Eines der wichtigsten Themen der Elektromobilität ist die Ladegeschwindigkeit. Verbrenner setzen den Benchmark für Tankpausen: Ihre Energiespeicher lassen sich in weniger als fünf Minuten gänzlich auffüllen. Das bringt bis zu 1.000 Kilometer reale Reichweite. Elektroautos hinken diesbezüglich hinterher. Die besten schaffen in der gleichen Zeit ungefähr ein Zehntel davon: Der Audi E-Tron GT lädt in fünf Minuten im Bestfall etwas mehr als 20 kWh nach – genug für höchstens 100 Kilometer. Das Ladetempo steigt stetig, aber die Technik bleibt weitgehend gleich. Elektroautos speichern ihre Energie in Lithium-Akkus und laden mit Wechselstrom oder Gleichstrom. Mit diesem Ansatz ist es mit angemessenem Aufwand nahezu unmöglich, so schnell zu laden, wie Verbrenner tanken. Forschende suchen deshalb nach Alternativen. Eine Möglichkeit ist kürzlich ein gutes Stück näher gerückt: Quanten-Akkus könnten langfristig die Ladepausen deutlich verkürzen.

Vorab: Bei Quanten-Akkus handelt es sich um eine Technik, die nicht in naher Zukunft auf den Markt kommen wird. Bisher gab es nur die theoretische Annahme, dass bestimmte physikalische Prinzipien ihre Funktion ermöglichen würden. Ein internationales Team aus Forschenden hat jetzt beweisen können, dass sich diese Theorie tatsächlich in die Praxis umsetzen lässt. Ihre Ergebnisse haben Sie in der wissenschaftlichen Arbeit „Superabsorption in an organic microcavity: Toward a quantum battery“ veröfffentlicht. In der Entwicklung bedeutet das einen Riesenschritt. Der Quanten-Akku befindet sich dennoch ganz am Anfang.

Quanten-Akkus: Technisch möglich, aber weit in der Zukunft

Für diesen Schritt haben die Forschenden ein Testobjekt gebaut, das man in Fachkreisen eine „optische Falle“ nennt. Dessen Kern ist ein spezieller Farbstoff, der Licht absorbiert. Vereinfacht erklärt: Er lässt sich mit Licht „aufladen“. Der Farbstoff ist zwischen zwei Spiegeln platziert und wird einem Laserstrahl ausgesetzt. Die Wissenschaftler*Innen messen, wie lange es dauert, bis sich der Farbstoff auflädt. Danach wiederholen sie den Versuch mit höheren Farbstoffkonzentrationen.

Das Ergebnis: Der Prozess beschleunigt sich, je mehr Moleküle den Lichtpuls absorbieren. Dieser Effekt heißt „Superabsorption“. Übertragen auf eine hypothetische Quantenbatterie bedeutet das: Je größer der Stromspeicher, desto schneller lässt er sich laden. James Quach, korrespondierender Autor der Arbeit, vergleicht im Gespräch mit dem Fachmagazin „New Atlas“ den Effekt mit Schallwellen oder Wellen im Meer. Wenn mehrere sich addieren, würden Sie einen größeren Effekt erzielen als eine einzelne Welle.

Die Messzeiten im Experiment rangieren im Bereich weniger Femtosekunden (1 fs = 0,000.000.000.000.001 Sekunden). Das dauerhafte Speichern der Energie steht noch nicht im Fokus. Es gehört also etwas Fantasie dazu, die Ergebnisse auf eine Traktionsbatterie für ein Elektroauto zu skalieren. Bis dahin steht noch viel Arbeit an. Quach beschreibt die weitere Vorgehensweise: „Die große Herausforderung ist, die Lücke zwischen dem Grundsatzbeweis und großen, nutzbaren Geräten zu überbrücken.“

In den nächsten Schritten werde man erforschen, „wie die Ergebnisse mit anderen Wegen, Energie zu speichern und zu übertragen, kombiniert werden können, um ein Gerät zu entwickeln, das praktisch nutzbar sein könnte“, konkretisiert Quach. Das wird zunächst nicht unbedingt eine Batterie sein, die ein Auto antreiben kann. Aber eine Art Speicher, der sehr schnell Energie aufnimmt. Für dieses Prinzip gibt es weltweit in vielen Branchen Bedarf.