الطاقة
النموذج الأولي للبطارية الكمومية يخلق شكلاً جديداً لتخزين الطاقة
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
عندما يتعلق الأمر بتخزين الطاقة، فإن الطرق الرئيسية متسقة إلى حد كبير. الأكثر شيوعاً هو الاستفادة من تفاعل كيميائي، عادةً باستخدام عنصر عالي التفاعل الكهربي مثل الليثيوم، الذي يخزن الطاقة الكهربائية عن طريق نقل الإلكترونات من المعدن إلى أيون والعكس بالعكس.
طريقة أخرى لتخزين الطاقة هي المكثفات الفائقة، التي تخزن الشحنة الكهربائية على سطح مادة مثل الجرافين مباشرةً. وأخيراً، يمكن تخزين الطاقة على شكل حرارة أو حركة، كما في بطاريات الحرارة والعجلات الدوارة.
ومع ذلك، يبدو أن طريقة جديدة قد أضيفت للتو إلى أشكال تخزين الطاقة المحتملة من قبل باحثين أستراليين في المنظمة المشتركة للبحوث العلمية والصناعية (CSIRO) وجامعة RMIT وجامعة ملبورن.
كشفوا عن نموذج أولي مبكر لـ “quantum battery”، تستفيد من الظواهر الكمومية بدلاً من الشحنة الكهربائية أو التفاعل الكيميائي أو الحرارة والحركة لتخزين الطاقة. وقد فصّلوا نتائجهم في ورقة علمية نُشرت في المراجعة المرموقة Light Sciences & Applications1، تحت عنوان Superextensive electrical power from a quantum battery.
ما هي البطارية الكمومية؟
بدلاً من الكيمياء و/أو الشحنة الكهربائية، تستخدم البطاريات الكمومية مبادئ ميكانيكا الكم غير البديهية إلى حد ما، بما في ذلك التراكب والتشابك.
التشابك هو ظاهرة يصبح فيها جسيمان أو أكثر مرتبطين بعمق بحيث يشتركان في حالة كمومية واحدة، بغض النظر عن المسافة التي تفصل بينهما.
حتى الآن، تم استكشاف هذه الفكرة نظرياً على نطاق واسع، لكن هناك عدد قليل جداً من التجارب العملية التي تختبر المفهوم في العالم الحقيقي.
الفكرة الأساسية في النموذج الأولي الذي طوره الباحثون هي نظام يُدعى الميكروكافيتى، يمكنه حجز الضوء ثم تحويله إلى كهرباء. في هذه الحالة، استخدم الباحثون تجاويف فابري‑بروت، وهو “سندويش” ينعكس فيه الضوء بين مرآتين متوازيتين، وقد تم النظر فيه بالفعل للعديد من التطبيقات، مثل بناء أنواع جديدة من المستشعرات.
المصدر: Applied Physics B
مفهوم رئيسي آخر هو الامتصاص الفائق للطاقة من الضوء، وهو الظاهرة المعاكسة للإشعاع الفائق. الامتصاص الفائق هو ظاهرة ميكانيكية كمومية حيث تمتص مجموعة من الذرات أو الجزيئات الضوء بشكل جماعي بمعدل أسرع من مجموع معدلات الامتصاص الفردية لها.
لذلك، بدلاً من الجمع كما هو الحال مع المواد العادية، تزداد قدرة الامتصاص بصورة أسية.
وبالتالي، يمكن لمجموعة من الجسيمات نظرياً امتصاص الضوء بسرعة تصل إلى 10 أضعاف أسرع من الجسيمات المستقلة، مما يوفّر إمكانات لنقل الطاقة بسرعة هائلة. وهذا، بالطبع، سيكون مفيداً جداً لنظام البطارية.
في الواقع، من الصعب الحفاظ على الامتصاص الفائق في التجهيزات العملية، حيث تميل الأنظمة الطبيعية إلى تفضيل انبعاث الضوء على امتصاصه.
النموذج الأولي للبطارية الكمومية
استخدم الباحثون تصميمًا يُدعى الميكروكافيتى متعدد الطبقات، باستخدام فثالوسيانين النحاس (CuPc)، وهو صبغ صناعي أزرق ساطع يُستعمل عادةً كشبكة شبه موصلة عضوية في شاشات OLED والخلايا الشمسية.
المصدر: Light Sciences & Applications
هذا يخلق اقترانًا قويًا بين الضوء والمادة، أي التفاعل بين الضوء وتيار كهربائي مُولَّد.
“عند الشحن، تُنقل الطاقة بسرعة إلى حالة ثلاثية مستقرة في CuPc، تستمر كثافتها لستة أوامر من الحجم أطول من نبضة الليزر الشاحنة. يتم تسهيل استخراج الكهرباء بواسطة طبقات نقل الشحنة التي تُدخل كل من تدرج طاقة يُفضِّل فصل الشحنة ونقلها.”
من المهم أن هذا التصميم يخلق مخرج طاقة كهربائية يتوسع بصورة فائقة (الامتصاص الفائق + الإشعاع الفائق) مع سعة البطارية. لذا كلما زاد وجود هذه المادة في الوقت نفسه، كلما كان التفريغ الكهربائي أسرع.
“تؤكد نتائجنا وجود تأثير كمومي أساسي يتعارض تمامًا مع البديهية: البطاريات الكمومية تشحن أسرع كلما كبرت. بطاريات اليوم لا تعمل بهذه الطريقة.”
نتائج البطارية الكمومية الأولى
أظهر النموذج الأولي أول ملاحظة تجريبية لقوة تفريغ كهربائي ثابتة فائقة التوسع، وهي ظاهرة غير متوقعة وفقًا لنظرية الكم، ولكن لها تطبيق محتمل واضح في البطاريات الكمومية.
وبشكل أكثر دقة، باستخدام طرق التحليل الطيفي الفائق السرعة، قاسوا سلوك شحن البطارية. وجدوا أن البطارية الكمومية احتفظت بالطاقة المخزنة لمدة ستة أوامر من الحجم أطول (ستة أصفار) مما استغرقه الشحن.
“لقد أظهرنا جهازًا يمكن شحنه، وتخزين تلك الطاقة ثم تفريغها. هذا تطور مثير في مجال متعدد التخصصات ينمو بسرعة. نأمل أن لا تكون البطاريات الكمومية فكرة نظرية بعد الآن، بل شيئًا يمكن بناؤه في المختبر.”
Daniel Gómez – أستاذ كيمياء الفيزياء في RMIT.
كما أظهروا أن الميكروكافيتات يمكن شحنها بالضوء المتماسك (الليزر) أو الضوء “العادي”، مما يجعلها مرنة بما يكفي للتطبيقات العملية خارج نطاق البطاريات المحتملة.
نحو بطاريات كمومية عملية
تثبيت الطاقة المخزنة
حتى الآن، يمكن للميكروكافيتى في التجربة الاحتفاظ بالطاقة ثابتة لمدة 50 نانوثانية فقط، وهو وقت غير كافٍ لأي تطبيق عملي في تخزين الطاقة.
مع ذلك، فإن هذا يتجه في الاتجاه الصحيح، حيث أن ذلك أطول بثلاثة أوامر من الحجم مقارنة بأحدث ما توصل إليه في بطاريات الميكروكافيتى الكمومية التي تعمل في درجة حرارة الغرفة. ومن المرجح أن النظام الأكبر سيحظى بفترة احتفاظ بالطاقة أطول بكثير في أي حال، حتى دون تحسين التصميم.
تم اختبار استخراج الطاقة، وأظهرت الأجهزة كثافات قدرة تفريغ قصوى معقولة بين 10-40 ميكروواط/سم2، وهي نتيجة مشرفة إلى حد ما مقارنةً بالمكثفات الفائقة الدقيقة عالية الأداء، التي يمكنها نفسها عرض 30-175 ميكروواط/سم2.
بالإضافة إلى ذلك، تم تحقيق هذا الأداء في درجة حرارة الغرفة تحت ظروف محيطة، وهو وضع نادر للظواهر الكم التي غالبًا ما تتطلب درجات حرارة منخفضة جدًا أو ضغطًا عاليًا، مثل الظاهرة الفائقة التوصيل، على سبيل المثال.
نظرًا لأن هذا النموذج الأولي يُظهر مسارًا قابلًا للتوسع نحو سعة تخزين طاقة كبيرة، فإنه يمثل خطوة أولى قوية نحو بطاريات كمومية قابلة للاستخدام.
الخطوات التالية
الخطوة التالية للتحسين ستكون توسيع التصميم وقياس مدى تعزيز الامتصاص الفائق للأداء عمليًا باستخدام المزيد من الميكروكافيتات في نفس الجهاز.
خطوة رئيسية أخرى ستتبع ذلك هي محاولة تحسين مدة تخزين الطاقة بشكل جذري. قد تساعد الأجهزة الأكبر، أو درجات الحرارة الباردة، أو بنية شبكية خاصة.
“بينما لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين إنجازه في أبحاث البطاريات الكمومية، فقد أحرزنا خطوة مهمة نحو تحقيق الإمكانات. الخطوة التالية للبطاريات الكمومية الآن هي إطالة زمن تخزين طاقتها. إذا استطعنا تجاوز هذه العقبة، فسنكون أقرب قليلاً إلى بطاريات كمومية تجارية قابلة للتطبيق.”
على المدى الطويل، قد تتفوق مثل هذه البطارية على البطاريات القائمة على الكيمياء، أو على الأقل على المكثفات الفائقة، التي تُستخدم بشكل متزايد جنبًا إلى جنب مع البطاريات الكيميائية في الآلات الثقيلة، والشاحنات الكهربائية، إلخ.
يمكن أن تكون أيضًا بمثابة موصل/مخزن صلب لشحن بطارية قياسية بسرعة أكبر، أو تشكل أساسًا لألواح شمسية جديدة وأكثر كفاءة.
“طموحي النهائي هو مستقبل نتمكن فيه من شحن السيارات الكهربائية أسرع بكثير من سيارات البنزين، أو شحن الأجهزة على مسافات طويلة لاسلكيًا.”
الظاهرة التي كشفها هذا النموذج الأولي قد تكون قابلة للاستخدام خارج نطاق البطاريات الكمومية. على سبيل المثال، يمكن استخدامها لإنشاء أنواع جديدة من الأجهزة التي تحول الضوء إلى طاقة، بما في ذلك الأنظمة الضوئية الكهروضوئية.
الاستثمار في البطاريات الكمومية
QuantumScape
QS مخطط السعر
نظرًا لأن هذا النموذج الأولي للبطارية الكمومية هو الأول من نوعه، لا توجد طريقة مباشرة للاستثمار في هذا المفهوم بعد. لكن تقدم تكنولوجيا البطاريات سريع، والتحول الكامل من المركبات التي تعمل بالوقود إلى السيارات الكهربائية يصبح أكثر احتمالًا في فترة زمنية قصيرة، حيث ستصبح السيارات الكهربائية أقوى، وأبعد مدى، وأرخص في التشغيل. وكان ذلك قبل أن يلوح في الأفق صدمة كبيرة في أسعار النفط نتيجة الحرب مع إيران.
جزء أساسي من هذا التطور هو البطاريات الصلبة، وهو نوع من التصميم يزيل الكهروليت المستخدم عادةً في بطاريات الليثيوم أيون، مما يجعل البطارية أكثر كثافة وأمانًا.
شركة رائدة في هذا المجال هي QuantumScape (QS ) ، شركة تأسست في عام 2010 وتتمتع بشراكة عميقة مع مجموعة فولكسفاجن لمساعدة أكبر صانعي السيارات في العالم رقم #2 على اللحاق بتقنية السيارات الكهربائية.
المصدر: QuantumScape
بموجب الاتفاقية لعام 2024، يمكن لـ PowerCo (قسم بطاريات فولكسفاجن) تصنيع ما يصل إلى 40 جيجاواط‑ساعة سنويًا من بطاريات السيارات الكهربائية، مع إمكانية التوسيع إلى 80 جيجاواط‑ساعة سنويًا. كما يسمح ذلك لفولكسفاجن بتوفير ما يصل إلى 5 جيجاواط‑ساعة إضافية من السعة الاحتياطية التي تمتلكها QuantumScape كل عام للعملاء خارج مجموعة فولكسفاجن، بالإضافة إلى حق ترخيص بعض تقنيات QS المستقبلية.
في عام 2025، تم دمج بطارية QuantumScape في دراجة كهربائية فاخرة من نوع Ducati. تُعد Ducati جزءًا من مجموعة فولكسفاجن، إلى جانب علامات تجارية مثل Audi وBentley وCUPRA وLamborghini وPorsche وSEAT وŠkoda.
تصميم بطارية QuantumScape كثيف جدًا في الطاقة، أعلى بكثير من أفضل تصاميم الليثيوم‑آيون التي تستخدمها Tesla (TSLA ) ، ويشحن بسرعة 2-3 مرات أسرع، مما يحل مشكلة الشحن البطيء للسيارات الكهربائية، وهي مشكلة رئيسية للعديد من المستهلكين الذين اعتادوا على سيارات الوقود.
المصدر: QuantumScape
مع جدول زمني قصير للتسويق وشراكة راسخة مع مجموعة سيارات تبيع ملايين السيارات سنويًا، فإن QuantumScape في موقع جيد لتصبح أحد الموردين الرئيسيين للبطاريات للمصنعين الغربيين، مع المنافسة إما من الشركات الصينية مثل CATL أو شركات جديدة نسبيًا مثل Donut Labs.
تقوم الآن بتوسيع الإنتاج الضخم لبطارياتها، حيث كانت دراجة Ducati مجرد عرض تقني، قبل أن تصل إلى السوق سلسلة جديدة من السيارات الكهربائية من Porsche وAudi وغيرها من العلامات التجارية التي تم تجديدها ببطاريات QuantumScape.
(يمكنك قراءة المزيد عن QuantumScape وتصميم بطاريتها الصلبة في تقرير الاستثمار المخصص للشركة وعن فولكسفاجن واستراتيجيتها للسيارات الكهربائية في هذا التقرير المخصص الآخر.)
آخر أخبار وتطورات QuantumScape (QS)
الدراسة المشار إليها
1. Hymas, K., Muir, J.B., Tibben, D. et al. Superextensive electrical power from a quantum battery. Light Sciences & Applications 15, 168 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02240-6
