Исследователями из Университета Иллинойса (University of Illinois) предложена концепция так называемых цифровых квантовых батарей, которые должны обладать во много раз большей ёмкостью, чем сегодняшние аккумуляторы.

Идея предполагает использование миллиардов конденсаторов наномасштабных размеров и основана на квантовых эффектах, проявляющихся на уровне атомов. Обычные простейшие конденсаторы состоят из пары проводящих пластин, или электродов, разделённых изолирующим слоем материала или воздуха. Прикладывая к ним напряжение, можно создать электрическое поле и позволить заряду накопиться на обкладке. Но возможности конденсатора не бесконечны – по достижении определённой величины заряда возникают такие эффекты, как «искры» между обкладками и утечки, а при некотором уровне напряжённости поля возможен электрический пробой, и весь заряд теряется.

Учёные предлагают создать наномассивы конденсаторов, расстояние между электродами которых должно составлять около 10 нм (или 100 атомов). При этом действующие в таком масштабе квантовые эффекты будут сдерживать увеличение концентрации свободных носителей заряда и соответственно утечки. Данное явление нельзя назвать открытием – в течение многих лет о проявлении необычных свойств наноконденсаторами было известно, и причиной предотвращения потери энергии, свойственной для макромира, назывался именно масштаб элементов.

Однако, как считает один из авторов концепции Альфред Хаблер (Alfred Hubler) из Университета Иллинойса, «люди не осознавали, что большое значение электрического поля означает большую плотность энергии, и оно может быть использовано для устройств хранения энергии, которые намного превосходят всё существующее сегодня».

Рис. 1. График плотности энергии в различных батареях

Согласно подсчётам Хаблера, итоговая удельная мощность может на порядки превышать любую из применяемых ныне технологий, а количество хранимой энергии – быть в 2–10 раз выше по сравнению с лучшими литий-ионными аккумуляторами. Более того, для производства цифровых квантовых батарей не понадобится модификация используемого в настоящее время литографического процесса, а необходимые материалы – кремний, железо и вольфрам – относительно дёшевы и нетоксичны. Лабораторный прототип Хаблер надеется изготовить уже через год, и устройства либо вовсе не будут терять энергию, либо потери окажутся совсем незначительны при поглощении и высвобождении ими электронов. Но сейчас предлагаемый тип источников питания – это только запатентованная идея. Учёный получил финансирование своих исследований от DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency – Агентство передовых оборонных исследовательских проектов), и теперь предстоит доказать их результативность на практике и ответить критикам.

Рис. 2. Схематическое изображение четырёх наноконденсаторов. Катод – прочный проводящий материал, такой как вольфрам или сталь. Анод – нанотрубка в плоской стальной части электрода. Кривые линии отображают линии электрического поля. Изолирующие стенки из оксида кремния

Например, профессор Джоель Шиндел (Joel Schindall) из Массачусетского технологического института (MIT) вообще не уверен, что наноматериалы не разрушатся после накопления заряда. Хотя он признаёт концепцию заслуживающей внимания: «Я заинтригован, потому как у него есть обоснованные аргументы в пользу того, что для таких квантовых размеров эффект накопления энергии по меньшей мере может быть значителен». В некотором смысле концепция представляет собой вариант существующих микро- и наноэлектронных устройств. Как говорит Хаблер, «если посмотреть на это с точки зрения цифровой электроники – это всего лишь флеш-диск». Другой аналог – миниатюрные вакуумные трубки, как в плазменных ТВ. Физики же видят сеть из конденсаторов. «Цифровая» часть следует из факта, что каждый элемент будет адресуем независимо. Поэтому помимо «голой» энергии теоретически возможно хранить данные.

Существуют и другие способы повышения характеристик конденсаторов. Так, ультраконденсаторы благодаря увеличению площади поверхности электродов и электролитам способны функционировать быстрее обычных ёмкостей. Шиндел повысил этот параметр и количество хранимого заряда использованием нанотрубок вместо угля на поверхностях электродов в уже созданном прототипе. И хотя Хаблер ещё не достиг практической фазы своей работы, он ссылается на проведенное в 2005 году исследование корейских учёных, показавшее реальность изготовления наноконденсаторов.