فناوری کوانتومی جدید برای شارژ سریع خودرو الکتریکی، شارژ کامل فقط در سه دقیقه!

چه فتوولتائیک باشد و چه فیوژن، دیر یا زود، تمدن بشری باید به انرژی های تجدیدپذیر روی آورد. این امر با توجه به نیازهای روزافزون انرژی بشر و طبیعت متناهی سوخت های فسیلی اجتناب ناپذیر تلقی می شود. به این ترتیب، تحقیقات زیادی به منظور توسعه منابع جایگزین انرژی، که بیشتر آنها از برق به عنوان حامل اصلی انرژی استفاده می کنند، دنبال شده است. تحقیق و توسعه گسترده در انرژی‌های تجدیدپذیر با تغییرات تدریجی اجتماعی همراه شده است، زیرا جهان محصولات و دستگاه‌های جدیدی را که بر روی انرژی‌های تجدیدپذیر کار می‌کنند، پذیرفته است. بارزترین تغییر اخیراً پذیرش سریع خودروهای الکتریکی است. در حالی که حتی 10 سال پیش به سختی در جاده ها دیده می شد، اکنون میلیون ها خودروی الکتریکی در سال فروخته می شود. بازار خودروهای الکتریکی یکی از بخش هایی است که به سرعت در حال رشد است و به ایلان ماسک کمک کرد تا به ثروتمندترین مرد جهان تبدیل شود. شارژ سریع خودرو الکتریکی می تواند این صنعت را بیش از پیش پیشرفت دهد.

برخلاف خودروهای سنتی که از احتراق سوخت های هیدروکربنی انرژی می گیرند، خودروهای الکتریکی به باتری ها به عنوان وسیله ذخیره انرژی خود متکی هستند. برای مدت طولانی، باتری‌ها چگالی انرژی بسیار کمتری نسبت به هیدروکربن‌ها داشتند که منجر به برد بسیار کم خودروهای الکتریکی اولیه شد. با این حال، پیشرفت تدریجی در فناوری باتری در نهایت باعث شد که محدوده حرکتی خودروهای الکتریکی در مقایسه با خودروهای بنزین سوز در حد قابل قبولی باشد. دست کم نمی‌گیریم که بهبود فناوری ذخیره‌سازی باتری یکی از گلوگاه‌های فنی اصلی بود که برای شروع انقلاب فعلی خودروهای الکتریکی باید حل می‌شد.

با این حال، علیرغم پیشرفت های گسترده در فناوری باتری، امروزه مصرف کنندگان وسایل نقلیه الکتریکی با مشکل دیگری روبرو هستند – سرعت پایین شارژ باتری. در حال حاضر، شارژ خودروها در خانه حدود 10 ساعت طول می کشد. حتی سریع‌ترین سوپرشارژرها در ایستگاه‌های شارژ به ۲۰ تا ۴۰ دقیقه برای شارژ کامل وسایل نقلیه نیاز دارند. این باعث ایجاد هزینه های اضافی و ناراحتی برای مشتریان می شود.

برای حل این مشکل، دانشمندان به دنبال پاسخ در زمینه مرموز فیزیک کوانتومی بودند. جستجوی آنها به این کشف منجر شد که فناوری‌های کوانتومی ممکن است نوید مکانیسم‌های جدیدی را برای شارژ باتری‌ها با سرعت بیشتری بدهد. شارژ سریع خودرو الکتریکی از “باتری کوانتومی” برای اولین بار در مقاله مهم منتشر شده توسط Alicki و Fannes در سال 2012 ارائه شده است. این نظریه مطرح شد که منابع کوانتومی، مانند درهم تنیدگی، می توانند برای سرعت بخشیدن به فرآیند شارژ باتری با شارژ تمام سلول های داخل مورد استفاده قرار گیرند. یعنی شارژ باتری به طور همزمان به صورت جمعی.

این قابلیت هیجان انگیز است زیرا باتری های مدرن با ظرفیت بالا می توانند سلول های متعددی داشته باشند. چنین شارژ جمعی در باتری های کلاسیک امکان پذیر نیست، جایی که سلول ها به طور موازی مستقل از یکدیگر شارژ می شوند. مزیت این شارژ جمعی در مقابل شارژ موازی را می توان با نسبتی که «مزیت شارژ کوانتومی» نامیده می شود اندازه گیری کرد.

اخیراً دانشمندان مرکز فیزیک نظری سیستم‌های پیچیده در مؤسسه علوم پایه (IBS) این سؤالات را بیشتر بررسی کردند. این مقاله که به عنوان «پیشنهاد سردبیر» در مجله Physical Review Letters انتخاب شد، نشان داد که جفت شدن همه سلول ها در باتری‌های کوانتومی بی‌ربط است و وجود عملیات جهانی تنها عنصر مزیت کوانتومی است. این گروه فراتر رفت تا منبع دقیق این مزیت را مشخص کند و در عین حال هرگونه احتمال دیگری را رد کرد و حتی راهی صریح برای طراحی چنین باتری هایی ارائه کرد.

علاوه بر این، این گروه توانست به طور دقیق مقدار سرعت شارژ را در این طرح به دست آورد. در حالی که حداکثر سرعت شارژ به صورت خطی با تعداد سلول‌های باتری‌های کلاسیک افزایش می‌یابد، این مطالعه نشان داد که باتری‌های کوانتومی با استفاده از عملیات سراسری می‌توانند به مقیاس درجه دوم در سرعت شارژ دست یابند. برای نشان دادن این موضوع، ما یک وسیله نقلیه الکتریکی معمولی با باتری حاوی حدود 200 سلول را در نظر خواهیم گرفت. استفاده از این شارژ کوانتومی منجر به افزایش سرعت 200 برابری نسبت به باتری های کلاسیک می شود، به این معنی که زمان شارژ در خانه از 10 ساعت به حدود 3 دقیقه کاهش می یابد. در ایستگاه های شارژ پرسرعت، زمان شارژ از 30 دقیقه به ثانیه کاهش می یابد.

محققان می گویند که پیامدهای آن می تواند بسیار گسترده باشد و پیامدهای شارژ کوانتومی می تواند فراتر از شارژ سریع خودرو الکتریکی و لوازم الکترونیکی مصرفی باشد. به عنوان مثال، ممکن است کاربردهای کلیدی در نیروگاه های همجوشی آینده پیدا کند، که نیاز به مقادیر زیادی انرژی برای شارژ و تخلیه در یک لحظه دارند. البته فناوری‌های کوانتومی هنوز در مراحل ابتدایی خود هستند و تا اجرای عملی این روش‌ها راه زیادی در پیش است. با این حال، یافته‌های تحقیقاتی از این دست، مسیر امیدوارکننده‌ای را ایجاد می‌کند و می‌تواند سازمان‌های سرمایه‌گذاری و کسب‌وکارها را برای سرمایه‌گذاری بیشتر در این فناوری‌ها تشویق کند. اعتقاد بر این است که در صورت استفاده از باتری‌های کوانتومی، روش استفاده از انرژی را کاملا متحول می‌کند و ما را یک قدم به آینده پایدار نزدیک‌تر می‌کند.