Супербатареи, сверхпроводники в помещении, квантовые компьютеры — где это все?

В последние годы мы много читали о прорывах в исследованиях новых электрических элементов, сверхпроводников, которые должны были работать без экстремального охлаждения, и, наконец, о квантовых компьютерах. Великие революции в технологиях кажутся не за горами, если верить новостям в СМИ. Как это на самом деле?

К сожалению, каждый раз более близкое знакомство с состоянием исследований и перспективами создания удовлетворительно работающих прототипов вызывает большое разочарование. Ни в коем случае не похоже, что «через мгновение» у нас появятся маленькие батареи, хранящие большое количество энергии, сверхпроводники, работающие без дорогостоящих криоустановок, или с которыми не справятся наши самые мощные суперкомпьютеры.

В каждой из этих областей науке еще предстоит сыграть огромную роль, а точнее физике. Будет ли это поиск и исследование новых материалов или правильное понимание происходящих в них явлений, которые могли бы помочь преодолеть трудности. Именно физики должны найти ответы и решения проблем, которые проложат путь к долгожданным и ожидаемым прорывам.

Придется дольше ждать супербатареи

Анализ за ноябрь 2019 года показывает, что то, что наблюдается в последние годы, скоро прекратится. В отчете MIT Energy Initiative предупреждается, что с текущими решениями, в основном литий-ионными батареями, электромобили могут никогда не достичь той же цены, что и автомобили внутреннего сгорания. Прежде всего, стоимостью сырья. По мнению аналитиков, вероятно, пройдет еще одно десятилетие, прежде чем разрыв в операционных расходах будет устранен.

Текущий литий-ионные батареи стоимость примерно от 175 до 300 долларов за киловатт-час. Ранее многие коммерческие и академические исследователи предсказывали, что стоимость таких батарей достигнет 100 долларов за кВтч к 2025 году или ранее, что станет «магическим числом», при котором электрические и жидкостные автомобили достигнут паритета розничных цен без субсидий. Однако даже достижение порога в 100 долларов к 2030 году потребует сохранения неизменности материальных затрат в течение следующего десятилетия, периода, когда ожидается резкий рост мирового спроса на литий-ионные батареи, отмечается в другом отчете Массачусетского технологического института «Взгляд на мобильность будущего». К тому времени, по прогнозам, затраты, вероятно, упадут до 124 долларов за киловатт-час. Таким образом, цена электромобиля все равно будет намного выше, чем у бензинового.

Дальнейшее постепенное снижение затрат после 2030 года, вероятно, потребует перехода от доминирующей в настоящее время литий-ионной технологии к совершенно другим решениям, таким как литий-металлические, полупроводниковые и литий-серные батареи. По мнению экспертов, сомнительно, что к 2030 году какая-либо из них сможет заменить литий-ионные аккумуляторы.

Новые решения в описаниях звучат весьма обнадеживающе. Кужикалаил М. Абрахам, производитель литий-воздушных аккумуляторов, говорит в интервью для прессы, что его технология может проехать до 1000 миль (1600 км) без подзарядки, смартфоны могут работать неделю без подзарядки, а дроны летают часами. максимум десятки минут, как сейчас.

На самом деле игра не только про этот волшебный диапазон и время работы. Не менее важен жизненный цикл аккумулятора, то есть количество циклов заряда/разряда до того, как его емкость упадет ниже 80%. первоначальная емкость. Другой постулат заключается в увеличении плотности энергии, которая измеряется как энергия на единицу массы или объема батареи.

В 1991 году, когда Sony предложила первую рыночную версию литий-ионный аккумулятор, он имел емкость чуть меньше ампер-часа. Теперь батарея того же размера имеет емкость примерно 3,6 ампер-часа. Таким образом, емкость литий-ионных аккумуляторов за последние три десятилетия увеличилась в четыре раза (1). За это время увеличилось и время автономной работы — примерно с сотни циклов до более тысячи.

1. Практическая и теоретическая плотность энергии в разных типах аккумуляторов

Материалы, используемые в современных литий-ионных батареях, представляют собой соединения (оксиды) этого переходного металла, который имеет определенное ограничение на максимальное количество электронов, генерируемых в реакциях. Чтобы увеличить количество электронов без значительного увеличения массы элемента (легкость лития является одним из его самых больших преимуществ), ищутся другие решения, например, использование серы, кислорода или полупроводникового материала.

Упомянутые (2), или, собственно, литий-кислородные элементы, поскольку это газ из воздуха, имеют гораздо более высокие плотности энергии, чем литий-ионные элементы. Теоретически энергия литий-воздушных аккумуляторов составляет около 40,1 МДж на килограмм, что составляет около 85%. плотность энергии бензина. Даже если предположить наихудший сценарий, 20 процентов. КПД у нас по-прежнему составляет тысячу ватт-часов на килограмм, что примерно в пять раз больше, чем у литий-ионного аккумулятора. С точки зрения веса воздушные элементы должны быть намного легче литий-ионных аккумуляторов.

2. Схема литий-воздушной батареи

Основная проблема с литиевой воздушной системой заключается в том, что вы должны подвергать элемент воздействию воздуха. Это приводит к возможности введения в клетку других веществ, например воды, а литий не любит влаги. Вот почему вы должны иметь способность фильтровать воздухдля доступа только кислород, не без других примесей. Для этого уже были испытаны полупроницаемые мембраны, но в последнее время считается, что проблема проникновения влаги может быть лучше решена при использовании полупроводникового электролита вместо жидкого электролита.

А как насчет других идей? Положительный и отрицательный электроды w литий-серные батареи обладают в десять раз большей зарядной емкостью, чем сегодняшние материалы для литий-ионных аккумуляторов. Сера широко доступна в качестве побочного продукта в нефтегазовой промышленности, что делает производство аккумуляторов дешевым. Сера он также более безвреден для окружающей среды, чем оксиды металлов, используемые в литий-ионных батареях.

Литий-сульфидные батареиоднако они все еще не так долговечны, как их литий-ионные аналоги. Жизненные циклы литий-серных аккумуляторов, процессы зарядки и разрядки могут создавать игольчатые отложения на литий-металлическом аноде, которые разрушают электролит и могут задерживать часть лития, не позволяя электроду обеспечивать полную мощность. Эта реакция также может привести к короткому замыканию аккумулятора и потенциальному возгоранию. Группа исследователей инженерной школы Кокрелла при Техасском университете в Остине нашла способ — создать искусственный теллурсодержащий слой внутри батареи на поверхности металлического лития, который мог бы продлить срок ее службы в четыре раза.

В июле 2020 года международная группа ученых из НИТУ «МИСиС», Российской академии наук и Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф объявила о том, что в производстве аккумуляторов вместо лития можно использовать специально образованный натрий. Натриевые батареи будет иметь аналогичную емкость и будет намного дешевле, чем существующие литиевые батареи.

Результаты исследования, опубликованные в журнале «Nano Energy», описывают двухслойную систему атомов натрия, называемую «биграфеновым сэндвичем», образовавшуюся после размещения слоев атомов металла. Он имеет анодную емкость, сравнимую с емкостью обычного графитового анода в литий-ионных аккумуляторах — около 335 мАч/г по сравнению с 372 мАч/г у литиевых. Натрий распространен гораздо шире, чем литий, поэтому его дешевле и легче получить.

Есть лосслесс гайды, но это стоит денег

Сверхпроводимость — это физическое явление, при котором материал нулевое электрическое сопротивление. Сверхпроводник, не имеющий сопротивления, означает, что через него может проходить электрический ток, не теряя энергии и не нагревая его. Это может обеспечить совершенно эффективную передачу и хранение энергии. Если бы ученым удалось открыть сверхпроводник, работающий при комнатной температуре и давлении, это произвело бы революцию в технологии. К сожалению, это оказалось очень сложной задачей и, возможно, вообще невыполнимо.

Сверхпроводник при комнатной температуре поможет решить мировые энергетические проблемы за счет почти полное отсутствие электричества теряются при передаче на большие расстояния по линиям электропередач. Это также позволит использовать более быстрые компьютеры и запоминающие устройства, а также более чувствительные научные датчики. Вышло бы намного дешевле запуск мощных магнитов используется в таких устройствах, как ускорители частиц, аппараты МРТ, прототипы ядерных термоядерных реакторов и поезда на магнитной подвеске, поскольку магнитам не требуется жидкий азот для охлаждения.

Сверхпроводимость название явления, при котором электрические токи проходят через материал с нулевым сопротивлением. Впервые он был обнаружен в 1911 году Хайке Камерлинг-Оннесом, получившим Нобелевскую премию в 1913 году, и объяснен в 1957 году Джоном Бардином, Леоном Купером и Джоном Робертом Шриффером, которые разделили эту награду в 1972 году. В 1986 г. Йоханнес Георг Беднорц и К. Алекс Мюллер открыли класс материалов на основе оксида меди, которые могут сохранять сверхпроводимость при температурах, превышающих те, которые допускала теория 1957 г. Год спустя, в 1987 г., дуэт получил Нобелевскую премию.

После открытия медных материалов прошло два десятилетия без прорывов в этой области. Ситуация изменилась в 2008 году, когда группа японских ученых во главе с Хидэо Хосоно открыла новый класс железосодержащих материалов, обладающих сверхпроводимостью при необычно высоких температурах. Затем, в 2014 году, группа из Германии под руководством Михаила Еремца открыла еще одно семейство сверхпроводящих материалов, на этот раз содержащее водород (гидриды).

К сожалению, все известные сверхпроводники становятся для нас сверхпроводниками при экстремально низких температурах. «Высокотемпературный» сверхпроводник определяется как материал, который ведет себя как сверхпроводник при температуре выше температуры жидкого азота (73 К или –200 ° C). Точная температура, при которой электрическое сопротивление материала падает до нуля, это называется «критической температурой».

Сверхпроводник, работающий при самой высокой температуре в условиях нормального давления, — это Hg.₁₂Tl₃Ba₃₀Ca₃₀Cu₄₅O₁₂₇который имеет критическую температуру 138К или –135°С при давлении в одну атмосферу. Вопрос давления очень важен. Сероводород (Н.₂S) имеет критическую температуру всего 203K (-70°C) и декагидрид лантана (LAH₁₀) имеет критическую температуру 250К (–23°С). К сожалению, эти материалы должны находиться под очень высоким давлением, чтобы иметь сверхпроводимость. ЧАС.₂S требует 986923 XNUMX атмосфер давления и LaH₁₀ 1677770 атмосфер.

3. Явление магнитной левитации на основе сверхпроводимости

Термин «сверхпроводник при комнатной температуре» используется для обозначения потенциальных материалов будущего, которые проявляют сверхпроводимость при температурах выше 273 К или 0°С. Чтобы они были особенно полезны в реальном мире, эти материалы также должны быть сверхпроводящими при давлении около одной атмосферы.

Недавно международная группа ученых обнаружила, что атомы водорода в гидридах металлов они гораздо более плотно упакованы, чем считалось ранее. Это свойство может приводить к возникновению сверхпроводимости при температурах и давлениях, близких к комнатным. В Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США (ORNL) ученые провели эксперименты по рассеянию нейтронов на гидриде циркония-ванадия при атмосферном давлении в диапазоне от -268 градусов Цельсия (5 К) до -23 градусов Цельсия (250 К).

проф. Збигнев Лодзяна из Института ядерной физики Польской академии наук в Кракове, один из членов международной группы исследователей, предложил новую модель этого гидрида. Эта модель, рассчитанная на одном из самых мощных суперкомпьютеров в мире, позволила простым способом объяснить экспериментальные наблюдения. Оказалось, что расстояние между атомами водорода в испытуемом материале составляет 1,6 ангстрема, в то время как ранее хорошо зарекомендовавшие себя предсказания для этих соединений определяли это расстояние на уровне не менее 2,1 ангстрема.

Другие материалы с аналогичной упаковкой атомов водорода переходят в состояние сверхпроводимости, но только при очень высоких давлениях. Это высокое давление необходимо, чтобы сблизить атомы водорода до менее чем 2 ангстрем. Как пояснил проф. Zbigniew Łodziana из IFJ PAN, его команде удалось показать, что водород можно упаковать таким образом и при атмосферном давлении.

Компьютер с дырами, черные дыры

Мы много писали о конкуренции в этой области в последних выпусках МТ. квантовые вычисления. Поэтому коснемся этой области кратко, упомянув только то, что появилось недавно.

Идет мировая гонка за тем, кто построит первый в мире (4), т.е. тот, который сможет обеспечить технологии долгожданной способностью поддерживать ученых в таких видах деятельности, как разработка новых замечательных материалов, шифрование данные с почти идеальной безопасностью и точным прогнозом изменения климата на Земле. Большинство вех, которые с энтузиазмом публикуют IBM, Microsoft, Google, Intel, связаны с упаковкой всегда фундаментальной единицы информации в квантовом компьютере в процессор.

Благодаря этим возможностям, квантовые вычисления станет большим подспорьем для химической инженерии и молекулярного моделирования, криптографии, анализа результатов космических исследований и данных SETI, а также пространственного планирования, распознавания лиц и образов в контртеррористических операциях, моделирования физики элементарных частиц, генной инженерии, прогнозирования погоды и предсказания климата. Одним из негативных последствий квантовых вычислений является то, что они значительно увеличивают скорость, с которой кто-то может взломать пароль или другие меры безопасности, по сравнению с попытками грубой силы с использованием традиционного компьютера.

был введен в 1947 г. Первая интегральная схема появилась в 1958 году. Первый микропроцессор Intel, в котором было всего около 2,5 транзисторов, появился только в 1971 году. Между каждой из этих вех было более десяти лет. Люди думают, что квантовые компьютеры уже не за горами, но история показывает, что эти достижения требуют времени. Если через 10 лет у нас будет квантовый компьютер с несколькими тысячами кубитов, он точно изменит мир так же, как первый микропроцессор.

Тенденция к распаду кубитов и ошибкам, которые преследуют эту область исследований, пытаются использовать все более и более интересные методы. Ученые Массачусетского технологического института создали искусственные «гигантские атомы» на основе сверхпроводников. Исследование, опубликованное в журнале Nature несколько месяцев назад, предполагает, что эти гигантские атомы могут помочь в создании действительно практичных квантовых компьютеров. Искусственные атомы тормозят перенос кубитов, стабилизируя их, что повышает надежность системы.

Кроме того, квантовые инженеры из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее создали искусственные атомы (5). Интересно, что сделали это в кремниевых чипах, т.н. квантовые точки. В статье, опубликованной в «Nature Communications». Электроны используются как кванты (или квантовые биты). Профессор Эндрю Джурак из Университета Нового Южного Уэльса объясняет, что, в отличие от настоящего атома, искусственный атом не имеет ядра, но имеет электронные оболочки, вращающиеся вокруг центра устройства, а не вокруг ядра атома.

— «» написал в публикации профессор Джурак. «». Дополнительные электроны во внутренних оболочках, по-видимому, действуют как «праймер» на несовершенной квантовой поверхности точки, сглаживая и стабилизируя электрон во внешней оболочке.

5. Визуализация концепции искусственных атомов

Достижение стабильности и контроля над электронами является ключевым шагом на пути к реальности. Спин электрона используется для кодирования значения кубита. «Наша новая работа показывает, что мы можем контролировать вращение электронов во внешних оболочках этих искусственных атомов, чтобы получать надежные и стабильные кубиты», — объясняет профессор. Удар.

Летом 2020 года исследователи из Мэрилендского университета Кристофер Монро и Брайан Свингл сообщили Quanta, что можно построить квантовые схемы, которые будут вести себя как запутанные черные дыры. Если бы система работала, она могла бы вводить квантовую информацию в единственную схему «черной дыры», которая кодировала бы ее. Через какое-то время эта информация выскакивала из второго контура, уже не зашифрованная и не расшифрованная. Это отличает его от существующих методов квантовой телепортации, поскольку передаваемая информация с самого начала полностью закодирована, а затем должна быть расшифрована, что делает процесс более длительным и менее точным, поскольку подверженный ошибкам квантовый компьютер пытается воссоздать исходное сообщение. Комментируя предложение использовать миниатюрные черные дыры, исследователи посчитали, что если бы это было возможно, то это означало бы новую эру квантовых ИКТ.

6. Черная дыра в квантовом чипе

Если мы доберемся до квантовый компьютерный синтез с черными дырамиявляется четким сигналом к ​​прекращению размышлений. Не то, чтобы это не имело смысла. Возможно, это имеет смысл. К сожалению, однако, трудно сопротивляться впечатлению, что область, в которой используются такие экзотические идеи, все еще далека от реалий технической осуществимости.