دورة الشحن

بركة الطين التي تجف تتغطى بالشقوق، مثل لوحة قديمة تشققت طبقة طلائها. في البداية تتلاقى الشقوق بزاوية قائمة تقريباً، مشكّلة شبكة خشنة. لكن إذا بللنا الطين مرة أخرى وتركنا يجف، يتغير النمط: تبدأ الشقوق بالتلاقي ثلاثاً ثلاثاً، بزاوية 120 درجة، كما في خلايا النحل. ظلّ سبب ذلك لغزاً مدة طويلة. بنى علماء من جامعة أوساكا نموذجاً حاسوبياً يحاكي دورات الجفاف والترطيب.

أي بطارية — من بطارية الإصبع إلى البطارية الكمومية — بسيطة في جوهرها: هناك مخزون من الطاقة، وهناك طريقة لاستخراجها. في العالم الكمومي، تبدو هذه "الطريقة" كانقلاب دقيق بين حالات الجسيم، يشبه نقل كرة من رف مرتفع إلى رف منخفض. لكن إذا كانت الرفوف كثيرة وموزعة بشكل معقد، فقد يبقى جزء من الطاقة محبوسًا — تقريبًا مثل الماء في أنبوب منحنٍ لا يمكن تفريغه بالكامل دون إمالة البنية بأكملها.

بطاريات السيارات الكهربائية المستعملة تتصرف كموسيقيين متقلبين: واحدة تعزف بصوت أعلى، وأخرى بصوت أخفض، وثالثة تفقد تناغمها دون سبب. تجميع بطارية منها عشوائياً يعني الحصول على نشاز: بعض الخلايا تتعرض لحمل زائد، وأخرى تبقى عاطلة، ويتعطل النظام بسرعة. حوّل المهندسون هذه المشكلة إلى مهمة لقائد الأوركسترا.

عزفت أوركسترا من مليارات ذرات السيزيوم نغمة واحدة — واستمرت في الرنين لمدة 17 ساعة دون أن تخفت. وهذا ليس مبالغة: فقد صنع فيزيائيون صينيون بلورة زمنية مستمرة بعمر قياسي. البلورة الزمنية هي نظام يكسر تناظر الزمن، وينبض تلقائياً بإيقاع ثابت لا يتغير. الساعات العادية تحتاج إلى تعبئة؛ أما هنا فإن تجمع الذرات نفسه يولّد اهتزازات غير متلاشية.

تخيل بندولين معلقين على خيط مشترك: ادفع أحدهما، وسيبدأ الآخر بالتأرجح، وبعد لحظة يتلقى الأول دفعة استجابة. في ذرة الثوريوم-229 يحدث شيء مشابه: الطاقة تنتقل بين الغلاف الإلكتروني والنواة تقريبًا دون فقدان.

نواة الذرة تشبه نابضًا طبيعيًا ذا قوة هائلة. عندما تعيد البروتونات والنيوترونات داخلها ترتيب نفسها، تنتقل النواة إلى حالة خاصة طويلة الأمد تُسمى أيزومر نووي. فيه تُختزن الطاقة كما لو أن النابض مضغوط إلى أقصى حد. ولإعداد هذه الآلية، تُضرب النواة بنبضة فائقة القصر من ليزر الأشعة السينية، مع ضبط الضربة بدقة لتكون في رنين.

شيخوخة البطارية تشبه إجهاد المعدن: الشق ينضج في الداخل قبل وقت طويل من كسر الجزء. عادةً ما نعرف المشكلة عندما تنخفض السعة إلى أقل من 80٪ — ولكن بحلول ذلك الوقت تكون الأضرار غير قابلة للإصلاح. تعلم مؤلفو العمل ملاحظة العلامات الأولى للتآكل من القياسات العادية التي يقوم بها جهاز الشحن نفسه: الجهد والتيار ودرجة الحرارة والمقاومة في كل دورة.

البطارية الكمومية ليست صندوقًا يحتوي على مواد كيميائية، بل سلسلة من المغناطيسات الصغيرة (السبينات) قادرة على تخزين الطاقة. حيلتها الرئيسية: شحن العديد من الجسيمات في وقت واحد باستخدام التشابك الكمومي (quantum entanglement). لكن هناك مشكلة — ليس كل تشابك مناسب. يطلق الفيزيائيون على «السحر» (أو اللاثباتية) خاصية خاصة بدونها لا يمكن للحاسوب الكمومي أن يتفوق على الحاسوب العادي.

الثقوب السوداء ليست أبدية: إنها تفقد الطاقة ببطء، وتطلق الإنتروبيا — مقياس المعلومات الخفية — على شكل حرارة. تنبأ بهذه العملية ستيفن هوكينغ. لكن ظل لغزاً ما الذي يحدث في النهاية، عندما يختفي الثقب تقريباً ويجب أن يعيد البيانات المحتجزة. الآن أظهر الفيزيائيون: بعد تبخر الكتلة الرئيسية، يتبقى ثقب أبيض صغير.

البطارية العادية في الهاتف تتنفس — لكن ليس الهواء، بل التلامس. داخل جسم صلب لا سوائل فيه، يضغط الليثيوم على الإلكتروليت (المادة الموصلة للأيونات) أثناء الشحن، وينسحب عنه أثناء التفريغ، مثل الرئتين عند الشهيق والزفير. هذا «التنفس» ليس شعرًا، بل فيزياء: كل دورة تولد وتقتل نقاط التلامس التي يمر عبرها التيار.

الملقط البصري هو شعاع ليزر يمسك بذرة في نقطة واحدة، كما تمسك الأصابع بحبة البازلاء. من هذه الملاقط تُبنى شبكات كاملة من الذرات، وهي أساس أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية. لكن هناك مشكلة: لا تدخل الذرة إلى كل ملقط. عادةً، تمتلئ نصف المصائد فقط، وبالنسبة للجزيئات تكون النسبة أقل من ذلك. الأماكن الفارغة تكسر البنية بأكملها.

مصير الحضارة ليس مجرد مسألة حظ أو كوارث. قام العلماء بنمذجة ألف عام من التاريخ في عشرة سيناريوهات مختلفة، آخذين في الاعتبار استهلاك الموارد، والإدارة، والصدمات العشوائية. وتبين أن المقياس الرئيسي هو «معامل النشاط» — أي نسبة الوقت الذي تكون فيه الحضارة حيةً تقنيًا. في أفضل الأحوال تقترب هذه النسبة من 100%، وفي أسوأ الأحوال تنخفض إلى 38%.

في البطاريات الكمومية، يمكن تسريع الشحن إذا أُعيد ترتيب خطواته في الزمن مثل قطع الأحجية. فبدلاً من النمو المنتظم للطاقة، تحدث انفجارات حادة في الكفاءة، مثل مستعرات عظمى مجهرية داخل الذرات. وتتكرر هذه الدفقات بدقة النجوم النابضة الكونية، لكن بمعدل أسرع بمليارات المرات.

خيط معدني بسمك شعرة يخترق السيراميك كما يخترق الجذر الأسفلت. في البطاريات ذات الحالة الصلبة، تُسمى هذه الخيوط بالتشعبات، وتظهر عندما يتجاوز تيار الشحن العتبة الحرجة. الإلكتروليت الخزفي صلب لكنه هش مثل الزجاج. ينمو التشعب من عيب موجود مسبقًا على السطح البيني بين المعدن والسيراميك: إذا كان فتح الشق أرخص من دفع التيار حول العائق، يترسب المعدن مباشرة على طرف الخيط.

كرة زجاجية صغيرة تطفو في شعاع ليزر، مثل ذرة غبار في ضوء الشمس. بداخلها رصاص مشع يضمحل من وقت لآخر. كل اضمحلال يطرد جسيمات مشحونة، فتفقد الكرة أو تكتسب شحنة كهربائية ضئيلة. أجبر العلماء الكرة على الاهتزاز في مجال كهربائي متناوب، ومن هذه الاهتزازات حسبوا شحنتها ألف مرة في الثانية. وبجانبها كاشف يلتقط الجسيمات المنطلقة.

تعمل البطارية الكمومية كإسفنجة تمتص الضوء، لكنها لا تطلقه دون عصرها بقوة. كان الإلهام من مصائد الطاقة الشمسية الطبيعية للبكتيريا: إذ تلتقط فوتونات الشمسية وتنقل الطاقة بلا ضياع يُذكر، كما أثبت المطيافية. أعاد الفيزيائيون هذه الآلية بجمع الذرات في حلقة ووضعها داخل مرنان مرآوي.

البطارية الليثيومية تشبه منزلاً فيه مخزن: عند الشحن، يدخل الليثيوم إلى الداخل، وعند التفريغ يخرج. ولكن إذا امتلأ المخزن بالفوضى، يبقى جزء من الليثيوم في الداخل إلى الأبد. ويعتمد مقدار الليثيوم الذي يعود على المعدن الذي صنعت منه جدران المخزن. أخذ مؤلفو الدراسة أربعة معادن: الألومنيوم، والمغنيسيوم، والفضة، والنحاس. كل واحد منها يمتص الليثيوم بطريقته الخاصة.

هاتفان ببطاريتين متماثلتين: أحدهما يُشحن في قبو بإشارة ضعيفة — فتسير العملية أبطأ. نسبة الشحن هنا تؤدي دور عقرب الساعة. انتقل الفيزيائيون بهذا المنطق نفسه إلى العالم الكمومي. ساعتهم هي بطارية مجهرية تُراكم الطاقة. تعتمد سرعة الشحن على «نمط» كمومي خفي — تماماً كمفتاح تبديل.

في البطارية العادية يوجد قطبان: الأنود والكاثود. في البطاريات الصلبة (حيث يكون الإلكتروليت صلبًا وليس سائلًا) يسعى المهندسون إلى الاستغناء عن الأنود كقطعة منفصلة: عندها تصبح البطارية أخف ويمكنها تخزين طاقة أكبر. الفكرة هي أنه أثناء الشحن، يترسب المعدن — مثل الليثيوم أو الصوديوم — على الملامس في طبقة منتظمة، وأثناء التفريغ يذوب تمامًا عائدًا.

البطارية الكمومية هي جهاز يخزن الطاقة في الحالات الكمومية للجسيمات. في العمل الجديد، تمت نمذجة البطارية بزوج من الكيوبتات (qubits) — أصغر ناقلات المعلومات، التي يمكن أن تكون في حالة "صفر" أو "واحد" أو خليط منهما. كيوبت واحد يخزن الطاقة، والثاني يعمل كجهاز شحن متصل بالبيئة الخارجية — الخزان.

المنغنيز هو طوب الجدار، والزنك ضيف يأتي وينحشر بينها. إذا جلس الضيف بشكل غير مريح، فإنه يدفع الطوبة خارج البناء. هذا ما يحدث تقريبًا في بطارية الزنك-أيون: أثناء التفريغ، تندمج أيونات الزنك في الشبكة البلورية لأكسيد المنغنيز، ويبدأ المنغنيز بالتسرب إلى المحلول. حسب العلماء مدى ملاءمة الطاقة لمغادرة المنغنيز لمكانه، ووجدوا أنه في الطور المفرغ (ZnMn$$_2$$O$$_4$$) يحدث ذلك بسهولة.

الصوديوم هو جار الليثيوم في الجدول الدوري، لكنه أكثر وفرة في القشرة الأرضية بمئات المرات وأرخص بكثير. لذلك يمكن لبطاريات الصوديوم أن تحل محل بطاريات الليثيوم في السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة. المشكلة أن الصوديوم أكبر حجمًا من الليثيوم، ويجد صعوبة أكبر في اختراق الشبكة البلورية للكاثود. المادة تتعب بسرعة، وتنخفض السعة.

قطعة كروم في الهواء تُغطى خلال دقيقة بدرع غير مرئي — طبقة أكسيد. تحمي هذه الطبقة المعدن من الصدأ، لكنها كارثة للبطارية: فهي لا تسمح بمرور أيونات الكروم، فلا يتدفق التيار. مزج العلماء خمسة معادن — الكروم والبزموت والنحاس والقصدير والنيكل. فنتجت سبيكة يتشكل عند أكسدتها ليس درع متصل، بل فسيفساء من أكاسيد مختلفة.

البطارية الكمومية ليست صندوقاً فيه إلكتروليت، بل حفنة من الذرات أو الدوائر فائقة التوصيل، تُخزن الطاقة في حالات مثارة. يمكن شحنها في أجزاء من الثانية باستخدام التأثيرات الكمومية الجماعية. لكن بمجرد أن تجد البطارية نفسها في العالم الحقيقي، تبدأ الطاقة بالتسرب على شكل حرارة: الإنتروبيا القصوى (ergotropy)، أي أقصى شغل يمكن استخراجه من حالة كمومية، تتبدد بشكل غير قابل للعكس.