הרעיון של סוללה קוונטית פונקציונלית עבר מהתיאוריה למעבדה . קבוצת חוקרים אוסטרלים הצליחה לבנות את מה שכבר נחשב לאב טיפוס שלם הראשון המסוגל לטעון, לאגור אנרגיה ולשחרר אותה בצורה מבוקרת - דבר שעד כה נחקר רק על הנייר או באמצעות הדגמות חלקיות. התקדמות זו פותחת דלת לדרך חדשה להבנת אחסון אנרגיה, שונה מאוד מסוללות כימיות קלאסיות בהן אנו משתמשים מדי יום.
מה שהופך את ההתפתחות הזו לבולטת במיוחד הוא שביצועי הסוללה משתפרים ככל שהמכשיר גדל , ההפך ממה שקורה עם סוללות קונבנציונליות. הטכנולוגיה מסתמכת על תופעות ממכניקת הקוונטים, כגון סופרפוזיציה ושזירה, כדי להשיג טעינה מהירה במיוחד, פוטנציאלית באופן אלחוטי ומרחוק, עם יעילות שאם תוגדל, עלולה להוביל להתיישנות של סוללות ליתיום-יון קיימות.
מהי בעצם סוללה קוונטית?
לפני שנכנס לפרטים, חשוב להבין מה המשמעות של סוללה להיות קוונטית. בניגוד לסוללות מסורתיות, אשר אוגרות אנרגיה באמצעות תגובות אלקטרוכימיות בתוך התאים שלהן, סוללה קוונטית משתמשת במצבים קוונטיים של חלקיקים (כגון אטומים או מולקולות) כדי לאגור אנרגיה פוטנציאלית. אנרגיה זו "נאחסנת" כאשר חלקיקים אלה מעוררים לרמות אנרגיה גבוהות יותר ומשוחררת לאחר מכן בצורה מבוקרת.
למען האמת, אף סוללה לא אוגרת חשמל גולמי , אלא אנרגיה פוטנציאלית המומרת מאוחר יותר לחשמל או לסוג אחר של עבודה שימושית. מסוללות ליתיום בטלפון נייד ועד מערכות מבוססות כבידה המנצלות את כוחם של בניינים או מבנים גבוהים, כולן פועלות על ידי אחסון יכולת זו לבצע עבודה ושחרורה בעת הצורך. סוללות קוונטיות אינן משנות עיקרון כללי זה, אך הן כן משנות את אופן מימושו.
פריצת הדרך המרכזית טמונה בעובדה שסוללת הקוונטים מנצלת תופעות מכניות קוונטיות כמו סופרפוזיציה והסתבכות . במקום להסתמך על נדידה איטית של יונים דרך אלקטרוליט, היא משתמשת במצבים קוונטיים קולקטיביים המאפשרים אינטראקציה מהירה בהרבה עם אנרגיית הקלט, למשל, אור מלייזר.
הבדל חשוב נוסף מסוללות קונבנציונליות הוא שיחידות האחסון הפנימיות בסוללה קוונטית אינן פועלות באופן עצמאי . רחוק מלהיות מתפקדות כתאים נפרדים, התנהגותן קשורה זה לזה באופן הדוק: המערכת נטענת ומתפתחת כשלם, וכתוצאה מכך נוצרות השפעות קולקטיביות שלא נמצאות באלקטרוניקה קונבנציונלית.
משמעות הדבר היא שעל ידי הגדלת מספר היחידות הקוונטיות המרכיבות את הסוללה, לא רק שהקיבולת גדלה, אלא גם זמן הטעינה מצטמצם . במילים אחרות, סוללה קוונטית גדולה יותר לא לוקחת יותר זמן לטעון, אלא פחות זמן - התנהגות הפוכה לחלוטין מזו של הטכנולוגיות בהן אנו משתמשים כיום.
אב הטיפוס העובד הראשון: מי עומד מאחורי פריצת הדרך
אבן הדרך הושגה על ידי צוות חוקרים אוסטרלים בשיתוף פעולה עם מדענים ממדינות אחרות. בין השמות הבולטים ביותר נמנים ג'יימס קוואץ', מסוכנות המדע הלאומית של אוסטרליה CSIRO , כמו גם מומחים כמו ג'יימס האצ'יסון וטרבור סמית' מאוניברסיטת מלבורן, דניאל טיבן מאוניברסיטת RMIT, וקירן היימס, גם הוא מ-CSIRO. כמה ממרכזים אלה נמצאים בחזית המחקר פורץ הדרך בפוטוניקה וטכנולוגיות קוונטיות.
קבוצה זו פרסמה את תוצאותיה בכתב העת Light: Science & Applications , במאמר טכני שכותרתו "הספק חשמלי סופר-מקיף מסוללה קוונטית". המאמר מתאר בפירוט כיצד הם השיגו, לראשונה, את מחזור הסוללה המלא: טעינה, אחסון ופריקה של אנרגיה במערכת פונקציונלית אחת.
הרעיון של סוללה קוונטית אינו חדש: הוא הוצע לראשונה בסביבות שנת 2013, ומאז הוצגו מודלים תיאורטיים והדגמות חלקיות. עם זאת, אף אחד מהעיצובים הללו לא הצליח לשלב את כל שלבי מחזור הפעולה לתוך התקן מעשי אחד. או שהטעינה הודגמה, אך לא נמצאה דרך שימושית להפיק את האנרגיה, או שהתנאים הנדרשים (כגון טמפרטורות קיצוניות) התבררו כלא מציאותיים.
הצוות של קוואץ' עוסק ברעיון זה מאז 2018. בשנת 2022 הם הציגו אב טיפוס ראשון שהדגים בניסוי את התנהגות הטעינה המואצת ככל שהגודל גדל, באמצעות מיקרו-חלל אורגני מורכב ביותר - מבנה שכבתי שלכד אור בצורה מסוימת מאוד. גרסה זו, לעומת זאת, חסרה מנגנון יעיל להמרת האנרגיה הלכודה לזרם חשמלי שמיש.
בעבודתם החדשה, החוקרים נקטו בצעד הבא: הוספת שכבות נוספות למכשיר המאפשרות לו להמיר את האנרגיה המאוחסנת לחשמל . בדרך זו, האבטיפוס הנוכחי יכול לא רק לטעון ולאחסן את האנרגיה לזמן מוגבל, אלא גם לפרוק אותה כזרם חשמלי, ולהשלים את מחזור הפעולה בפועל של סוללה.
כיצד בנויה סוללת הקוונטים וכיצד היא פועלת
האבטיפוס שהפך ויראלי הוא למעשה מכשיר אורגני זעיר המורכב משכבות מרובות , המסודרות במעין "כריך" ננומטרי. עיצוב זה ידוע כמיקרו-חלל אורגני והוא תוכנן במיוחד לתקשר עם אור לייזר ביעילות רבה.
הטעינה מתבצעת באופן אלחוטי: קרן לייזר פוגעת במכשיר והאנרגיה שלה נספגת כמעט באופן מיידי , במה שהחוקרים מתארים כפרק של "ספיגה-על". במקום שכל יחידת סוללה פנימית תספוג אור באופן עצמאי, המערכת מתנהגת כשלם קוהרנטי, בולעת אנרגיה באופן קולקטיבי ובמהירות רבה.
לאחר שהמערכת מעוררת, האנרגיה מאוחסנת במצבים הקוונטיים של הרכיבים האורגניים של המיקרו-חלל , בדומה למה שקורה באטומים כאשר אלקטרון קופץ לאורביטל בעל אנרגיה גבוהה יותר. אנרגיה מאוחסנת זו נשמרת למשך פרק זמן קצר אך מדיד, ולאחר מכן ניתן לחלצה כזרם חשמלי באמצעות השכבות שנוספו לגרסה העדכנית ביותר של האב-טיפוס.
כדי להשיג התנהגות זו, הסוללה מסתמכת על אפקטים קוונטיים קולקטיביים . היחידות המיקרוסקופיות המרכיבות אותה (תאים קוונטיים) אינן מתפקדות כבלוקים קטנים ומבודדים, אלא כמערכת אחת ומתואמת שבה כל האלמנטים קשורים זה לזה באופן הדוק. צימוד זה מביא לדינמיקת טעינה ספציפית מאוד.
התוצאה היא שככל שמספר התאים הקוונטיים גדל, לא רק שקיבולת האנרגיה הכוללת עולה , אלא שגם מהירות הטעינה לכל תא עולה. זה מה שהחוקרים מתארים כהתנהגות "סופר-אקסטנסיבית": עוצמת הטעינה גדלה מהר יותר מגודל הסוללה.
התופעה המרכזית: גודל גדול יותר, זמן טעינה קצר יותר
עם סוללות ליתיום-יון או עופרת-חומצה, כפי שכל משתמש יודע, ככל שהקיבולת גבוהה יותר, כך זמן הטעינה ארוך יותר . טלפון נייד עם סוללה גדולה לוקח הרבה יותר זמן להגיע ל-100% מאשר טלפון עם סוללה קטנה, ומכונית חשמלית דורשת שעות לטעינה מלאה, בעוד שמיכל דלק יכול להתמלא תוך דקות ספורות בלבד.
סוללות קוונטיות סותרות לחלוטין את האינטואיציה הזו. בשל השפעות הסופרפוזיציה והשזירה, התאים הקוונטיים המרכיבים את הסוללה נהנים מעבודה משותפת . ככל שיותר תאים מקושרים במכשיר, כך גדל שיפור מהירות הטעינה הקולקטיבית. מכאן טענת החוקרים: סוללות קוונטיות נטענות מהר יותר ככל שהן גדולות יותר.
באב הטיפוס הנוכחי, הזמנים שנמדדו מדהימים: טעינה מתרחשת בסדר גודל של פמטו-שניות (10⁻¹⁵ שניות), בעוד שהאנרגיה המתקבלת מאוחסנת למשך ננו-שניות (10⁻⁹ שניות). ישנו הבדל של כשישה סדרי גודל בין שני הנתונים הללו.
ג'יימס קוואץ' עצמו ממחיש זאת באמצעות דוגמה גרפית מאוד: אם סוללה קונבנציונלית הייתה נטענת בדקה אחת, יחס זה של שישה סדרי גודל היה מרמז שהיא תוכל להישאר טעונה במשך כשנתיים . במעבדה, הערכים המוחלטים עדיין זעירים, אך חוסר ההתאמה בין זמן הטעינה לזמן שמירת האנרגיה הוא מה שמרגש באמת את הקהילה המדעית.
קיבולות האנרגיה שהושגו על ידי האב טיפוס עדיין קטנות מאוד, בסדר גודל של מיליארדי אלקטרון-וולט , נתון שאמנם מרשים, אך אינו עומד בציפיות כאשר מתורגם אותו לצורכי האנרגיה של מכשיר אלקטרוני אמיתי. אף על פי כן, כהוכחת היתכנות, הפרויקט מדגים כי תופעת הטעינה המהירה במיוחד והאחסון קצר אך יעיל אפשריים בסביבה ניסיונית בטמפרטורת החדר.
מגבלות ואתגרים נוכחיים שיש לפתור
למרות ההתלהבות, החוקרים עצמם מתעקשים שסוללות קוונטיות עדיין רחוקות משימוש מסחרי . כמות האנרגיה שהאב-טיפוס יכול לאגור היא זעירה, והזמן שהוא שומר על אנרגיה זו נמדד בננו-שניות - שבריר שנייה שהופך את זה לבלתי אפשרי לחלוטין להפעיל טלפון נייד, מחשב או מכונית חשמלית בטכנולוגיה הנוכחית.
אחד האתגרים העיקריים הוא להבטיח שמצבים קוונטיים יישארו יציבים לנוכח הפרעות סביבתיות. כל שינוי קטן בטמפרטורה, רטט או רעש אלקטרומגנטי יכול לגרום לדקוהרנטיות - כלומר, לשבור את הקואורדינציה הקוונטית העדינה המאפשרת ספיגה-על ופריקה יעילה.
במילותיו של הצוות, הצעד הבא הוא להגדיל את גודל המכשיר ולהאריך משמעותית את זמן שמירת הטעינה שלו . המטרה הסופית היא לבנות עיצובים היברידיים המשלבים את הטוב שבשני העולמות: מהירות הטעינה הקוונטית עם החוסן וקיבולת האחסון של סוללות מסורתיות.
דאגה נוספת היא פיזור אנרגיה במהלך תהליכי טעינה ופריקה . במערכת קוונטית אמיתית, הפסדים עקב אינטראקציה עם הסביבה יכולים לבטל את היתרונות התאורטיים בפועל. השגת ארכיטקטורות הממזערות הפסדים אלה היא אחד מתחומי המחקר הפעילים ביותר.
בנוסף לעבודה ניסיונית באוסטרליה, קבוצות תיאורטיות במדינות אחרות, כמו סין, מתמקדות במציאת מסגרות מושגיות כדי להפוך סוללות קוונטיות לחזקות יותר . בין תחומי המחקר הללו, בולט השימוש ברעיונות מטופולוגיה לתכנון סוללות קוונטיות יציבות יותר.
טופולוגיה וסוללות קוונטיות: התרומה התיאורטית מסין
בעוד שקבוצתו של קוואץ' מתקדמת במעבדה, צוותים אחרים עובדים על הצד התיאורטי כדי להתגבר על מגבלות מעשיות. חוקרים ממרכז RIKEN לחישוב קוונטי ומאוניברסיטת הואז'ונג למדע וטכנולוגיה הציעו תכנון של סוללה קוונטית טופולוגית שמטרתה להשיג העברת אנרגיה כמעט מושלמת וחסינות רבה יותר לפיזור.
בניתוח שלהם, שפורסם ב- Physical Review Journals , הם מתארים מודל המבוסס על מוליכי גל פוטוניים ואטומים דו-מפלסיים, שבהם התכונות הטופולוגיות של המערכת מאפשרות לאנרגיה לנוע מקצה אחד לשני עם הפסדים מינימליים. גישה זו מנצלת מבנים שנשארים בלתי משתנים תחת עיוותים קטנים , מה שהופך את תהליך הטעינה והפריקה לעמיד יותר בפני פגמים בעולם האמיתי במכשיר.
לדברי המחברים, ניתן למצוא תצורות בהן המערכת הופכת לחסינה כמעט לחלוטין מפני פיזור , אחד האויבים העיקריים של סוללות קוונטיות. אם ניתן יהיה לתרגם עיצובים מסוג זה מהתחום התיאורטי למכשירים פיזיקליים, ניתן יהיה להתגבר על חלק מהמחסומים המונעים כיום את המעבר מאבות טיפוס זעירים לסוללות קוונטיות עם יישומים מעשיים.
ז'י-גואנג לו, המחבר הראשי של המחקר, מדגיש כי קו מחקר זה מציע הנחיות ברורות לאופטימיזציה של ביצועי סוללות קוונטיות בתנאים מציאותיים . המטרה הסופית היא להאיץ את המעבר ממודלים אידיאליים להתקני אחסון מיקרו-אנרגיה שיכולים לפעול מחוץ למעבדה.
מאמץ תיאורטי זה משלים את העבודה הניסויית של צוותים כמו זה האוסטרלי, ויוצר מערכת אקולוגית מחקרית שבה התיאוריה מנחה עיצובים חדשים של אבות טיפוס , ובתורם, תוצאות מעשיות מספקות משוב ומתאימות את המודלים המתמטיים.
יישומים פוטנציאליים: ממחשוב קוונטי ועד מכוניות חשמליות
מחשבים קוונטיים פועלים תחת אותם חוקים פיזיקליים השולטים בסוללות קוונטיות, והם דורשים מקורות כוח מדויקים ויעילים ביותר כדי להזין את הרכיבים הרגישים שלהם. סוללה קוונטית שתוכננה במיוחד עבור מערכות אלו תוכל לספק כוח קוהרנטי בצורה אופטימלית, תוך הפחתת הפסדים והפרעות המשפיעים על הקיוביטים.
מומחים כמו אנדרו ווייט, מנהל מעבדת טכנולוגיה קוונטית באוניברסיטת קווינסלנד , הדגישו כי מכשירים מסוג זה עשויים להיות החלק החסר הדרוש למחשוב קוונטי כדי להתרחב למכונות גדולות ושימושיות יותר. העובדה שכבר קיים אב טיפוס עובד מדגימה שסוללת הקוונטים אינה עוד ספקולציה בלבד.
במבט רחוק יותר, חוקרים צופים יישומים כגון טעינה אלחוטית של רחפנים בטיסה או כלי רכב שנטענים תוך כדי נהיגה . יכולתה של סוללה קוונטית לספוג אור לייזר מרחוק, ללא חוטים, פותחת את הדלת לתרחישים שבהם תשתית הטעינה תהיה שונה מאוד ממה שהיא כיום.
ג'יימס קוואץ' אף חזה עתיד שבו מכוניות חשמליות לא יצטרכו להיטען בנקודה קבועה ; במקום זאת, אנרגיה מסופקת באופן דינמי בזמן שהרכב בתנועה. כמובן, כל זה תלוי בטכנולוגיה שתתגבר על מחסומי הגודל והיציבות העצומים העומדים בפניה.
הבדלים בין סוללות ליתיום-יון ויתרונות אפשריים
סוללות ליתיום-יון הן כיום הסטנדרט דה פקטו בטלפונים ניידים, מחשבים ניידים ומכוניות חשמליות, אך הן מגיעות עם מגבלות ידועות : זמני טעינה ארוכים יחסית, התדרדרות עם מחזורי טעינה, סיכוני התחממות יתר ומגבלות קיבולת שמאלצות את החיפוש אחר חלופות יעילות יותר.
בתיאוריה, סוללה קוונטית יכולה להציע טעינה מהירה בהרבה ויעילות רבה יותר בחילוץ עבודה שימושית מאנרגיה מאוחסנת. על ידי הסתמכות על תופעות קוונטיות במקום תהליכים כימיים איטיים, מהירות הטעינה לא תוגבל על ידי נדידת יונים, וההספק המיוצר ליחידת נפח יכול להיות גבוה משמעותית.
יתרון פוטנציאלי נוסף הוא שאם יתכננו נכון, סוללות קוונטיות יוכלו לפעול בטמפרטורת החדר ללא צורך בקריוגניות קיצוניות, גורם מכריע לאימוץ נרחב שלהן. האב טיפוס האוסטרלי כבר עובד בתנאי סביבה, מה שמראה שלפחות בקנה מידה קטן, סביבה אקזוטית אינה הכרחית כדי שאפקטים אלה יתבטאו.
יתר על כן, האפשרות של טעינה אלחוטית ארוכת טווח באמצעות לייזרים תשנה באופן קיצוני את האופן שבו אנו חושבים על תשתית טעינה. דמיינו תחנות טעינה לייזר מבוזרות המפעילות רחפנים, חיישנים מרוחקים או כלי רכב, ומפחיתות את הצורך בכבלים, תקעים וזמן השבתה ממושך.
עם זאת, מומלץ לנקוט משנה זהירות: יתרונות אלה, לעת עתה, הם הבטחות מותנות, המותנות בכך שהטכנולוגיה תהיה ניתנת להרחבה מבלי לאבד תכונות קוונטיות מרכזיות . עד שיושגו מכשירים בעלי קיבולות אחסון שימושיות וזמני שמירה ארוכים משמעותית על אנרגיה, הם יישארו השלמה מעבדתית, ולא תחליף מיידי לסוללות הקיימות.
עבודתם של צוותים שונים ברחבי העולם, מאוסטרליה ועד סין, מראה כי תחום הסוללות הקוונטיות נכנס לשלב של בגרות מדעית . אבות טיפוס פונקציונליים ראשונים ומודלים תיאורטיים מתקדמים מצביעים על כך שלא מדובר רק במדע בדיוני, אלא בטכנולוגיה בעלת פוטנציאל ממשי, אם כי עדיין מוגבל לקני מידה קטנים מאוד.
כיום, מצבן של סוללות קוונטיות מזכיר את מצבם של מחשבי הקוונטים המוקדמים: עדיין מכשירים צנועים וטמונים באתגרים טכניים , אך כבר חצו את הגבול בין רעיון תיאורטי לניסוי מוחשי. אם חוקרים יצליחו לשפר את היציבות, להגדיל את הקיבולת ולתרגם עיצובים טופולוגיים מנייר לשבב, נוכל לראות, בעשורים הקרובים, את תפיסת הסוללות משתנה באופן עמוק לא פחות משינוי תפיסת המחשבים עצמם.
