificació, poques vegades es sabia la freqüència exacta en que giraven els generadors.

Avui dia, quan encenem un llum mitjançant l'interruptor, gairebé mai pensem en la freqüència de la xarxa elèctrica. Senzillament confiem que tot funcionarà. Però aquesta confiança no sempre va ser una realitat. Als inicis de l'electrificació, la freqüència —és a dir, el nombre de cicles per segon de l'ona de corrent altern— era una variable inestable. Els generadors giraven a velocitats lleugerament diferents, i les xarxes no estaven sincronitzades. Això feia difícil interconnectar sistemes i compartir energia de forma eficient. Però tot va canviar gràcies a una innovació sorprenent: El rellotge.

L’enginyer E. Warren va tenir la visió de resoldre un dels reptes més crítics de la nova era elèctrica: mantenir una freqüència estable. I no ho va fer des d’una central elèctrica, sinó des del món dels rellotges de la llar. Va dissenyar un mecanisme amb un motor síncron d’arrencada automàtica i un pèndol integrat, capaç de mantenir una precisió temporal que, a la vegada, permetia regular la freqüència de la xarxa. Aquest rellotge no només mesurava el temps: l'imposava sobre el ritme del corrent elèctric.

En silenci, aquest rellotge va revolucionar la distribució i transport d'energia elèctrica gràcies a que va poder instal·lar-ne un a la central de generació de L Street de l'Edison Electric Illuminating Co de Boston. Aquest rellotge, mantenia un tipus d'hora molt particular: utilitzava una motor d'arrencada automàtica juntament amb un pèndol per ajudar a mantenir el corrent elèctreica de corrent altern a una freqüència constant de 60 cicles per segon.

Aleshores, quan el servei elèctric encara era limitat a pocs usuaris, la manca d’un estàndard de freqüència no semblava problemàtica. Però amb l’augment de la demanda, tant a les fàbriques com a les llars, es va fer evident la necessitat d’una base comuna. I així, el rellotge de Warren es va convertir en una peça clau per a la interoperabilitat del sistema.

A finals dels anys 40, més del 95% de les línies elèctriques dels Estats Units estaven regulades per rellotges com el de Warren. Aquesta normalització va permetre que les companyies elèctriques compartissin energia i oferissin un servei més fiable. A partir dels anys 50, però, l’electrònica avançada va començar a reemplaçar aquests dispositius electromecànics. Avui dia, la tasca de mantenir una freqüència exacta de 60 Hz ha passat als rellotges atòmics, milers de vegades més precisos.

Malgrat això, el llegat d’aquell primer rellotge viu encara. El motor que Warren va desenvolupar va ser adoptat per General Electric el 1917 i llicenciat a altres empreses. Avui, a Medfield, Massachusetts, l’empresa Electric Time Co. , a Medfield, Massachusetts encara fabrica rellotges a mida per a torres, carrers i edificis, i acull el Museu del Rellotge Elèctric —un espai on es pot descobrir com una idea modesta va ajudar a sincronitzar un món sencer.

El que va començar com una necessitat tècnica, es va transformar en una revolució invisible: la del temps compartit. Gràcies a la visió d’un enginyer i al tic-tac constant d’un rellotge, l’electricitat va aprendre a ballar al mateix compàs.

Ramon Gallart

La Descarbonització de la Indústria Química: Un Repte amb Solucions Emergents.

La indústria química és una de les més complexes i diverses que existeixen. 

Engloba des de la producció de grans volums de productes químics bàsics fins a la fabricació de medicaments i fàrmacs d’alta precisió. Tot i aquesta diversitat, totes les branques comparteixen un desafiament comú: la necessitat urgent de fer front a la crisi climàtica i avançar cap a la sostenibilitat.

Una de les claus per assolir aquest objectiu és repensar la manera com es duen a terme les reaccions químiques. Actualment, molts processos industrials es basen en l’ús de calor generada per la combustió de combustibles fòssils, una pràctica altament contaminant. Molts experts apunten que el futur passa per substituir aquesta calor per electricitat procedent de fonts renovables.

Aquest canvi no és senzill. Cal desenvolupar i perfeccionar tecnologies que permetin electrificar els processos químics de manera eficient i rendible. Això implica treballar des d’una escala fonamental —entenent els mecanismes de les reaccions electrificades— fins a una escala aplicada, capaç de portar aquestes solucions al mercat.

Algunes iniciatives ja estan en marxa, impulsades per la creixent presència d’energies renovables a la xarxa elèctrica. Tanmateix, encara cal fer molt camí per integrar aquestes fonts en processos industrials amb plenes garanties tècniques i econòmiques.

Una de les opcions més prometedores és l’ús d’hidrogen electrolític, generat a partir d’aigua i electricitat verda. Aquesta alternativa podria substituir l’hidrogen produït amb gas natural, un procés altament emissor de CO₂. Altres tecnologies emergents, com l’electroquímica i el plasma, ofereixen també un gran potencial: permeten dur a terme reaccions químiques a temperatures i pressions més baixes, reduint així el consum d’energia i les emissions.

Malgrat aquestes perspectives, la descarbonització de la indústria química no serà fàcil. La seva naturalesa multiproducte i la gran varietat de processos impliquen que caldran estratègies adaptades a cada situació. És per això que resulta fonamental fomentar col·laboracions entre empreses, institucions i centres de recerca.

Quan la indústria i el món acadèmic treballen conjuntament, s’afavoreix la innovació i es redueix el temps entre el descobriment científic i la seva aplicació pràctica. Aquestes aliances poden ajudar a identificar quines tecnologies són viables a curt termini i quines requereixen encara més investigació.

Finalment, cal tenir en compte que els consumidors també juguen un paper clau. Cada vegada més, exigeixen productes i processos més respectuosos amb el medi ambient. Això pot ser un impuls important per a les empreses que aposten per una transformació sostenible, ajudant-les a destacar en un mercat cada cop més conscient.

La descarbonització de la indústria química no és només un repte; és una oportunitat per innovar, col·laborar i construir un futur més net i eficient. 

Ramon Gallart