El concepto requiere el uso de miles de millones de condensadores a nanoescala y se basaría en los efectos cuánticos—el extraño fenómeno que ocurre a escalas de tamaño atómico—para impulsar el almacenaje de energía. Los condensadores convencionales consisten en un par de placas conductoras a macroescala, o electrodos, separadas por un material aislante. Al aplicar voltaje se crea un campo eléctrico en el material aislante, y se almacena la energía. Sin embargo estos dispositivos pueden contener una cantidad de carga limitada, y si se sobrepasa se forman arcos eléctricos que acaban echando a perder la energía almacenada.
Si en vez de esto los condensadores se construyesen como matrices a nanoescala—de forma crucial, con los electrodos separados unos 10 nanómetros (o 100 átomos) entre ellos—los efectos cuánticos suprimirían estos arcos. Durante años los investigadores llevan reconociendo que los condensadores a nanoescala exhiben unos tipos de campos eléctricos inusualmente grandes, lo que sugiere que la diminuta escala de los dispositivo es responsable de la prevención de la pérdida de energía. Sin embargo “la gente no se ha dado cuenta de que un campo eléctrico de gran tamaño significa una densidad eléctrica también grande, y se podría utilizar para un tipo de almacenaje de energía que sobrepasase con creces cualquiera de los métodos que utilizamos hoy día,” afirma Alfred Hubler, el físico de Illinois y autor principal de un estudio en el que se detalla el concepto, de próxima publicación en la revista Complexity.
Hubler afirma que la densidad de energía resultante (la velocidad a la que la energía se puede almacenar o liberar) podría ser varias órdenes de magnitud mayor, y la densidad de energía (la cantidad de energía que se puede almacenar) de dos a 10 veces mayor que la cantidad posible con las mejores tecnologías de litio-ion y otras baterías.
Es más, las baterías cuánticas digitales podrían fabricarse utilizando las tecnologías litográficas de manufactura de chips mediante el uso de materiales de bajo coste y no tóxicos, tales como el hierro y el tungsteno, por encima de un material de silicio, afirma. Los dispositivos resultantes, en un principio, desperdiciarían muy poca o ninguna energía durante la absorción y liberación de electrones. Hubler afirma que podría ser posible construir un prototipo de pruebas de aquí a un año.
Hoy día, sin embargo, las baterías cuánticas digitales son simplemente un concepto de investigación a la espera de recibir la patente. Hubler ha solicitado fondos a la Agencia de Proyecto de Investigación Avanzada de Defensa para desarrollar este prototipo, aunque sin embargo el concepto se enfrenta a varios retos significativos. No está claro que los materiales nanofabricados no se fuesen a descomponer una vez cargados con energía, afirma Joel Schindall, profesor de ingeniería eléctrica en MIT.
No obstante Schindall también afirma que el concepto tiene su mérito. “Me intriga y me provoca cautela, puesto que tiene varios argumentos legítimos para el hecho de que, a estas dimensiones cuánticas, el efecto de almacenaje de energía al menos se espera que aumente considerablemente,” señala Schindall. “El primer reto es el siguiente: todo lo que asume es correcto, ¿o existen otros fenómenos que no se han tenido en cuenta y que podrían interponerse en el camino?”
De algún modo, el concepto representa una variación de los dispositivos micro- y nanoelectrónicos ya disponibles. “Si lo observamos desde el punto de vista de la electrónica digital—sólo se trata de un flash drive,” afirma Hubler. “Si lo observamos desde la perspectiva de la ingeniería eléctrica, podríamos decir que son tubos de vacío miniaturizados como los de las televisiones de plasma. Si se habla con un físico, se convierte en una red de condensadores.”
La parte digital del concepto está derivada del hecho de que cada tubo de nanovacío se podría acceder de forma individual. Debido a esto, el dispositivo quizás también podría utilizarse para almacenar datos.
Existen otros métodos para aumentar el rendimiento de los condensadores. Unas versiones avanzadas, llamadas ultracondensadores, son capaces de almacenar energía y operar más rápidamente mediante el incremento del área de superficie de sus electrodos y el uso de un electrolito. El grupo de Schindall ha incrementado las cuotas de carga y descarga, así como la capacidad de almacenaje de los ultracondensadores tradicionales, mediante el uso de nanotubos de carbono en vez de carbono activado en la superficie del electrodo. En esencia, esto incrementa el área de superficie del electrodo.
Las ventajas del diseño de Schindall—una salida de energía y una densidad de energía incrementadas—podrían resultar cruciales para aplicaciones como la absorción rápida de pulsos de energía de enorme tamaño procedentes de campos de turbinas eólicas o matrices solares, por ejemplo. Además, su equipo ha construido un dispositivo de pruebas. La parte negativa es que la densidad de energía de una masa de material dada aún sería de algún modo inferior a la de las baterías de litio-ion.
Aunque Hubler aún no ha construido nada, señalada que en 2005 un grupo de investigadores coreanos demostraron que los condensadores a nanoescala podían fabricarse. El dispositivo de Hubler, no obstante, aún necesitaría miles de millones o incluso billones de este tipo de dispositivos.
“Estoy completamente de acuerdo con que necesitamos desesperadamente nuevas formas de almacenaje eléctrico,” afirma Schindall. “Aunque podría entrar a competir con lo que hago en estos momentos, les deseo el mayor de los éxitos y espero que funcione.”