ciclo de carga

Un charco de barro que se seca se cubre de grietas, como un cuadro antiguo lleno de craquelado. Al principio las grietas se encuentran casi en ángulo recto y forman una red tosca. Pero si el barro se vuelve a mojar y se deja secar, el dibujo cambia: las grietas empiezan a encontrarse de tres en tres, con un ángulo de 120 grados, como los panales de las abejas.

Cualquier batería, desde la de tipo AA hasta la cuántica, es simple: hay una reserva de energía y una forma de extraerla. En el mundo cuántico, esa 'forma' se ve como una conmutación cuidadosa entre estados de una partícula, similar a mover una canica de un estante alto a uno bajo.

Las baterías agotadas de los coches eléctricos se comportan como músicos caprichosos: uno toca más fuerte, otro más bajo, otro se desafina sin motivo. Montar una batería con ellas al azar es obtener una cacofonía: unas celdas se sobrecargan, otras están paradas, y el sistema falla rápidamente. Los ingenieros convirtieron este problema en una tarea para un director de orquesta.

Una orquesta de miles de millones de átomos de cesio tocó una sola nota, y sonó durante 17 horas sin apagarse. No es hipérbole: físicos chinos crearon un cristal temporal continuo con un tiempo de vida récord. Un cristal temporal es un sistema que rompe la simetría temporal y pulsa espontáneamente con un ritmo inmutable.

Dos péndulos en un mismo hilo intercambian movimiento: si empujas uno, el segundo comienza a oscilar, y un instante después el primero recibe un empujón de vuelta. En el átomo de torio-229, la energía fluye casi sin pérdidas entre la capa electrónica y el núcleo.

El núcleo atómico es un muelle natural de fuerza colosal. Cuando los protones y neutrones de su interior se reorganizan, pasa a un estado especial de larga duración: isómero nuclear. En él se almacena energía, como un muelle comprimido al límite.

El envejecimiento de una batería se parece a la fatiga del metal: la grieta madura en el interior mucho antes de que la pieza se rompa. Normalmente nos enteramos del problema cuando la capacidad cae por debajo del 80%, pero para entonces los daños ya son irreversibles.

Una batería cuántica no es una caja con química, sino una cadena de pequeños imanes (espines) capaz de almacenar energía. Su truco principal: cargar muchas partículas a la vez, aprovechando su entrelazamiento cuántico. Pero hay un inconveniente: no cualquier entrelazamiento sirve.

Los agujeros negros no son eternos: pierden energía lentamente emitiendo entropía —una medida de información oculta— en forma de calor. Este proceso fue predicho por Stephen Hawking. Pero hasta ahora seguía siendo un misterio qué sucede al final, cuando el agujero casi ha desaparecido y debe devolver los datos capturados.

Una batería normal de teléfono respira, pero no aire, sino contacto. Dentro de un sólido, donde no hay líquidos, el litio se aprieta contra el electrolito (la sustancia que conduce iones) al cargarse, y se separa al descargarse, como un pulmón al inhalar y exhalar.

Una pinza óptica es un haz láser que mantiene un átomo en un punto, como los dedos sostienen un guisante. Con estas pinzas se construyen redes enteras de átomos, la base de las futuras computadoras cuánticas. Pero hay un problema: no en cada pinza cae un átomo.

El destino de una civilización no es simplemente una cuestión de suerte o catástrofes. Los científicos modelaron mil años de historia en diez escenarios diferentes, teniendo en cuenta el gasto de recursos, la gestión y los impactos aleatorios. La medida principal resultó ser el «coeficiente de actividad»: la proporción de tiempo en que una civilización está tecnológicamente viva.

En las baterías cuánticas, la carga se puede acelerar si se mezclan los pasos en el tiempo, como una baraja de cartas. En lugar de un crecimiento suave de la energía, se producen explosiones repentinas de eficiencia, como microscópicas supernovas dentro de los átomos.

Un filamento metálico del grosor de un cabello atraviesa la cerámica como una raíz que rompe el asfalto. En las baterías de estado sólido, estos filamentos se llaman dendritas y aparecen cuando la corriente de carga supera un umbral crítico. El electrolito cerámico es sólido pero frágil, como el vidrio.

Una diminuta esfera de vidrio flota en un haz láser, como una mota de polvo en la luz del sol. Dentro de ella hay plomo radiactivo que, de vez en cuando, se desintegra. Cada desintegración expulsa partículas cargadas, y la esfera pierde o gana una carga eléctrica minúscula.

La batería cuántica funciona como una esponja que absorbe luz, pero no la libera sin un exprimido forzado. La inspiración provino de las trampas solares naturales de las bacterias: al capturar fotones solares, demostrado por espectroscopía, transmiten energía casi sin pérdidas.

Una batería de litio es como una casa con un trastero: al cargar, el litio entra; al descargar, sale. Pero si el trastero se llena de trastos, parte del litio se queda dentro para siempre. De qué metal estén hechas las paredes del trastero depende cuánto litio regrese. Los autores del estudio tomaron cuatro metales: aluminio, magnesio, plata y cobre. Cada uno absorbe el litio a su manera.

Dos teléfonos con la misma batería: uno se carga en un sótano con poca señal y el proceso es más lento. El porcentaje de carga actúa como la manecilla del reloj. Los físicos trasladaron esta misma lógica al mundo cuántico. Su reloj es una batería microscópica que acumula energía.

Las baterías suelen tener dos terminales: ánodo y cátodo. Los ingenieros intentan eliminar el ánodo de las baterías de estado sólido (con electrolito sólido) para hacerlas más ligeras y de mayor capacidad. Durante la carga, el metal debería depositarse por sí solo en una capa sobre el contacto, y durante la descarga, desaparecer por completo.

Una batería cuántica es un dispositivo que almacena energía en los estados cuánticos de las partículas. En el nuevo estudio, la batería se modeló con un par de cúbits, los portadores de información más pequeños, capaces de estar en el estado «cero», «uno» o en una mezcla de ambos.

El manganeso son los ladrillos de la pared, y el zinc es un invitado que llega y se aprieta entre ellos. Si el invitado se sienta incómodo, empuja un ladrillo fuera de la pared. Algo así ocurre en una batería de zinc-ion: durante la descarga, los iones de zinc se insertan en la red cristalina del óxido de manganeso, y el manganeso comienza a filtrarse a la solución.

El sodio es vecino del litio en la tabla periódica, pero en la corteza terrestre hay cientos de veces más y es mucho más barato. Por eso, las baterías de sodio podrían reemplazar a las de litio en vehículos eléctricos y acumuladores de energía. El problema es que el sodio es más grande que el litio y le cuesta más abrirse paso a través de la red cristalina del cátodo.

Un trozo de cromo expuesto al aire se cubre en un minuto con una armadura invisible: una película de óxido. Esta protege al metal de la corrosión, pero para una batería es un problema: la película no deja pasar los iones de cromo y la corriente no fluye. Los científicos mezclaron cinco metales: cromo, bismuto, cobre, estaño y níquel.

Una batería cuántica no es una caja con electrolito, sino un puñado de átomos o circuitos superconductores cuya energía se almacena en estados excitados. Se puede cargar en fracciones de segundo gracias a efectos cuánticos colectivos.