La tecnología cuántica es una clave energía alternativa
La tecnología cuántica puede generar energía y reemplazar las baterías de ion de litio en el futuro
Con fuentes de energía convencionales como los combustibles fósiles agotándose rápidamente, sin mencionar sus efectos adversos en el medio ambiente, el mundo ha estado desesperadamente necesitado de medios alternativos para abordar nuestras crecientes necesidades energéticas. Los intentos incluyen la energía solar, eólica, geotérmica e hidroeléctrica, reactores de fusión nuclear, energía de hidrógeno y baterías de iones de sodio, por nombrar algunas. Si bien todos estos han sido esfuerzos loables, la mayoría ha enfrentado desafíos severos y, como resultado, han logrado un éxito bajo o moderado. La búsqueda de un sustituto viable para los combustibles fósiles continúa, poniendo una vez más a prueba la ingeniosidad humana. La respuesta puede venir, sin embargo, de los lugares menos probables, la naturaleza cuántica de la realidad misma.
Habiendo sido establecida hace más de un siglo, la teoría cuántica sigue siendo un tema de mucho debate y discusión dentro de la comunidad de físicos. Esto se debe en parte a la naturaleza no intuitiva del tema, ya que es extremadamente difícil para nosotros visualizar cómo funciona el mundo a una escala tan microscópica. Resulta que el universo es bastante peculiar a escala cuántica y parece desafiar la lógica convencional. En resumen, la teoría cuántica es simplemente extraña. En consecuencia, a pesar de ser la teoría más exitosa y precisa hasta la fecha, está lejos de ser completa y hay preguntas fundamentales que siguen sin respuesta.
Con fuentes de energía convencionales como los combustibles fósiles agotándose rápidamente, sin mencionar sus efectos adversos en el medio ambiente, el mundo ha estado desesperadamente necesitado de medios alternativos para abordar nuestras crecientes necesidades energéticas.
Esta larga búsqueda para entender cómo funciona la naturaleza a un nivel fundamental nos llevó por un camino inesperado, algo que no podríamos haber previsto, y ahora nos está instando a plantear una pregunta importante: ¿Es posible utilizar la naturaleza cuántica de la materia misma para crear una fuente alternativa de energía? La investigación en curso en este campo parece sugerir que la respuesta a esta pregunta es un rotundo “sí”. El trabajo reciente sobre “baterías cuánticas” y “motores cuánticos” indica que la tecnología cuántica puede, de hecho, tener la clave para el futuro de la generación de energía, y apenas hemos arañado la superficie.
Baterías Cuánticas
Aunque parecían ser una realidad lejana por el momento, un grupo de investigación compuesto por científicos de la Universidad de Tokio y el Centro de Investigación Computacional de Beijing ha logrado un avance reciente que podría hacer que las baterías cuánticas sean una realidad práctica antes de lo esperado. Las baterías químicas convencionales dependen de materiales como el litio para almacenar carga. Las baterías cuánticas, por otro lado, utilizan partículas individuales como los fotones para almacenar energía.
Los paneles solares pierden eficiencia notablemente debido a las pérdidas térmicas, pero aprovechar ICO podría mitigar estas pérdidas, lo que lleva a una producción de energía significativamente mejorada.
La idea esencial que utilizó el grupo es un fenómeno puramente cuántico conocido como “Orden Causal Indefinida (ICO)”, que modifica nuestra noción habitual del flujo del tiempo. El mundo macroscópico sigue la regla de “causalidad”, si el evento 1 precede al evento 2, lo contrario no puede suceder. Sin embargo, este no es necesariamente el caso cuando se trata del mundo cuántico. ICO implica que el evento 1 que lleva al evento 2, y el evento 2 que lleva al evento 1, pueden tener lugar simultáneamente a través del principio de “superposición”. Esto llevó al resultado inesperado de que un cargador de menor potencia podría proporcionar mayores energías con una mayor eficiencia en comparación con un cargador de mayor potencia que utiliza el mismo aparato.
Las implicaciones de este avance se extienden mucho más allá de los dispositivos portátiles. La capacidad de ICO para manipular la transferencia de calor dentro de los sistemas cuánticos podría revolucionar la captura de energía solar. Los paneles solares pierden eficiencia notablemente debido a las pérdidas térmicas, pero aprovechar ICO podría mitigar estas pérdidas, lo que lleva a una producción de energía significativamente mejorada.
Motores Cuánticos
Aunque los motores cuánticos son una empresa más ambiciosa que las baterías, el trabajo reciente de investigadores de la Universidad de Kaiserslautern, Alemania, sugiere que pueden tener un gran potencial en el futuro. Mientras que los motores convencionales utilizan el “ciclo de Carnot” para convertir el calor o la energía térmica en trabajo mecánico, este motor cuántico en particular funciona sobre las diferencias de energía que surgen como resultado de las propiedades estadísticas de las partículas cuánticas.
Los bosones se acumulan en el estado de energía más bajo, mientras que los fermiones continúan ascendiendo y apilándose unos sobre otros, aumentando así la energía del sistema.
Según la mecánica cuántica, la naturaleza está compuesta por dos tipos de partículas: bosones y fermiones. Si bien cualquier estado de energía puede acomodar un número infinitamente grande de bosones, solo puede contener un fermión en un punto dado en el tiempo, lo que significa que no pueden ocupar el mismo estado dos fermiones. Esta es la base del famoso “Principio de Exclusión de Pauli”.
Aunque este efecto no es importante a temperatura ambiente, se vuelve cada vez más dominante a medida que enfriamos las partículas hasta temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 grados Celsius o 0 Kelvin). Los bosones se acumulan en el estado de energía más bajo, mientras que los fermiones continúan ascendiendo y apilándose unos sobre otros, aumentando así la energía del sistema. Por lo tanto, a temperaturas muy bajas, los fermiones poseen mucha más energía que los bosones.
A principios de la década de 2000, se descubrió que es posible convertir un gas de fermiones en bosones y viceversa utilizando campos magnéticos. Cuando este proceso se realiza cíclicamente, la diferencia de energía entre fermiones y bosones puede convertirse en principio en energía mecánica, similar a cómo funciona un motor convencional. La diferencia principal aquí es que en los motores cuánticos, en lugar de utilizar calor, la fuerza motriz resulta ser la diferencia en la naturaleza fundamental de las partículas cuánticas mismas.
Si bien el experimento fue una demostración de concepto, no se puede negar las posibilidades que presenta. Mientras que los motores cuánticos parecen estar en posición de ser una fuente viable de energía para alimentar computadoras cuánticas y sensores cuánticos en el futuro, es completamente posible que puedan alimentar algo aún más grande en el futuro.
Conclusión
Han habido numerosos avances tecnológicos en el campo de la energía alternativa y renovable últimamente. Sin embargo, la mayoría, si no todos ellos, dependen críticamente de recursos limitados, que inevitablemente se agotarán. Por ejemplo, la fusión nuclear, a pesar de ser una de las fuentes de energía más limpias, todavía depende por completo de materiales escasos como el tritio. La grave escasez en el suministro de semiconductores recientemente tuvo un impacto adverso en la fabricación de vehículos eléctricos en 2023, una industria que ya está lista para enfrentarse a una escasez de litio en el futuro. Y aunque el hidrógeno verde parece ser una perspectiva emocionante, es demasiado caro e ineficiente para ser económicamente viable en este momento, y aún está por verse si esto cambiará en el futuro.
Original article by Prateek Tripathi
