طراحی جدید دانشمندان ایرانی برای باتری های کوانتومی
انجمن پارسیان: انجمن پارسیان: دانشمندان ایرانی یک طراحی جدید را برای باتری های کوانتومی ارایه داده اند که از قابلیت های مکانیک کوانتومی برای افزایش ذخیره انرژی استفاده می نماید.
به گزارش انجمن پارسیان به نقل از ایسنا، یک باتری را تصور کنید که بلا فاصله شارژ می شود و انرژی بسیار بیشتری را نسبت به بهترین باتری های امروزی در خود نگه می دارد. این ایده نویدبخش ارائه یک دستگاه ذخیره انرژی پیشرفته به نام «باتری کوانتومی» است که به پدیده های کوانتومی مانند درهم تنیدگی و برهم نهی کمک می نماید.
به نقل از ادونسد ساینس نیوز، «مریم هادی پور» و «سروش حسابی» محققان «دانشگاه ارومیه»، «سعید حدادی» پژوهشگر «دانشگاه سمنان» و «دونگ وانگ»(Dong Wang) پژوهشگر «دانشگاه آنهویی»(Anhui University) چین یک طراحی را برای ساخت چنین باتری ترسیم کرده اند. اگر آزمایشات آینده کارآیی آنرا مورد تایید قرار دهند، این باتری می تواند طرز تفکر ما را درباره ی ذخیره انرژی متحول کند.
دانشمندان در مقاله این پژوهش نوشتند: باتری های سنتی مانند باتری های لیتیوم-یونی، قلیایی و سرب-اسیدی که هنوز درحال استفاده هستند، بر طبق واکنش های الکتروشیمیایی شامل حرکت یون ها بین دو الکترود بوسیله یک الکترولیت کار می کنند. از طرف دیگر، باتری های کوانتومی یک مفهوم جدید هستند که قابلیت های مکانیک کوانتومی را برای افزایش ذخیره انرژی به کار می برند.
توسعه یک باتری کوانتومی فعال سرشار از چالش است. جدی ترین چالش، مشکل حفظ «همدوسی کوانتومی» است که در آن، باتری بطور هم زمان در چندین حالت کوانتومی قرار می گیرد. این خاصیت برای عملکرد باتری بسیار اهمیت دارد اما می تواند به آسانی مختل شود و حفظ باتری را دشوار کند.
علاوه بر این، برای کارکرد باتری های کوانتومی، اجزای مختلف آنها باید نه فقط با یکدیگر بلکه با عنصری که وظیفه شارژ باتری را بر عهده دارد، در یک وضعیت ظریف درهم تنیدگی باقی بمانند. مشکل، شکنندگی این حالات کوانتومی است که به آسانی در اثر تعامل با محیط بیرونی مختل می شوند و از بین بردن این تعاملات بطور کامل عملا غیر ممکنست.
محققان در این پروژه، یک طراحی ساده و در عین حال خلاقانه را برای باتری کوانتومی پیشنهاد کردند که ممکنست این مشکلات را حل کند. این طراحی از یک اتم منفرد تشکیل شده است که حالت های کوانتومی آن برای ذخیره انرژی و همراه با یک حفره میانی حاوی میدان الکترومغناطیسی استفاده می شوند. این حفره واسطه تعاملات بین اتم و محیط آنست و می تواند از وضعیت ظریف باتری کوانتومی در مقابل اختلالات مخرب بیرونی محافظت کند.
دانشمندان در ادامه مقاله نوشتند: وجود یک حفره واسطه می تواند چندین اثر داشته باشد. ممکنست به عنوان راهی برای صیانت از باتری کوانتومی در مقابل اختلالات بیرونی عمل کند یا به حفظ حالت کوانتومی ظریف باتری بپردازد. این حفره می تواند به حفظ انسجام و همدوسی کمک نماید که شاخصهای حیاتی در سیستم های کوانتومی هستند. بنابراین، این میانجی گری می تواند فرآیندهای کنترل شده و کارآمدتر انتقال انرژی را به همراه داشته باشد.
این تکنیک جدید، اهمیت محیط را در عملکرد باتری کوانتومی برجسته می کند. دو نوع محیط اصلی برای ارزیابی سیستم های کوانتومی وجود دارد که شامل محیط های بدون حافظه و محیط های متاثر از حافظه است.
در محیط بدون حافظه، محیط بیرونی باتری مانند شارژر یا هوا، هیچ اطلاعاتی را درباره ی تعاملات گذشته با آن حفظ نمی نماید. در یک محیط بدون حافظه، این فعل و انفعالات هیچ تاثیر ماندگاری را بر محیط اطراف نمی گذارد. گویی هر بار که باتری با محیط خود در تعامل قرار می گیرد، برای نخستین بار اتفاق می افتد.
مطالعه و کار کردن با این نوع محیط هم بصورت نظریه و هم بصورت عملی آسان تر است. از آنجائیکه محیط اطراف هیچ اطلاعاتی را حفظ نمی کند یا تحت تأثیر رویدادهای گذشته قرار نمی گیرد، درک و پیش بینی نحوه عملکرد باتری ساده تر است. با این وجود، ممکنست همیشه پیچیدگی های محیط دنیای واقعی یا سیستم های کوانتومی را بطور دقیق منعکس نکند. به همین دلیل، ممکنست کاربرد و قدرت پیش بینی آن محدود شود.
محیط های متاثر از حافظه شامل محیط هایی با اثرات حافظه مانند کریستال ها یا سیستم هایی با چند اتم درهم تنیده هستند. در این محیط ها، اجزا فعل و انفعالات گذشته خودرا با باتری کوانتومی به یاد می آورند. این حافظه به حفظ انسجام کوانتومی باتری کمک کرده و حالت های کوانتومی ظریف آنرا ثابت نگه می دارد برای اینکه محیط می تواند تبادل انرژی را در طول زمان بهتر مدیریت و کنترل کند. این خاصیت امکان شارژ و تخلیه دقیق باتری را فراهم می آورد. با این وجود، کار کردن با چنین محیط هایی به سبب عوامل و تعاملات مختلفی که باید در نظر گرفته شوند، پیچیده تر است و مطالعه و استفاده عملی را چالش برانگیزتر می کند.
این گروه پژوهشی دریافتند که بااینکه محیط حافظه پیچیده تر است اما ظرفیت باتری و میزان استخراج انرژی را ۱۰ تا ۲۰ درصد می افزاید.
دانشمندان در ادامه مقاله نوشتند: مشاهده شد که طی پروسه شارژ، انرژی به دست آمده توسط باتری کوانتومی با افزایش قدرت جفت حفره-باتری بیشتر می شود اما با تقویت جفت حفره-محیط کمتر می شود. همچنین، مشاهده شد که بیشترین مقدار کار قابل دستیابی از یک سیستم کوانتومی، با تقویت جفت حفره-باتری بیشتر می شود و با تقویت جفت موثر محیط-حفره کمتر می شود.
قدمهای بعدی دانشمندان، انتقال یافته های این پژوهش به یک نمونه اولیه کار است تا بصورت آزمایشی تأیید شود. علاوه بر این، از آنجائیکه طراحی باتری آنها تنها شامل یک اتم است، انتظار می رود ظرفیت حاصل حتی در وضعیت ایده آل خیلی کم باشد. برای اینکه یک باتری کوانتومی واقعا کاربردی شود و مزایایی را نسبت به طرح های سنتی داشته باشد، حفظ تعداد زیادی اتم در حالت درهم تنیدگی کوانتومی لازم است و این کار، چالش های بیشتری را به همراه دارد.
این پژوهش می تواند نخستین گام مهم به سمت توسعه باتری های کوانتومی واقعی باشد. هر چقدر هم که این کار زمان ببرد، ارزش انتظار را دارد برای اینکه این باتری ها می توانند انقلابی را در وسایل نقلیه الکتریکی، ذخیره انرژی تجدیدپذیر و تجهیزات الکترونیکی مصرفی مانند تلفن های همراه هوشمند، کامپیوتر ها و ساعات هوشمند ایجاد کنند.
این پژوهش در مجله «Advanced Quantum Technologies» به چاپ رسید.
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب