علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Quantum technology could make charging electric cars as fast as pumping gas
(Institute for Basic Science – تقديم: معهد العلوم الأساسية الكوري(1))
ملخص المقالة:
على الرغم من التحسينات الهائلة في تقنية البطاريات، يواجه مستخدمو السيارات الكهربائية اليوم بطء سرعة شحن البطاريات، حيث تحتاج حوالي 10 ساعات في المنزل، و 20 – 40 دقيقة في محطات الشحن، ما يخلق تكاليف إضافية وإزعاجا للعملاء. ولمعالجة هذه المشكلة، بحث العلماء عن إجابات في مجال فيزياء الكم، وقد أظهرت دراسة أن البطاريات الكمومية التي تستخدم التشغيل العالمي يمكن أن تحقق التحجيم التربيعي في سرعة الشحن، حيث سيتم تقليل وقت الشحن في المنزل من 10 ساعات إلى حوالي 3 دقائق، وفي محطات الشحن من 30 دقيقة إلى مجرد ثوان. ويمكن أن تتجاوز الآثار المترتبة على الشحن الكمومي بكثير السيارات الكهربائية والإلكترونيات الاستهلاكية، وقد تجد استخدامات رئيسية في محطات توليد الطاقة الاندماجية المستقبلية، والتي تتطلب شحن كميات كبيرة من الطاقة وتفريغها في لحظة.
( المقالة )
تقنية جديدة لجعل شحن السيارات الكهربائية بنفس سرعة ضخ البنزين
سواء كانت خلايا كهروضوئية أو اندماج (الذرة)، عاجلا أم آجلا، يجب أن تتحول الحضارة الإنسانية إلى الطاقات المتجددة. ويعتبر هذا أمرا لا مفر منه، بالنظر إلى متطلبات الطاقة المتزايدة باستمرار للبشرية والطبيعة المحدودة للوقود الأحفوري. وتمت متابعة الكثير من الأبحاث من أجل تطوير مصادر بديلة للطاقة، ومعظمها يستخدم الكهرباء كناقل رئيسي للطاقة.
ورافق البحث والتطوير المكثف في مصادر الطاقة المتجددة تغييرات مجتمعية تدريجية حيث اعتمد العالم منتجات وأجهزة جديدة تعمل على مصادر الطاقة المتجددة. وكان التغيير الأكثر لفتا للنظر هو التبني السريع للسيارات الكهربائية. وعلى الرغم من أنها نادرا ما شوهدت على الطرق حتى قبل 10 سنوات، إلا أنه يتم الآن بيع ملايين السيارات الكهربائية سنويا. وسوق السيارات الكهربائية هو واحد من أسرع القطاعات نموا.
على عكس السيارات التقليدية، التي تستمد الطاقة من احتراق الوقود الهيدروكربوني، تعتمد السيارات الكهربائية على البطاريات كوسيلة تخزين لطاقتها. ولفترة طويلة، كانت البطاريات ذات كثافة طاقة أقل بكثير من تلك التي توفرها الهيدروكربونات، مما أدى إلى نطاقات منخفضة جدا من السيارات الكهربائية المبكرة.
ومع ذلك، سمح التحسين التدريجي في تقنيات البطاريات في نهاية المطاف لنطاقات قيادة السيارات الكهربائية بأن تكون ضمن مستويات مقبولة مقارنة بالسيارات التي تعمل بالبنزين. ليس من المبالغة أن التحسن في تقنية تخزين البطاريات كان أحد المعوقات التقنية الرئيسية التي كان لا بد من حلها من أجل بدء ثورة السيارات الكهربائية الحالية.
ومع ذلك، على الرغم من التحسينات الهائلة في تقنية البطاريات، يواجه مستهلكو السيارات الكهربائية اليوم صعوبة أخرى: بطء سرعة شحن البطارية. ففي الوقت الحالي، تستغرق السيارات حوالي 10 ساعات لإعادة شحنها بالكامل في المنزل. وحتى أسرع الشواحن الفائقة في محطات الشحن تتطلب ما يصل إلى 20 إلى 40 دقيقة لإعادة شحن المركبات بالكامل. وهذا يخلق تكاليف إضافية وإزعاجا للعملاء.
ولمعالجة هذه المشكلة، بحث العلماء عن إجابات في مجال فيزياء الكم. وأدى بحثهم إلى اكتشاف أن التقنيات الكمومية قد تعد بآليات جديدة لشحن البطاريات بمعدل أسرع. وتم اقتراح تقنية البطارية الكمومية لأول مرة في ورقة أساسية (https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.87.042123) نشرها البروفيسور روبرت ألكي (Alicki) [فيزيائي بولندي] والبروفيسورمارك فانيس (Fannes) [بلجيكي] في عام 2012. وكان من المفترض أن الموارد الكمومية، مثل التشابك، يمكن استخدامها لتسريع عملية شحن البطارية بشكل كبير عن طريق شحن جميع الخلايا داخل البطارية في وقت واحد بطريقة جماعية.
وهذا مثير بشكل خاص، حيث يمكن أن تحتوي البطاريات الحديثة عالية السعة على العديد من الخلايا. ومثل هذا الشحن الجماعي غير ممكن في البطاريات الكلاسيكية، حيث يتم شحن الخلايا بالتوازي بشكل مستقل عن بعضها البعض. ويمكن قياس ميزة هذا الشحن الجماعي مقابل الشحن المتوازي بنسبة تسمى ميزة الشحن الكمومي.
وفي حوالي عام 2017، لاحظ الباحثون أنه يمكن أن يكون هناك مصدران محتملان وراء هذه الميزة الكمية – وهما العملية العالمية (التي تتحدث فيها جميع الخلايا إلى جميع الخلايا الأخرى في وقت واحد، أي “جميعها تجلس على طاولة واحدة”) والاقتران الشامل (أي “العديد من المناقشات، ولكن كل مناقشة لها مشاركان فقط”). ومع ذلك، من غير الواضح ما إذا كان كلا المصدرين ضروريين، وما إذا كانت هناك أي حدود لسرعة الشحن التي يمكن تحقيقها.
وفي الآونة الأخيرة، قام علماء من مركز الفيزياء النظرية للأنظمة المعقدة داخل معهد العلوم الأساسية (IBS) باستكشاف هذه الأسئلة بشكل أكبر. وأظهرت الورقة البحثية، التي تم اختيارها كـ “اقتراح محررين” في مجلة “رسائل المراجعة الفيزيائية” (Physical Review Letters) ، أن الاقتران الشامل غير ذي صلة بالبطاريات الكمومية وأن وجود عمليات عالمية هو المكون الوحيد في الميزة الكمومية. وذهبت المجموعة إلى أبعد من ذلك لتحديد المصدر الدقيق لهذه الميزة مع استبعاد أي إمكانيات أخرى وحتى توفير طريقة واضحة لتصميم مثل هذه البطاريات.
وبالإضافة إلى ذلك، تمكنت المجموعة من تحديد مقدار سرعة الشحن التي يمكن تحقيقها في هذا المخطط بدقة. وفي حين أن سرعة الشحن القصوى تزداد خطيا مع عدد الخلايا في البطاريات الكلاسيكية، أظهرت الدراسة أن البطاريات الكمومية التي تستخدم التشغيل العالمي يمكن أن تحقق التحجيم التربيعي في سرعة الشحن.
ولتوضيح ذلك، فكر في سيارة كهربائية نموذجية مزودة ببطارية تحتوي على حوالي 200 خلية. سيؤدي استخدام هذا الشحن الكمومي إلى تسريع 200 مرة على البطاريات الكلاسيكية، مما يعني أنه سيتم تقليل وقت الشحن في المنزل من 10 ساعات إلى حوالي 3 دقائق. وفي محطات الشحن عالية السرعة، سيتم تقليل وقت الشحن من 30 دقيقة إلى مجرد ثوان.
ويقول الباحثون إن الآثار بعيدة المدى، وأن الآثار المترتبة على الشحن الكمومي يمكن أن تتجاوز بكثير السيارات الكهربائية والإلكترونيات الاستهلاكية. فعلى سبيل المثال، قد تجد استخدامات رئيسية في محطات توليد الطاقة الاندماجية المستقبلية، والتي تتطلب شحن كميات كبيرة من الطاقة وتفريغها في لحظة.
وبالطبع، لا تزال التقنيات الكمومية في مهدها وهناك طريق طويل يجب قطعه قبل تنفيذ هذه الأساليب في الممارسة العملية. ومع ذلك، فإن نتائج البحوث مثل هذه تخلق اتجاها واعدا ويمكن أن تحفز وكالات التمويل والشركات على زيادة الاستثمار في هذه التقنيات.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2022-03-quantum-technology-electric-cars-fast.html
لمزيد من المعلومات: Quantum Charging Advantage Cannot Be Extensive Without Global Operations, arXiv:2108.02491 [quant-ph] arxiv.org/abs/2108.02491
الهوامش:
[١] معهد العلوم الأساسية هو معهد أبحاث، تموله الحكومة الكورية، يجري أبحاث العلوم الأساسية والبحوث الأساسية البحتة ذات الصلة. تأسس في نوفمبر 2011 من قبل إدارة لي ميونغ-باك كمعهد أبحاث، وأصبح فيما بعد جوهر الحزام الدولي للعلوم والأعمال عند نقل مقره الرئيسي من عقار مستأجر إلى حرمه الجامعي الخاص في يناير 2018 باستخدام الأراضي المستصلحة من معرض تايجون 93 في حديقة إكسبو للعلوم. يضم معهد 30 مركزا بحثيا مع 68 مجموعة بحثية في جميع أنحاء البلاد ومقرا في دايجون، ولديه ما يقرب من 1800 باحث وطالب دكتوراه؛ حوالي 30٪ من الباحثين من بلدان خارج كوريا الجنوبية. المعهد تابع لوزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات. ويكيبيديا.
الله ياتي بالخير بالعلم والعمل نحو تحقيق سعادة الانسان على وجه الأرض