حاصدات الطاقة الكمومية تُغذي الجيل القادم

طوّر باحثون من معهد طوكيو للعلوم طريقةً لتحسين حاصدات الطاقة في الأجهزة الإلكترونية. يعتمد نهجهم المبتكر على ميكانيكا الكم لتجاوز الحدود الديناميكية الحرارية الموجودة في أنظمة حصاد الطاقة التقليدية. وبالتالي، يمتلك عملهم القدرة على تحويل الطاقة المهدرة إلى مصدر طاقة فعال لأجهزة المستقبل عالية التقنية. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

حصاد الطاقة

حصاد الطاقة نظرية راسخة تُشير ببساطة إلى تحويل الطاقة المُهدرة المُنبعثة من البيئة أو التقنيات إلى طاقة تُستخدم في أجهزة أخرى. في الماضي، كان هذا العلم يتضمن مفاهيم مثل الاستفادة من فرق درجة الحرارة بين سطح المحيط ومناطقه العميقة لتوليد الطاقة. ومن الأمثلة الشهيرة على حصاد الطاقة عمليًا برج الطاقة الذي صممه نيكولا تيسلا، والذي كان قادرًا على تشغيل مصباح كهربائي دون الحاجة إلى أسلاك.

يُعدّ حصاد الطاقة اليوم مجالًا علميًا متناميًا، يستكشف جمع نفايات الطاقة من مصادر متنوعة. ومن الأمثلة على ذلك التدرجات الحرارية، وإشارات الترددات الراديوية، وأجهزة الحوسبة، وصولًا إلى محطات الطاقة بأكملها. ومن أهم مزايا حصاد الطاقة أنه يوفر طريقةً اقتصاديةً ومستدامةً لتحسين الكفاءة وخفض التكاليف، مما يجعله أكثر شيوعًا.

التحديات التي تحد من كفاءة حصاد الطاقة الحديثة

تستمر تقنيات حصاد الطاقة في التطور. ومع ذلك، لا تزال هناك عدة قيود يتعين على العلماء التغلب عليها لتحقيق الأداء الأمثل. أولًا، تخضع تقنيات حصاد الطاقة التقليدية لقوانين الديناميكا الحرارية، بما في ذلك:

كفاءة كارنو

أحد أهم العوامل المُقيِّدة لحصاد الطاقة اليوم يُعرف بكفاءة كارنو. يصف هذا القانون في الديناميكا الحرارية أقصى قدرات وكفاءة نقل الحرارة بين خزانات حرارية منفصلة. تُمكّن هذه النسبة العلماء من التنبؤ بدقة بكمية الطاقة التي يُمكن إنتاجها من الحرارة المُهدرة.

كفاءة كرزون-أهلبورن

كفاءة كرزون-أهلبورن قانونٌ حيويٌّ آخر حدّ من فعالية حاصدات الطاقة. تُستخدم هذه المعادلة لتحديد أقصى كفاءة يمكن تحقيقها عند التشغيل بكامل طاقتها. يستخدم المهندسون هذه المعادلة، إلى جانب كفاءة كارنو، لتحسين وتحسين أجهزة حصاد الطاقة.

دراسة كمية لتحسين كفاءة حصاد الطاقة

وإدراكًا لهذه القيود، اتخذ فريق مبتكر من الباحثين من اليابان نهجًا جديدًا لتقنيات نقل الحرارة. تحويل الطاقة الحرارية بكفاءة من سائل توموناجا-لوتينجر غير الحراري¹ دراسة نشرت في مجلة Communications Physics تقدم استراتيجية جديدة تستفيد من ميكانيكا الكم لتجاوز حدود الديناميكا الحرارية التقليدية.

سائل توموناجا-لوتينجر غير حراري

يتمحور البحث حول استخدام سائل توموناغا-لوتينغر غير حراري لالتقاط الطاقة الحرارية ونقلها. ويتميز استخدام محركات الحرارة الكمومية بمزايا رئيسية. على سبيل المثال، تستفيد هذه المحركات من خزانات غير حرارية - وهو سائل توموناغا-لوتينغر (TL) غير حراري - لاستخراج عمل أكثر فائدة من الطرق التقليدية.

قنوات حافة هول الكمومية (النقل أحادي البعد)

باستخدام نهج كمي، تمكن المهندسون من خلق حالة غير حرارية بشكل طبيعي داخل قنوات حافة هول الكمومية المُخصصة. يعتمد هذا النهج على أنابيب الكربون النانوية لتقسيم الطاقة إلى بُعد واحد.

المصدر - معهد العلوم طوكيو

يتيح هذا النهج دالة توزيع فيرمي ثنائية للحالة غير الحرارية. تُحفَّز هذه الحالة طبيعيًا عن طريق التوازن المُحافظ على الإنتروبيا. والجدير بالذكر أن هذه الحالة الكمومية مثالية لأنها لا تخضع للتحويل الحراري، مما يُقلل من أي طاقة حرارية مُهدرة أو مُتسربة.

تسمح هذه الاستراتيجية لنظام الإلكترونات أحادي البعد بنقل الحالة الحرارية مباشرةً. يحافظ هذا النهج على حالة الطاقة العالية دون تشتيتها كما في تقنيات حصاد الطاقة السابقة. ومن هنا، ابتكر الفريق نموذجًا حاسوبيًا يُمكن استخدامه لتصميم تقنيات حصاد طاقة مستقبلية بكفاءة أعلى.

اختبار تجريبي لجهاز حصاد الطاقة الكمومية

كجزء من بحثهم، ابتكر المهندسون محركًا فعالًا لجمع الطاقة. دمج الجهاز استراتيجية سائل توموناغا-لوتينجر (TL) غير الحرارية لنقل طاقة النقاط الكمومية من ترانزستور نقطة تلامس كمومي.

يلتقط هذا الدليل العملي الحرارة الناتجة عن ترانزستور نقطة التلامس الكمي مباشرةً إلى السائل بأقصى كفاءة. ومن المثير للاهتمام أن النقاط الكمومية نقلت الحرارة إلى سائل TL. على مسافات بمقياس الميكرومتر، الحد من التشتت.

تحسين نتائج اختبار حصادات الطاقة

سُرّ العلماء بتوثيق نهجهم الجديد الذي تفوق بنجاح على أساليب حصاد الطاقة السابقة. وفّر استخدام سائل TL غير الحراري بدلاً من سائل TL شبه الحراري كفاءة تحويل كهربائي أعلى، إلى جانب قوة دافعة كهربائية أعلى.

من المثير للإعجاب أن جهاز حصاد الطاقة الحرارية بتقنية النقاط الكمومية نجح في تحقيق كفاءة أعلى من حدود كفاءة كارنو وكورزون-أهلبورن التي أعاقت سابقته. وبالتالي، يُمثل هذا التطور إنجازًا هامًا في مجال حصاد الطاقة وتقنيات الكم.
مرر للتمرير →

فوائد تقنية حصاد الطاقة الكمومية

يُقدم هذا العمل فوائد جمة للقطاع. أولًا، يُقدم بديلًا فعالًا وعالي الأداء لخيارات حصاد الطاقة التقليدية. يُمكن لهذا الحل تحويل الحرارة المُهدرة إلى كهرباء بكفاءة قياسية، مما يُمهد الطريق لتطوير إلكترونيات وأجهزة كمية أكثر قوة، وغيرها.

التطبيقات الواقعية والجدول الزمني

استخدم تحسين حصادات الطاقة تفتح هذه الدراسة آفاقًا جديدة لتقنيات حصاد طاقة أكثر كفاءة وفعالية في المستقبل. بدءًا من السفر إلى الفضاء وصولًا إلى تبريد هاتفك الذكي، ستُغير هذه التقنية طريقة المهندسين في تصنيع الأجهزة. إليكم بعض التطبيقات المحتملة.

الأمن والحماية

ستستفيد تطبيقات الأمن بشكل كبير من إمكانية جمع الطاقة المهدرة من المواقع والأجهزة المصممة لمراقبتها. تخيّل محطات توليد الطاقة المجهزة بأجهزة أمنية تعمل على مدار الساعة، تعمل بالحرارة المنبعثة من توربيناتها، بدلاً من الطاقة المولدة من شبكة الكهرباء الخاصة بالموقع.

خدمات الطبية

من المؤكد أن المجال الطبي سيجد استخدامات متعددة لهذه التقنية. تُستخدم تقنيات متقدمة لجمع الطاقة في الأجهزة الإلكترونية الكهرضغطية القابلة للارتداء. في المستقبل، قد تساعد أجهزة جمع الطاقة بتقنية النقاط الكمومية في الحفاظ على عمل الأجهزة منخفضة الطاقة، مثل أجهزة مراقبة القلب، لفترة أطول ودون خطر تلوث البطاريات.

لخدمات اللوجستية

سيستفيد قطاع اللوجستيات من هذه التقنية عبر أجهزة إنترنت الأشياء (IoT). وقد ساهمت هذه المستشعرات الذكية الصغيرة بالفعل في الحد من انعدام الكفاءة والاحتيال والتزوير. ومع ذلك، فقد كانت تطبيقاتها محدودة بسبب محدودية الطاقة. فبينما يعتمد البعض على الطاقة الشمسية، تحتاج الغالبية العظمى إلى بطاريات أو اتصال مباشر بالشبكة الكهربائية.

في المستقبل، ستتمكن أجهزة إنترنت الأشياء من توليد الطاقة من محيطها. ستُمكّن هذه الاستراتيجية من توسيع نطاقها، مما يُتيح مراقبة أكثر كفاءة لقطاع اللوجستيات الضخم الذي تبلغ قيمته مليارات الدولارات. بالإضافة إلى ذلك، ستُخفّض التكاليف المرتبطة بتتبع الأجهزة وتأمينها.

استكشاف الفضاء

يُعدّ استكشاف الفضاء أحد القطاعات التي قد تستفيد إلى أقصى حد من هذه التقنية مستقبلًا. ويُبذل بالفعل جهد كبير لاكتشاف طرق موثوقة لتزويد المستعمرات الفضائية بالطاقة. ويفتح هذا العمل الأخير الباب أمام خيارات جديدة لجمع الطاقة لرواد الفضاء والمستكشفين المستقبليين الذين يحتاجون إلى بدائل خفيفة الوزن.

الجدول الزمني لتحسين حصادات الطاقة

سيستغرق الأمر أكثر من عشر سنوات قبل أن نرى محركًا لحصاد الطاقة الكمومية يُستخدم في أجهزتنا الإلكترونية. ومع ذلك، قد يتم تسريع استخدام هذه التقنية للأغراض العسكرية والفضائية والطبية. وفي هذه الحالة، قد تبدأ الخيارات التجارية بالظهور خلال السنوات الخمس إلى السبع القادمة.

باحثون في مجال تحسين حصادات الطاقة

كانت دراسة تحسين حاصدات الطاقة ثمرة تعاون بين قسم الفيزياء في معهد العلوم بطوكيو ومختبرات الأبحاث الأساسية لشركة NTT. وأوردت الورقة البحثية البروفيسور توشيماسا فوجيساوا كباحث رئيسي، بدعم من الباحث كوجي موراكي.

قدّم كلٌّ من هيكارو يامازاكي، وماساشي أويمورا، وهاروهي تاناكا، وتوكورو هاتا، وتشاوجينج لين، وتاكافومي أكيهو، أبحاثًا ومساعدةً إضافية. كما قدّمت الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم ووزارة التعليم والثقافة والرياضة والعلوم والتكنولوجيا تمويلًا للمشروع.

تحسين مستقبل حصادات الطاقة

يبدو مستقبل حاصدات الطاقة واعدًا. ستكون هذه التقنية أساسيةً لتعظيم كفاءة الطاقة العالمية وتحقيق أهداف صافي انبعاثات الكربون الصفرية المنصوص عليها في اتفاقية باريس. في الوقت الحالي، سيعمل الفريق على تحسين تصميمه وإيجاد شركاء تصنيع لتوسيع عملياته.

الاستثمار في قطاع الطاقة المتقدمة

تتنافس العديد من الشركات في قطاع حصاد الطاقة. تسعى هذه الشركات إلى الحد من التلوث والمساعدة في استعادة الطاقة المفقودة من خلال أجهزتها الفريدة. إليكم شركة تواصل إظهار روح الابتكار مع تقديم منتجات وخدمات موثوقة.

خزنة الطاقة

دخلت شركة إنرجي فولت السوق عام ٢٠١٧ لتوفير مصادر طاقة بديلة للمجتمعات. وقد تصوّر مؤسسا الشركة، روبرت ألين بيكوني وويليام غروس، استخدام طاقة الجاذبية الكامنة لتوليد الطاقة عبر نظام رافعة.

لفت هذا النهج الفريد انتباه المستثمرين والباحثين منذ انطلاقه. في عام ٢٠١٩، فازت الشركة بجائزة "الفكرة المُغيّرة للعالم" من مجلة "فاست كومباني" لتصميمها الفريد ونهجها المُبتكر في أساليب التخزين خارج الشبكة. والجدير بالذكر أن الشركة قامت ببناء نظام تخزين طاقة كهربائي يعمل برافعة في كاستيون-أربيدو، سويسرا، عام ٢٠٢٠.

أظهر النموذج العملي بعض القيود، مما دفع الشركة إلى التوجه نحو خيارات جديدة، بما في ذلك نسخة مصعد تُسمى G-Vault. وكما هو الحال مع نسخة الرافعة، تُخزّن هذه النسخة الطاقة عن طريق رفع وخفض الكتل.

اليوم، تمتلك إنرجي فولت مفاهيم مبتكرة في مختلف قطاعات تخزين وإنتاج الطاقة. ومؤخرًا، توسعت الشركة لتشمل أساليب التخزين الهجينة، وبطاريات الهيدروجين، وغيرها من تقنيات الجيل القادم. على الراغبين في الانخراط في أسواق الطاقة المستقبلية إجراء المزيد من البحث حول إنرجي فولت.

أحدث أخبار وأداء سهم BDX (NRGV)

تحسين حصادات الطاقة | الخاتمة

يفتح العمل الذي أنجزه هؤلاء الباحثون آفاقًا لمستقبل أكثر نظافة وكفاءة. ويُظهر استخدام ميكانيكا الكم للتغلب على بعض قوانين الديناميكا الحرارية كيف ستساهم هذه التقنية في خلق فرص جديدة للمضي قدمًا. لذا، يستحق هذا الفريق الثناء على جهوده الدؤوبة واكتشافاته القيّمة.

تعرف على المزيد حول الاختراقات الأخرى في مجال الطاقة الرائعة هنا

مراجع حسابات

^{يامازاكي، هـ.، أويمورا، م.، تاناكا، هـ.، هاتا، ت.، لين، س.، أكيهو، ت.، موراكي، ك.، وفوجيساوا، ت. (2025). تحويل فعال للطاقة الحرارية من سائل توموناجا-لوتينجر غير حراري. فيزياء الاتصالات، 8(1)، 1-10. https://doi.org/10.1038/s42005-025-02297-6}