فناوری جدید جهت افزایش سرعت شارژ خودروهای برقی

دستیابی به یک فناوری جدید که می‌تواند شارژ خودروهای الکتریکی را به همان سرعت پمپاژ بنزین انجام دهد. شارژ کوانتومی می تواند زمان شارژ خودروهای الکتریکی را از ده ساعت به سه دقیقه کاهش دهد.

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 بشر در خصوص انرژی و با وجود یک طبیعت متناهی و سوخت های فسیلی تجدید ناپذیر ، اجتناب ناپذیر تلقی می شود.به این ترتیب، تحقیقات زیادی به منظور توسعه منابع جایگزین سوخت های فسیلی، 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 تجدیدپذیرکارمی‌کنندپذیرفته است. بارزترین تغییر 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 فروخته می شوند.

 بازار خودروهای الکتریکی یکی از بخش هایی است که به سرعت در حال رشد است و افراد زیادی نظیر ایلان ماسک از این صنعت به ثروت زیادی دست یافته اند.برخلاف خودروهای سنتی که از احتراق سوخت های هیدروکربنی انرژی می گیرند، خودروهای الکتریکی از باتری ها به عنوان وسیله ذخیره انرژی خود استفاده میکنند.

اولین چالش در ساخت خودروهای الکتریکی چگالی انرژی بسیار کم باتری ها نسبت به هیدروکربن ها بود که منجر به برد بسیار پایین خودروهای الکتریکی می شد.

پیشرفت تدریجی در فناوری های مربوط به باتری خودرو 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 ها یکی از مهم ترین چالش های استفاده از خودروهای الکتریکی می باشد.در حال حاضر، شارژ خودروها حدود 10 ساعت طول می کشد.

 حتی سریع‌ترین سوپرشارژرها در ایستگاه‌های شارژ به ۲۰ تا ۴۰ دقیقه برای شارژ کامل وسایل نقلیه نیاز دارند.

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. چنین مفهومی از “باتری کوانتومی” برای اولین بار در مقاله مهم منتشر شده توسط Alicki و Fannes در سال 2012 ارائه شد.

 این نظریه اینگونه مطرح شد که منابع کوانتومی، می توانند برای سرعت بخشیدن به فرآیند شارژ باتری به طور همزمان به صورت جمعی مورد استفاده قرار گیرند.

این یک کشف بزرگ به حساب می آید 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 و 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.

برای پیاده سازی این فناوری دو طرح کارشناسی شده توسط مهندسین و متخصصین الکترونیک ارائه شد.

• طرح عملیات جهانی :

در این طرح تمامی سلول های موجود در باتری خودرو به طور همزمان کنار یکدیگر قرار گرفته و طوری که شبیه انسان ها همه دور یک میز نشسته و با یکدیگر صحبت میکنند.

• طرح همبستگی :

در این طرح محدودیتی برای سلول ها جهت جفت شدن با یکدیگر وجود ندارد ولی برای هر روندی که اتفاق می افتد فقط دو سلول میتوانند با یکدیگر درجهت فرآیند حرکت کنند.

دانشمندان مرکز فیزیک نظری سیستم‌های پیچیده در مؤسسه علوم پایه (IBS) طرح های ذکر شده را به صورت تخصصی تر مورد بررسی قرار دادند.

این مقاله که به عنوان “پیشنهاد ویرایشگر” در مجله Physical Review Letters انتخاب شد، نشان داد که طرح شماره دو یعنی همبستگی سلول ها در باتری های کوانتومی بی ربط است و وجود عملیات جهانی تنها عنصر مزیت کوانتومی به شمار می آید.

 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.

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 سه ثانیه کاهش می یابد.

محققان می گویند که نتایج این تحقیقات می تواند بسیار گسترده باشد و سطح استفاده از شارژرهای کوانتومی می تواند فراتر از خودروهای 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 فناوری های کوانتومی هنوز در مراحل ابتدایی خود هستند و تا اجرای عملی این روش ها راه زیادی در پیش است.

با این حال، یافته‌های تحقیقاتی ، 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 استفاده از باتری‌های کوانتومی میتواند روش استفاده از انرژی را کاملا متحول ‌کند و ما را یک قدم به آینده پایدار نزدیک‌تر‌کند.