البطاريات الكموميَّة السريعة جدًّا

إنَّ وجود بطارية قادرة على تخزين طاقة لوقتٍ طويل من الزمن يُعَدُّ هدفًا رئيسًا لكثيرٍ من الباحثين في مجال الطاقة.

تتميّز البطاريات الكموميَّة بإمكانية شحنها بسرعة أكبر، وتأتي هذه السرعة من خلال شحن هذا النوع من التشابك الكمومي بين وحدات البت المختلفة التي تختصر الوقت بين حالتي الشحن وعدم الشحن، ومنه تقليل الوقت اللازم للشحن (1).

في البداية سنعرّف البطارية الكموميَّة بأنَّها بطارية نانويَّة الحجم تعمل في مجال تطبيقات النانو (2).

توصّل العلماء سابقًا إلى اكتشاف بطارية كموميَّة مؤلفة من كيوبيتات (بيتات كموميَّة)، يكفي نقل هذه الكيوبيتات من مستوى طاقة منخفض إلى مستوى طاقة عالٍ لشحن هذه البطارية، في حين أنَّ استخراج الطاقة من البطارية يحتاج إلى عكس العملية السابقة، وتُعدُّ هذه الطريقة في عملية شحن البطارية الكموميَّة وتفريغها مشابهة تمامًا لآلية عمل البطارية التقليديَّة (1).

يتمثّل الفرق بين البطارية الكموميَّة والتقليديَّة بأنَّ البيتات في البطارية الكموميَّة تكون متشابكة، أي لها الحالة الكمية نفسها، هذا التشابك الكمّي يجعل المسافة الذريّة قصيرة للانتقال بين مستوى الطاقة المنخفض ومستوى الطاقة العالي.

مما يميّز البطارية الكموميَّة أنَّه كلما ازداد عدد البيتات ازداد عدد التشابكات، وعليه تزيد سرعة الشحن، وبمعنى آخر يتناسب وقت الشحن عكسيًا مع عدد البيتات (1).

إنَّ أبرز العقبات التي تقف في وجه البطارية الكموميَّة أنَّها تفقد قدرتها على التخزين نتيجةَ تفاعلها مع الوسط المحيط، فتنكسر الروابط التَّشابكيَّة، ويتدمّر الأثر الكمومي للبطارية، كما أنَّ كمية الطاقة المُخزّنة في هذا النوع من البطاريات تُعدُّ صغيرة نسبيًا مقارنةً بالطاقة اللازمة لأجهزة الموبايل والحاسوب وغيرها من الأجهزة المُستخدمة (1).

في الأيام السابقة توصّل مجموعةٌ من الباحثين في جامعتي (تورنتو) و(البيرتا) في كندا إلى إثبات نظري لإمكانية اختراع بطارية كموميَّة مقاومة لأيّ فقدٍ في الطاقة.

يشير المشرف على الدِّراسة غابريل حنا Gabriel Hanna إلى أنَّ هذه الدِّراسة تقدّم إثباتًا نظريًا مفاده أنَّ اختراع بطارية كموميَّة لا تُعاني من فقدان الطاقة بسبب الظروف المحيطية بات أمرًا ممكنًا، وذلك عن طريق إعداد البطارية الكموميَّة في حالة مُظلمة -وهي الحالة التي تكون عندها الذرة أو الجزيء في وضع لا تمتص أو تحرر فوتونات (3)- محميّة بالتماثل، تعيش في فضاءٍ فرعي خالٍ من التماسك (4)؛ إذ يعمل هذا النوع من البطاريات اعتمادًا على أسس ميكانيك الكم، وليس على المبادئ الكهروكيميائية التقليدية المُعتمدة في البطاريات الكلاسيكية التي نتعامل معها يوميًا. 

يعدُّ هذا النوع من البطاريات نقلةً نوعيّةً خاصةً في مجال الحواسيب الكموميَّة، وبالطبع يمكن تعميم هذا النوع على الأجهزة الإلكترونيَّة جميعها (2).

وجد الباحثون أنَّ نموذج شبكة الكم المفتوحة ذات التماثل الهيكلي العالي يُمكن أن يُعد منصةً لتخزين الطاقة الهائلة (الطاقة الناتجة عن امتصاص إلكترون لفوتون ضوئي نشطٍ بشكل كبير) (2).

إنَّ المبدأ الرئيس لتشكيل نموذج شبكة الكم المفتوحة هو إعداد هذه الشبكة بحالةٍ تُسمّى الحالة المظلمة، وهي الحالة التي لا تستطيع الشبكة تبادل الطاقة مع محيطها مما يجعلها مقاومة لأيّ فقدٍ في الطاقة المُخزّنة (2).

كيف تُستخرَج الطاقة من هذه البطارية؟

إنَّ الأمر حتى الوقت الراهن هو كلام نظري مُثبت دون إنشاء أيّ نموذجٍ فعلي؛ لكنّ الباحثين القائمين على الدِّراسة اقترحوا طريقةً لاستخراج الطاقة من البطارية مُتمثلةً في كسر التماثل الهيكلي للشبكة المفتوحة بشكلٍ مُسيطر عليه، وذلك للتحكّم بكمية الطاقة الناتجة (2).

أظهرت القيم العددية لهذا النموذج النظريّ إمكانيةَ تحقيق بطارية كوانتية خالية من الفقد، وعند البحث في الاضطرابات القطرية وغير القطرية للبطارية على مراحل التخزين والتفريغ وتأثير تغيّر درجة الحرارة؛ وُجِد أنَّ النموذج قوي جدًّا ضدّ الاضطرابات في التماثل الهيكلي.

المصادر: 

1- Physics Q. For faster battery charging, try a quantum battery? [Internet]. Phys.org. 2020 [cited 6 March 2020]. Available from:

هنا

2- Researchers create blueprint for 'quantum battery' that doesn't lose charge [Internet]. Phys.org. 2020 [cited 6 March 2020]. Available from: 

هنا

3- Metcalf Group O. Metcalf Research Group - Dark State Physics [Internet]. Stonybrook.edu. 2020 [cited 6 March 2020]. Available from

هنا

4- Loss-Free Excitonic Quantum Battery [Internet]. Pubs.acs.org. 2020 [cited 6 March 2020]. Available from:

هنا