مجمعات الطاقة الكمومية تقود الجيل القادم

طور الباحثون من معهد العلوم في طوكيو طريقة لتحسين مجمعات الطاقة للإلكترونيات. يستخدم نهجهم الجديد ميكانيكا الكم لتجاوز حدود الديناميكا الحرارية الموجودة في أنظمة جمع الطاقة التقليدية. وبالتالي، فإن عملهم لديه القدرة على تحويل الطاقة المهدرة إلى مصدر طاقة قابل للاستخدام لأجهزة التكنولوجيا المتقدمة غداً. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

جمع الطاقة

جمع الطاقة هو نظرية راسخة تشير ببساطة إلى تحويل الطاقة المهدرة التي تصدرها البيئة أو التقنيات إلى طاقة لأجهزة أخرى. في الماضي، شملت هذه العلوم مفاهيم مثل استغلال الفرق في درجة الحرارة بين سطح المحيط ومناطقها العميقة لتوليد الطاقة. مثال مشهور على جمع الطاقة في الواقع هو برج الطاقة لنيكولا تسلا، الذي كان قادرًا على تشغيل مصباح كهربائي دون أي أسلاك.

اليوم، يُعد جمع الطاقة مجالًا علميًا متناميًا يستكشف استخراج الطاقة المهدرة من مجموعة متنوعة من المصادر. تشمل الأمثلة التدرجات الحرارية، إشارات الراديو المتردد (RF)، ومعدات الحوسبة، وصولاً إلى محطات الطاقة بالكامل. إحدى المزايا الرئيسية لجمع الطاقة هي أنه يوفر طريقة ميسورة التكلفة ومستدامة لتحسين الكفاءة وخفض التكاليف. وبالتالي، يزداد شعبيته.

التحديات التي تحد من كفاءة جمع الطاقة الحديثة

تستمر تقنيات جمع الطاقة في التحسن. ومع ذلك، لا تزال هناك عدة قيود يحتاج العلماء إلى تجاوزها لتحقيق الأداء المثالي. أولاً، تقنيات جمع الطاقة التقليدية مقيدة بقوانين الديناميكا الحرارية، بما في ذلك:

كفاءة كارنو

أحد العوامل الرئيسية التي تقيد جمع الطاقة اليوم يُعرف باسم كفاءة كارنو. تصف هذه القاعدة في الديناميكا الحرارية أقصى قدرات نقل الحرارة والكفاءة بين خزانات حرارة منفصلة. هذه النسبة تمكّن العلماء من التنبؤ بدقة بكمية الطاقة التي يمكن إنتاجها من الحرارة المهدرة.

كفاءة كورزون-أهلبرن

كفاءة كورزون-أهلبرن هي قانون أساسي آخر حد من فعالية مجمعات الطاقة أيضًا. تُستخدم لتحديد الحد الأقصى للكفاءة التي يمكن الحصول عليها عند تشغيل كامل القدرة. تُستَخدم هذه المعادلة، إلى جانب كفاءة كارنو، من قبل المهندسين لتحسين وتعزيز أجهزة جمع الطاقة.

دراسة كمومية لتحسين كفاءة جمع الطاقة

مع إدراك هذه القيود، اتخذ فريق مبتكر من الباحثين في اليابان نهجًا جديدًا لتقنيات نقل الحرارة. الدراسة تحويل الحرارة إلى طاقة بكفاءة من سائل توموناغا-لوتينجر غير الحراري¹ المنشورة في مجلة Communications Physics تقدم استراتيجية جديدة تستفيد من ميكانيكا الكم لتجاوز حدود الديناميكا الحرارية التقليدية.

سائل توموناغا-لوتينجر غير الحراري

في صميم الدراسة يتم استخدام سائل توموناغا-لوتينجر غير الحراري لالتقاط ونقل طاقة الحرارة. استخدام محركات الحرارة الكمومية يوفر مزايا كبيرة. على سبيل المثال، تستفيد هذه المحركات الكمومية من خزانات غير حرارية — هنا، سائل توموناغا-لوتينجر (TL) غير الحراري — لاستخراج عمل أكثر فائدة مقارنة بالأنظمة الكلاسيكية.

قنوات حافة هول الكمومية (نقل أحادي البعد)

من خلال الاستفادة من نهج كمومي، تمكن المهندسون من إنشاء حالة غير حرارية بشكل طبيعي داخل قنوات حافة هول الكمومية المخصصة. يعتمد هذا النهج على أنابيب الكربون النانوية لتقسيم الطاقة إلى بعد واحد.

المصدر – Institute of Science Tokyo

يمكن لهذا النهج تمكين دالة توزيع فيرمي ثنائية للحالة غير الحرارية. تُحفّز هذه الحالة طبيعيًا من خلال التوازن الذي يحافظ على الإنتروبيا. ومن الجدير بالذكر أن هذه الحالة الكمومية مثالية لأنها لا تخضع للحرارة، مما يقلل من أي طاقة حرارية مهدرة أو مفقودة.

تتيح هذه الاستراتيجية للنظام الإلكتروني أحادي البعد نقل حالة الحرارة مباشرة. يحافظ هذا النهج على الحالة عالية الطاقة دون تشتيتها كما في تقنيات جمع الطاقة السابقة. من هناك، أنشأ الفريق نموذجًا حاسوبيًا يمكن استخدامه لتصميم تقنيات جمع طاقة مستقبلية بكفاءة أعلى.

اختبار تجريبي لمجمع الطاقة الكمومية

كجزء من بحثهم، أنشأ المهندسون محركًا عمليًا لجمع الطاقة. دمج الجهاز استراتيجية سائل توموناغا-لوتينجر (TL) غير الحراري لنقل طاقة النقاط الكمومية من ترانزستور نقطة الاتصال الكمومية.

يثبت هذا النموذج المفهومي التقاط الحرارة المتولدة من ترانزستور نقطة الاتصال الكمومية مباشرةً إلى السائل بأقصى كفاءة. ومن المثير للاهتمام أن النقاط الكمومية نقلت الحرارة إلى سائل TL على مسافات بمقاييس الميكرو متر، مما حد من التشتت.

نتائج اختبار تحسين مجمعات الطاقة

سعد العلماء بتوثيق نهجهم الجديد الذي تفوق بنجاح على طرق جمع الطاقة السابقة. قدم استخدام سائل TL غير الحراري مقارنةً بسائل TL شبه الحراري كفاءة تحويل كهربائية أعلى، إلى جانب قوة دافعة كهربائية أعلى.

بشكل مثير للإعجاب، تمكن مجمع حرارة النقاط الكمومية من تحقيق كفاءة أعلى من كل من حدود كفاءة كارنو وكفاءة كورزون-أهلبرن التي أعاقت سلفه. وبالتالي، يمثل هذا التطور علامة فارقة كبرى في جمع الطاقة والتقنيات الكمومية.
اسحب للتمرير →

فوائد تقنية جمع الطاقة الكمومية

هناك العديد من الفوائد التي يجلبها هذا العمل للقطاع. أولاً، يُظهر بديلاً عمليًا عالي الأداء للخيارات التقليدية لجمع الطاقة. يمكن لهذا الحل تحويل الحرارة المهدرة إلى كهرباء بكفاءة قياسية، مما يفتح الباب أمام إلكترونيات أقوى، وأجهزة كمومية، وأكثر.

التطبيقات الواقعية والجدول الزمني

تفتح دراسة تحسين مجمعات الطاقة الباب أمام تقنيات جمع طاقة أكثر كفاءة وقوة في المستقبل. من السفر إلى الفضاء إلى الحفاظ على هاتفك الذكي أكثر برودة، ستغير هذه التقنية طريقة تصميم المهندسين للأجهزة. إليك بعض التطبيقات المحتملة.

الأمن

ستستفيد تطبيقات الأمن بشكل كبير من القدرة على جمع الطاقة المهدرة من المواقع والأجهزة التي يتم مراقبتها. تخيل محطات طاقة تحتوي على أجهزة أمان تعمل على مدار 24 ساعة يتم تزويدها بالطاقة من حرارة توربيناتها، بدلاً من الطاقة المولدة من شبكة الكهرباء المحلية.

الطب

من المؤكد أن المجال الطبي سيجد سيناريوهات استخدام لهذه التقنية. تُستخدم تقنيات جمع الطاقة المتقدمة بالفعل في الأجهزة القابلة للارتداء التي تعمل بالبيزوإلكترونيات. في المستقبل، قد تساعد مجمعات طاقة النقاط الكمومية في إبقاء الأجهزة منخفضة الطاقة مثل مراقبات القلب تعمل لفترة أطول دون خطر تلوث البطارية.

اللوجستيات

سيستفيد قطاع اللوجستيات من هذه التقنية على شكل أجهزة إنترنت الأشياء (IoT). بالفعل، ساعدت هذه المستشعرات الذكية الصغيرة في تقليل عدم الكفاءة والاحتيال والتقليد. ومع ذلك، كانت تطبيقاتها محدودة بسبب قيود الطاقة. بينما يمكن لبعضها الاعتماد على الطاقة الشمسية، فإن الغالبية العظمى تحتاج إلى بطاريات أو اتصال مباشر بالشبكة.

في المستقبل، ستتمكن أجهزة إنترنت الأشياء من توليد الطاقة من بيئتها. سيمكن هذا النهج من توسيع نطاقها، مما يتيح مراقبة أكثر كفاءة لصناعة اللوجستيات الضخمة التي تبلغ قيمتها مليارات الدولارات. بالإضافة إلى ذلك، سيقلل من التكاليف المرتبطة بتتبع وتأمين الأجهزة.

استكشاف الفضاء

يُعد استكشاف الفضاء أحد القطاعات التي قد تستفيد أكثر من هذه التقنية في المستقبل. بالفعل، يجري الكثير من العمل لاكتشاف طرق موثوقة لتزويد مستعمرات الفضاء بالطاقة. يفتح هذا العمل الأخير الباب أمام خيارات جمع الطاقة لرواد الفضاء والمستكشفين المستقبليين الذين يحتاجون إلى بدائل خفيفة الوزن.

الجدول الزمني لتحسين مجمعات الطاقة

سيستغرق أكثر من 10 سنوات قبل أن ترى محرك جمع طاقة كمومي يُستخدم في أجهزتك الإلكترونية. ومع ذلك، قد يتم تسريع التقنية لأغراض عسكرية، فضائية، وطبية. إذا حدث ذلك، قد تبدأ الخيارات التجارية بالظهور خلال السنوات الخمس إلى السبع القادمة.

باحثو تحسين مجمعات الطاقة

كانت دراسة تحسين مجمعات الطاقة تعاونًا بين قسم الفيزياء في معهد العلوم بطوكيو ومختبرات البحوث الأساسية لشركة NTT. تُدرج الورقة الأستاذ توشيمسا فوجيساوا كباحث رئيسي بدعم من الباحث كوجي موراكى.

قدمت أبحاث ومساعدة إضافية من قبل هيكارو يامازاكي، ماساشي أومورا، هاروهي تانكا، توكورو هاتا، تشاو جينغ لين، وتاكافومي أكيهُو. بالإضافة إلى ذلك، تم تمويل المشروع من قبل جمعية اليابان لترويج العلوم ووزارة التعليم والثقافة والرياضة والعلوم والتكنولوجيا.

مستقبل تحسين مجمعات الطاقة

يبدو مستقبل مجمعات الطاقة واعدًا. ستكون هذه التقنية أساسية لتعزيز كفاءة الطاقة العالمية وتحقيق أهداف صافي الصفر من الكربون التي حددها اتفاقية باريس. في الوقت الحالي، سيعمل الفريق على تحسين تصميمه وإيجاد شركاء تصنيع لتوسيع عملياته.

الاستثمار في قطاع الطاقة المتقدمة

هناك عدة شركات تنافس في قطاع مجمعات الطاقة. تسعى هذه الشركات إلى تقليل التلوث ومساعدة استعادة الطاقة المفقودة من خلال أجهزتها الفريدة. إليك شركة واحدة تستمر في إظهار روح الابتكار مع تقديم منتجات وخدمات موثوقة.

Energy Vault

دخلت Energy Vault (NRGV ) السوق في عام 2017 لتوفير مصادر طاقة بديلة للمجتمعات. تخيل مؤسسو الشركة، روبرت ألين بيكوني وويليام غروس، استخدام الطاقة الجاذبية لتوليد الطاقة عبر نظام رافعة.

لفت هذا النهج الفريد انتباه المستثمرين والباحثين منذ الانطلاق. في عام 2019، فازت الشركة بجائزة فكرة العالم المتغيرة من Fast Company بفضل تصميمها الفريد ونهجها في طرق التخزين خارج الشبكة. ومن الجدير بالذكر أن الشركة قامت ببناء نظام تخزين طاقة كهربائية يعمل بالرافعة في كاستيون-أربيدو، سويسرا، في عام 2020.

أظهر النموذج العملي بعض القيود التي دفعت الشركة إلى التحول نحو خيارات جديدة، بما في ذلك نسخة المصعد المسماة G-Vault. مثل نسخة الرافعة، يخزن الطاقة عن طريق رفع وخفض الكتل.

اليوم، تمتلك Energy Vault مفاهيم مبتكرة في مجموعة متنوعة من قطاعات تخزين وإنتاج الطاقة. مؤخرًا، توسعت الشركة إلى طرق التخزين الهجينة، بطاريات الهيدروجين، وتقنيات الجيل التالي الأخرى. ينبغي لأولئك الذين يرغبون في التعرف على أسواق الطاقة المستقبلية إجراء المزيد من البحث حول Energy Vault.

آخر أخبار أداء سهم BDX (NRGV)

تحسين مجمعات الطاقة | الخاتمة

يفتح العمل الذي قام به هؤلاء الباحثون الباب أمام مستقبل أنظف وأكثر كفاءة. يُظهر استخدام ميكانيكا الكم لتجاوز بعض قوانين الديناميكا الحرارية كيف ستساعد هذه التقنية في خلق فرص جديدة في المستقبل. وبالتالي، يستحق هذا الفريق الثناء على جهوده واكتشافاته المذهلة.

تعرف على اختراقات الطاقة الرائعة الأخرى هنا

المراجع

^{1. Yamazaki, H., Uemura, M., Tanaka, H., Hata, T., Lin, C., Akiho, T., Muraki, K., & Fujisawa, T. (2025). تحويل الحرارة إلى طاقة بكفاءة من سائل توموناغا-لوتينجر غير الحراري. Communications Physics, 8(1), 1-10. https://doi.org/10.1038/s42005-025-02297-6}