סוללות קוונטיות הן סוג חדש של התקני אחסון אנרגיה, והם פועלים על פי עקרונות הפיזיקה הקוונטית. הפיזיקה הקוונטית הוא תחום מדעי שבמסגרתו בוחנים את הטבע בקנה מידה קטן ביותר, והיא מספקת לעיתים הדברים לתופעות שלא ניתן למצוא בפיזיקה הקלאסית. טרזילה וירג'ילי מהמכון לפוטוניקה ולננו-טכנולוגיה של המועצה הלאומית למחקר ופרופ' ג'וליו צ'רולו מהמחלקה לפיזיקה של האוניברסיטה הפוליטכנית הדגימו בניסוי, לראשונה, כי ניתן לייצר סוג של סוללה קוונטית שבה אפשר להגדיל את כוח הטעינה של הסוללה במהירות רבה, זאת על ידי הגדלת קיבולת הסוללה.
מחקרם, שנעשה בשיתוף עם קבוצות מחקר בינלאומיות נוספות, פורסם ב-Science Advances. החוקרים הוכיחו בהצלחה את הרעיון של ספיגת-על, רעיון מכריע העומד בבסיס הסוללות הקוונטיות. "לסוללות קוונטיות יש תכונה, שמנוגדת לאינטואיציה האנושית - זמן הטעינה שלהן עומד ביחס הפוך לקיבולת הסוללה, כלומר לכמות המטען החשמלי המאוחסן", מסביר וירג'ילי. "זה מוביל אותנו לרעיון המסקרן, לפיו כוח הטעינה של סוללות קוונטיות הוא עצום – הוא גדל בקצב מהיר יותר ככל שהסוללה גדולה יותר".
כשמסתכלים על בטריות קוואנטום צריך להסתכל על מבנה האטום. במבנה האטום הפשוט של בוהר, בזכות קפיצה של אלקטרון מטבעת פנימית לאחת חיצונית יותר - האנרגיה של האטום עולה. על העלייה הזו מבוססת הסוללה הקוונטית. יש מספר דרכים להביא אטום לדרגות אנרגיה גבוהות יותר, וככל שזה נוגע לסוללות קוונטיות - התהליך הזה משול להטענת סוללה. צ'רולו והצוות שלו השיגו מצב של הטענה כזו בעזרת פוטונים, חלקיקי האור.
בתוך כלי חלול מיקמו החוקרים חומר מוליך למחצה, כאשר משני צדדיו משטחים מחזירי אור, אלה מסייעים להנחות את האור לכיוון הרצוי. קרן לייזר המכוונת למתקן יורה פוטונים, אשר מגיבים עם האטומים שבחומר המוליך למחצה, ו"דוחפים" חלק מהם למצב אנרגיה גבוה יותר. התהליך הזה שקורה בקנה מידה קטן מאוד, בהתאם לעקרונות הפיזיקה הקוונטית, הוא למעשה הטענת הסוללה הקוונטית. אחד האתגרים שעמדו בפני החוקרים היה לדייק את התהליך הזה, ולוודא שהחומר שבו הם משתמשים, כמו גם קרן הלייזר והמתקן כולו - מאפשרים מעבר שלם של אלקטרון מטבעת אחת לשנייה.
הבטריות הן העתיד של אגירת האנרגיה
נשמע קצת כמו מדע בדיוני, אבל, פרופ' צ'רולו מסביר בשיחה עם N12 שבעוד שלא מדובר במוצר בקנה מידה מסחרי, הרעיון שבבסיסו הוא ללא ספק מדעי, תוצאה של חקר וניסוי. "אחרי המהפכה הקוונטית הראשונה, ניצבת בפנינו ההזדמנות לחולל את המהפכה הקוונטית השנייה. הרעיון הוא לנצל תכונות שונות של מערכות קוונטיות, בייחוד את הרעיון של סופרפוזיציה קוונטית, כדי לפתח מכשירים חדשים".
כפי שמיטיב לציין צ'רולו, הסוללה הקוונטית היא הבטחה גדולה בתחום האנרגיות המתחדשות. "אני חושב שהבטריות הן העתיד, כי מאפשרות לאגור אנרגיה, ואגירה היא תנאי הכרחי ליכולת שלנו לנצל אנרגיה ירוקה באופן נרחב ומשמעותי".
תוך כדי השיחה עם פרופ' צ'רולו, ניכר שאחד האספקטים שלשיטתו הם המבטיחים ביותר בסוללות הללו, הוא מידת יעילותם היחסית. גם חיי הסוללה הם עניין שונה לגמרי כשמדובר בבטרייה קוונטית. "בטריות המבוססות על אלקטרוכימיה מאבדות עם הזמן את היכולת שלהן לאגור אנרגיה. זו הסיבה שהבטרייה בטלפונים החכמים שלנו למשל, הופכת פחות יעילה עם הזמן. כשאנחנו חושבים על הסוללה הקוונטית, תיאורטית, יתכן שהיא תהיה כזו שלא יקרה בה תהליך שכזה"; זוהי בהחלט הבטחה גדולה.
"כדי להמשיך לפתח טכנולוגיה כזו מהשלב המוקדם ביותר שבו אנחנו נמצאים, אנחנו זקוקים לזמן וגם למימון, כמו בכל טכנולוגיה חדשה". לשיטתו של צ'רולו, הדרך הנכונה כוללת שילוב בין מחקר תיאורטי ופיתוח קונספט, לבין ניסויים אמפיריים שידגימו את הרעיונות ויספקו כיווני מחקר חדשים. השלב יהיה הוא לפתח אב טיפוס של סוללה קוונטית הפועלת באופן מלא.
פרופ' צ'רולו ישתתף בכנס "ננו-טכנולוגיה - מאקדמיה לתעשייה', שיערך ב-24-25 באוגוסט ב HIT מכון טכנולוגי חולון. בכנס ישתתפו חוקרים מובילים מהארץ ומהעולם, לצד נציגי חברות מובילות בתעשייה. הכנס יעסוק בפיתוחי ננו-טכנולוגיה פורצי דרך בתחומי הרפואה, האנרגיה, הנדסת החומרים ועוד, וידגיש את חשיבות השיתוף בין האקדמיה לתעשייה.