فكرة أ انتقلت البطارية الكمومية الوظيفية من النظرية إلى المختبرنجح فريق من الباحثين الأستراليين في بناء ما يُعتبر أول نموذج أولي متكامل قادر على شحن الطاقة وتخزينها وإطلاقها بطريقة مُتحكَّم بها، وهو أمر لم يُستكشف حتى الآن إلا نظرياً أو من خلال تجارب جزئية. يفتح هذا الإنجاز آفاقاً جديدة لفهم تخزين الطاقة، تختلف اختلافاً جذرياً عن البطاريات الكيميائية التقليدية التي نستخدمها يومياً.
ما يجعل هذا التطور لافتًا للنظر بشكل خاص هو أن يتحسن أداء البطارية كلما زاد حجم الجهازهذا عكس ما يحدث تمامًا مع البطاريات التقليدية. تعتمد هذه التقنية على ظواهر من ميكانيكا الكم، مثل التراكب والتشابك، لتحقيق شحن فائق السرعة، وربما لاسلكيًا وعلى مسافات طويلة، بكفاءة إذا تم تطويرها، فقد تجعل بطاريات الليثيوم أيون الحالية ثانوية.
ما هي البطارية الكمومية تحديداً؟
قبل الخوض في التفاصيل، من المهم فهم معنى أن تكون البطارية كمومية. على عكس البطاريات التقليدية، التي تخزن هذه الأجهزة الطاقة على شكل تفاعلات كهروكيميائية تستخدم البطارية الكمومية، داخل خلاياها، حالات كمومية للجسيمات (مثل الذرات أو الجزيئات) لتخزين الطاقة الكامنة. تُخزَّن هذه الطاقة عندما تُثار هذه الجسيمات إلى مستويات طاقة أعلى، ثم تُطلق لاحقًا بطريقة مُتحكَّم بها.
بالمعنى الدقيق للكلمة، لا تخزن البطاريات الكهرباء الخام.بل هي طاقة كامنة تُحوّل لاحقًا إلى كهرباء أو أي نوع آخر من العمل المفيد. من بطاريات الليثيوم في الهواتف المحمولة إلى الأنظمة القائمة على الجاذبية التي تستغل طاقة المباني أو المنشآت الشاهقة، تعمل جميعها عن طريق تخزين هذه القدرة على العمل وإطلاقها عند الحاجة. لا تُغيّر البطاريات الكمومية هذا المبدأ العام، لكنها تُغيّر طريقة تطبيقه.
القفزة الرئيسية هي أن تستغل البطارية الكمومية ظواهر ميكانيكا الكم مثل التراكب والتشابك.بدلاً من الاعتماد على الهجرة البطيئة للأيونات عبر الإلكتروليت، يتم استخدام حالات الكم الجماعية، مما يسمح بتفاعل أسرع بكثير مع طاقة الإدخال، على سبيل المثال، مع الضوء من الليزر.
ومن الفروق المهمة الأخرى بين البطاريات التقليدية والبطاريات العادية ما يلي: لا تعمل وحدات التخزين الداخلية في البطارية الكمومية بشكل مستقل.بعيدًا عن كونها خلايا منفصلة، فإن سلوكها مترابط بقوة: النظام يشحن ويتطور ككل، مما يؤدي إلى تأثيرات جماعية لا تحدث في الإلكترونيات التقليدية.
وهذا يعني أنه من خلال زيادة عدد الوحدات الكمومية التي تشكل البطارية، لا يقتصر الأمر على زيادة السعة فحسب، بل يتم تقليل وقت التحميل أيضًا.بمعنى آخر، لا تستغرق البطارية الكمومية الأكبر وقتاً أطول للشحن، بل وقتاً أقل - وهو سلوك معاكس تماماً لسلوك التقنيات التي نستخدمها اليوم.
النموذج الأولي الأول العامل: من يقف وراء هذا الإنجاز؟
حقق هذا الإنجاز فريق من الباحثين الأستراليين بالتعاون مع علماء من دول أخرى. ومن أبرز الأسماء في هذا المجال: جيمس كواتش، من وكالة العلوم الوطنية الأسترالية CSIROبالإضافة إلى متخصصين مثل جيمس هاتشيسون وتريفور سميث من جامعة ملبورن، ودانيال تيبين من جامعة RMIT، وكيران هيماس من منظمة الكومنولث للبحوث العلمية والصناعية (CSIRO). وتُعدّ العديد من هذه المراكز جزءًا أساسيًا من الأبحاث الرائدة في مجال الفوتونيات وتقنيات الكم.
وقد نشرت هذه المجموعة نتائجها في المجلة الضوء: العلم والتطبيقاتتحت عنوان ورقة تقنية باللغة الإنجليزية بعنوان "طاقة كهربائية فائقة الشمول من بطارية كمومية"، يصف المقال بالتفصيل كيف تمكنوا من جعل جهازهم يكمل، لأول مرة، ما يعتبر دورة بطارية كاملة: شحن وتخزين وتفريغ الطاقة في نظام وظيفي واحد.
إن مفهوم البطارية الكمومية ليس جديداً: فقد طُرح لأول مرة حوالي عام 2013، ومنذ ذلك الحين، تم تقديم نماذج نظرية وبراهين جزئية. ومع ذلك، لم ينجح أي من تلك التصاميم في دمج جميع مراحل دورة التشغيل في جهاز عملي واحد. إما أنه تم إثبات الشحنة، ولكن لم تكن هناك طريقة مفيدة لاستخراج الطاقة، أو أن الشروط المطلوبة (مثل درجات الحرارة القصوى) أثبتت أنها غير واقعية.
يعمل فريق كواتش على هذه الفكرة منذ عام 2018. وفي عام 2022، قدموا نموذجًا أوليًا أثبت تجريبيًا سلوك التحميل المتسارع مع زيادة الحجم، باستخدام تجويف عضوي دقيق شديد التعقيدكان هيكلاً متعدد الطبقات يحبس الضوء بطريقة محددة للغاية. إلا أن هذا التصميم كان يفتقر إلى آلية فعالة لتحويل الطاقة المحبوسة إلى تيار كهربائي قابل للاستخدام.
في العمل الجديد، اتخذ الباحثون الخطوة التالية: أضف طبقات إضافية إلى الجهاز تسمح بتحويل تلك الطاقة المخزنة إلى كهرباءوبالتالي، فإن النموذج الأولي الحالي لا يستطيع فقط شحن الطاقة والحفاظ عليها لفترة محدودة، بل يمكنه أيضًا تفريغها على شكل تيار كهربائي، مما يكمل دورة التشغيل الفعلية للبطارية.
كيف يتم بناء البطارية الكمومية وكيف تعمل
النموذج الأولي الذي انتشر عالمياً هو، في جوهره، جهاز عضوي صغير يتكون من طبقات متعددةمرتبة في نوع من "الساندويتش" النانومتري. يُعرف هذا التصميم باسم التجويف الدقيق العضوي وهو مصمم خصيصًا للتفاعل مع ضوء الليزر بكفاءة عالية.
يتم الشحن لاسلكيًا: يصطدم شعاع الليزر بالجهاز ويتم امتصاص طاقته على الفور تقريبًا.فيما يصفه الباحثون بأنه حالة من "الامتصاص الفائق"، فبدلاً من أن تمتص كل وحدة داخلية من البطارية الضوء بشكل مستقل، يتصرف النظام ككل متماسك، حيث يمتص الطاقة بشكل جماعي وسريع للغاية.
بمجرد إثارة النظام، يتم تخزين الطاقة في الحالات الكمومية للمكونات العضوية للتجويف الدقيقيشبه هذا ما يحدث في الذرات عندما ينتقل الإلكترون إلى مدار طاقة أعلى. تُحفظ هذه الطاقة المخزنة لفترة وجيزة ولكن قابلة للقياس، وبعدها يمكن استخلاصها كتيار كهربائي باستخدام الطبقات المضافة في أحدث إصدار من النموذج الأولي.
ولتحقيق هذا السلوك، تعتمد البطارية على التأثيرات الكمومية الجماعيةلا تعمل الوحدات المجهرية التي تُكوّنها (الخلايا الكمومية) ككتل صغيرة معزولة، بل كنظام واحد متناسق، حيث ترتبط جميع العناصر ارتباطًا وثيقًا. ويؤدي هذا الترابط إلى ديناميكية شحنة مميزة للغاية.
والنتيجة هي أنه عند زيادة عدد الخلايا الكمومية، فهي لا تزيد فقط من إجمالي سعة الطاقةلكن سرعة الشحن لكل خلية تزداد أيضاً. وهذا ما يصفه الباحثون بأنه سلوك "متزايد للغاية": حيث تنمو طاقة الشحن أسرع من حجم البطارية.
الظاهرة الرئيسية: حجم أكبر، وقت تحميل أقصر
في بطاريات الليثيوم أيون أو بطاريات الرصاص الحمضية، يعرف أي مستخدم هذا الأمر: كلما زادت السعة، زادت مدة اتصالها بالشاحن.يستغرق الهاتف المحمول ذو البطارية الكبيرة وقتاً أطول بكثير للوصول إلى 100% مقارنة بالهاتف ذي البطارية الصغيرة، وتحتاج السيارة الكهربائية إلى ساعات لإكمال الشحن الذي يحققه خزان البنزين في بضع دقائق.
تُحطّم البطاريات الكمومية هذا الحدس تماماً. فبسبب تأثيرات التراكب والتشابك، تستفيد الخلايا الكمومية التي تشكل البطارية من العمل بتناغم.كلما زاد عدد الخلايا المتصلة في الجهاز، زادت سرعة الشحن الإجمالية. ومن هنا جاء ادعاء الباحثين: تشحن البطاريات الكمومية بشكل أسرع كلما زاد حجمها.
في النموذج الأولي الحالي، كانت الأوقات المقاسة مفاجئة: تتم عملية الشحن في حدود الفيمتوثانية (10⁻¹⁵ ثانية)، بينما تُخزَّن الطاقة المُكتسبة لمدة نانوثانية (10⁻⁹ ثانية). يوجد فرقٌ يُقارب ستة مراتب من حيث الحجم بين هذين الرقمين.
يوضح جيمس كواتش نفسه هذا الأمر بمثال بياني للغاية: إذا تم شحن بطارية تقليدية في دقيقة واحدة، تشير هذه النسبة التي تبلغ ستة أضعاف إلى أنه يمكن أن يظل مشحونًا لمدة عامين تقريبًا.في المختبر، لا تزال القيم المطلقة ضئيلة للغاية، لكن عدم التوافق بين الوقت اللازم للشحن والوقت اللازم للحفاظ على الطاقة هو ما يثير حماس المجتمع العلمي حقًا.
لا تزال قدرات الطاقة التي حققها النموذج الأولي محدودة للغاية، في حدود مليارات الإلكترون فولتعلى الرغم من أن هذا الرقم مثير للإعجاب، إلا أنه لا يفي باحتياجات الطاقة لجهاز إلكتروني حقيقي. ومع ذلك، كإثبات للمفهوم، فإنه يُظهر أن ظاهرة الشحن فائق السرعة والتخزين السريع والفعال للطاقة ممكنة في بيئة تجريبية عند درجة حرارة الغرفة.
القيود والتحديات الحالية التي يتعين حلها
وعلى الرغم من هذا الحماس، يصر الباحثون أنفسهم على أن لا تزال البطاريات الكمومية بعيدة عن الاستخدام التجاريإن كمية الطاقة التي يمكن للنموذج الأولي تخزينها ضئيلة للغاية، والوقت الذي يظل فيه مفيدًا يُقاس بالنانو ثانية، وهو جزء من الثانية يجعل من المستحيل تمامًا تشغيل هاتف محمول أو جهاز كمبيوتر أو سيارة كهربائية بالتكنولوجيا الحالية.
أحد أكبر التحديات هو للحفاظ على استقرار الحالات الكمومية في مواجهة الاضطرابات البيئية. أي تغير طفيف في درجة الحرارة أو الاهتزاز أو الضوضاء الكهرومغناطيسية يمكن أن يؤدي إلى فقدان الترابط، أي كسر التنسيق الكمي الدقيق الذي يسمح بالامتصاص الفائق والتفريغ الفعال.
وبحسب الفريق نفسه، فإن الخطوة التالية هي زيادة حجم الجهاز وإطالة وقت الاحتفاظ بالشحنة بشكل ملحوظالهدف النهائي هو بناء تصميمات هجينة تجمع بين أفضل ما في العالمين: سرعة الشحن الكمي مع متانة وسعة تخزين البطاريات التقليدية.
ومن الجوانب المقلقة الأخرى ما يلي: تبديد الطاقة أثناء عمليات الشحن والتفريغفي نظام كمومي حقيقي، يمكن أن تؤدي الخسائر الناتجة عن التفاعل مع البيئة إلى إلغاء المزايا النظرية عمليًا. ويُعدّ تطوير بنى تقلل هذه الخسائر إلى أدنى حدّ ممكن أحد أكثر مجالات البحث نشاطًا.
بالإضافة إلى العمل التجريبي في أستراليا، توجد مجموعات نظرية في دول أخرى، مثل الصين، تركز على البحث عن أطر مفاهيمية تجعل البطاريات الكمومية أكثر مرونةومن بين هذه المجالات، يبرز استخدام الأفكار من علم الطوبولوجيا لتصميم بطاريات كمومية أكثر استقرارًا.
الطوبولوجيا والبطاريات الكمومية: المساهمة النظرية من الصين
بينما يحرز فريق كواتش تقدماً في المختبر، تعمل فرق أخرى على الجانب النظري للتغلب على القيود العملية. باحثون من مركز ريكين للحوسبة الكمومية وجامعة هوا تشونغ للعلوم والتكنولوجيا لقد اقترحوا تصميم بطارية كمومية طوبولوجية تهدف إلى تحقيق نقل طاقة مثالي تقريبًا ومناعة أكبر ضد التبديد.
في تحليله، الذي نُشر في مجلات المراجعة الفيزيائيةيصفون نموذجًا قائمًا على الموجهات الضوئية والذرات ثنائية المستوى، حيث تسمح الخصائص الطوبولوجية للنظام بانتقال الطاقة من طرف إلى آخر بأقل قدر من الخسائر. هذا النهج يستفيد هذا الأسلوب من الهياكل التي تظل ثابتة في ظل التشوهات الصغيرة.يساعد هذا في جعل عملية الشحن والتفريغ أكثر مقاومة للعيوب الفعلية للجهاز.
بحسب المؤلفين، من الممكن العثور على التكوينات التي يصبح فيها النظام محصنًا تقريبًا ضد التبديديُعدّ هذا أحد أبرز العقبات التي تواجه البطاريات الكمومية. فإذا أمكن تحويل هذه التصاميم من المجال النظري إلى أجهزة مادية، فسيُمكن التغلب على بعض العوائق التي تحول دون الانتقال من النماذج الأولية الصغيرة إلى البطاريات الكمومية ذات التطبيقات العملية.
يؤكد الباحث تشي غوانغ لو، المؤلف الرئيسي للدراسة، أن هذا النوع من العمل يقدم إرشادات واضحة لتحسين أداء البطاريات الكمومية في ظل ظروف واقعيةالهدف النهائي هو تسريع الانتقال من النماذج المثالية إلى أجهزة تخزين الطاقة الصغيرة التي يمكنها العمل خارج المختبر.
يكمل هذا الجهد النظري العمل التجريبي لفرق مثل الفريق الأسترالي، مما يخلق بيئة بحثية توجه فيها النظرية تصميمات النماذج الأولية الجديدة وبدورها، توفر النتائج العملية تغذية راجعة وتعدل النماذج الرياضية.
التطبيقات المحتملة: من الحوسبة الكمومية إلى السيارات الكهربائية
تعمل الحواسيب الكمومية وفقًا لنفس القوانين الفيزيائية التي تحكم البطاريات الكمومية، و إنهم بحاجة إلى مصادر طاقة دقيقة وفعالة للغاية لتشغيل مكوناتها الحساسة. يمكن لبطارية كمومية مصممة لتتوافق مع هذه الأنظمة أن توفر طاقة متماسكة بطريقة مثلى، مما يقلل من الخسائر والاضطرابات التي تؤثر على الكيوبتات.
الخبراء مثل أندرو وايت، مدير مختبر تكنولوجيا الكم في جامعة كوينزلاندلقد أكدوا أن هذا النوع من الأجهزة قد يصبح الحلقة المفقودة في تطوير الحوسبة الكمومية لتشمل أجهزة أكبر وأكثر فائدة. ووجود نموذج أولي عامل بالفعل يُثبت أن البطارية الكمومية لم تعد مجرد تكهنات.
وبالنظر إلى المستقبل، يتصور الباحثون تطبيقات مثل الشحن اللاسلكي للطائرات بدون طيار أثناء الطيران أو المركبات التي تشحن أثناء القيادةإن قدرة البطارية الكمومية على امتصاص ضوء الليزر عن بعد، لاسلكياً، تفتح الباب أمام سيناريوهات تكون فيها البنية التحتية للشحن مختلفة تماماً عن البنية التحتية الحالية.
لقد ذهب جيمس كواتش إلى حد اقتراح مستقبل يكون فيه ليس من الضروري إيقاف السيارة الكهربائية عند نقطة ثابتة. ليس الهدف إعادة شحنها، بل تزويدها بالطاقة بشكل ديناميكي أثناء حركة المركبة. كل هذا سيعتمد، بالطبع، على قدرة التكنولوجيا على تجاوز العقبات الهائلة المتعلقة بالحجم والاستقرار التي لا تزال تواجهها.
الاختلافات مع بطاريات الليثيوم أيون والمزايا المحتملة
أصبحت بطاريات الليثيوم أيون الآن المعيار الفعلي في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والسيارات الكهربائية، ولكن وهي تحمل قيودًا معروفة: أوقات شحن طويلة نسبياً، وتدهور مع دورات الشحن، ومخاطر ارتفاع درجة الحرارة، وقيود السعة التي تجبر على البحث عن بدائل أكثر كفاءة.
من الناحية النظرية، يمكن أن توفر البطارية الكمومية أوقات تحميل أسرع بكثير وكفاءة أكبر في استخراج العمل المفيد من الطاقة المخزنة. بالاعتماد على الظواهر الكمومية بدلاً من العمليات الكيميائية البطيئة، لن تكون سرعة الشحن محدودة بهجرة الأيونات، ويمكن أن تكون الطاقة المتولدة لكل وحدة حجم أعلى بكثير.
ومن المزايا المحتملة الأخرى أنه إذا تم تصميم البطاريات الكمومية بشكل صحيح، يمكن تشغيلها في درجة حرارة الغرفة دون الحاجة إلى تقنيات التبريد الشديد، وهو أمر أساسي لاعتمادها على نطاق واسع. يعمل النموذج الأسترالي بالفعل في الظروف المحيطة، مما يثبت أنه، على الأقل على نطاق صغير، لا يلزم وجود بيئة غريبة لظهور هذه التأثيرات.
علاوة على ذلك، إمكانية الشحن اللاسلكي بعيد المدى باستخدام الليزر سيمثل هذا تغييراً جذرياً في كيفية تصورنا لبنية الشحن التحتية. تخيل محطات شحن ليزرية موزعة تُشغل الطائرات بدون طيار، وأجهزة الاستشعار عن بعد، أو المركبات، مما يقلل الحاجة إلى الكابلات والمقابس وفترات التوقف الطويلة.
لكن يجب أن نتوخى الحذر: فهذه المزايا، في الوقت الحالي، وعود مشروطة بأن تكون التكنولوجيا قابلة للتطوير دون فقدان الخصائص الكمومية الرئيسيةإلى أن يتم التوصل إلى أجهزة ذات سعات تخزين مفيدة وأوقات احتفاظ أطول بكثير بالطاقة، ستظل هذه الأجهزة مكملاً للمختبرات، وليست بديلاً فورياً للبطاريات الحالية.
يُظهر عمل فرق مختلفة حول العالم، من أستراليا إلى الصين، أن يدخل مجال البطاريات الكمومية مرحلة من النضج العلميتشير النماذج الأولية الوظيفية الأولى والنماذج النظرية المتقدمة إلى أن هذا ليس مجرد خيال علمي، بل هو تقنية ذات إمكانيات حقيقية، على الرغم من أنها لا تزال محدودة على نطاقات صغيرة جدًا.
اليوم، يشبه وضع البطاريات الكمومية وضع أجهزة الكمبيوتر الكمومية الأولى: لا تزال الأجهزة متواضعة ومليئة بالتحديات التقنيةلكنهم تجاوزوا بالفعل الحد الفاصل بين الفكرة النظرية والتجربة العملية الملموسة. إذا تمكن الباحثون من تحسين الاستقرار، وزيادة السعة، ونقل التصاميم الطوبولوجية من الورق إلى الشريحة، فقد نشهد، في العقود القادمة، كيف سيتغير مفهوم البطارية بشكل جذري كما سيتغير مفهوم الحواسيب نفسها.
