انقلابی در دنیای انرژی: اولین موتور کوانتومی بدون نیاز به گرما یا سوخت

در سال‌های اخیر، فناوری کوانتومی توجه بسیاری را به خود جلب کرده است؛ از کامپیوترهایی که از ویژگی‌های اتمی بهره می‌برند تا هارددیسک‌هایی که اطلاعات را در حالت‌های غیرعادی نگهداری می‌کنند. اکنون، موتوری جدید که قوانین قدیمی را پشت سر گذاشته، به این فهرست اضافه شده است. به تازگی گروهی از دانشمندان در پژوهشی اولین طرح تئوری موتور کوانتومی را معرفی کرده‌اند که از درهم تنیدگی کوانتومی ایده می‌گیرد.

اگر شما هم اندکی با دنیای کوانتوم یا معنای درهم تنیدگی کوانتومی آشنا باشید احتمالاً برای یک بار هم که شده، ایده یک انتقال انرژی خالص یا داده بین دو ذره در هم تنیده از سرتان گذشته است. اما ساخت موتور کوانتومی چطور؟ اگر دنیا بتواند به یک موتور کوانتومی واقعی دست پیدا کند بدون شک این موتور می‌تواند برخلاف ماشین‌های سنتی، بدون احتراق سوخت و وابستگی به گرما کار کند. نیروی محرکه این موتور هم می‌تواند از رفتارهای عجیب و شگفت‌انگیز ذرات کوچکی ناشی شود که هیچ محدودیتی در دستیابی به آنها نیست!

مبانی طرحی که در این مطلب قصد صحبت در مورد آن را داریم، بر اساس مکانیک کوانتومی بنا شده است؛ شاخه‌ای از علم که نه به اجسام بزرگ، بلکه به کوچک‌ترین مقیاس‌ها مانند اتم‌ها، مولکول‌ها و ذرات زیراتمی می‌پردازد. این فناوری باعث ظهور ابزارهایی جدید شده که توانایی حل مسائلی را دارند که پیش‌تر حتی به ذهن هم نمی‌رسید.

سرآغاز موتور کوانتومی

بنابر گزارش Earth.com، دانشمندان موسسه علوم و فناوری اوکیناوا (OIST) به همراه گروه‌هایی از دانشگاه‌های کایزرسلاترن-لاندو و اشتوتگارت، موتوری طراحی کرده‌اند که بر خلاف موتورهای پر سر و صدای خودروها عمل می‌کند. آن‌ها از یکی از اصول بنیادی مکانیک کوانتومی بهره گرفتند: درهم‌تنیدگی کوانتومی.

درهم‌تنیدگی کوانتومی مفهومی است که دهه‌هاست ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده است. به بیان ساده درهم‌تنیدگی کوانتومی (Quantum Entanglement) پدیده‌ای در مکانیک کوانتومی است که طی آن دو یا چند ذره به‌طور غیرقابل‌جداشدنی به یکدیگر مرتبط می‌شوند، به طوری که وضعیت یک ذره (مانند اسپین (چرخش) یا موقعیت) به‌طور آنی بر وضعیت ذره دیگر تأثیر می‌گذارد، حتی اگر فاصله زیادی بین آن‌ها باشد. این پدیده به‌قدری عجیب است که آلبرت اینشتین آن را «عمل شبح‌وار از فاصله» توصیف کرد.

در دنیای معمولی، هیچ چیزی نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند، اما ذرات درهم‌تنیده طوری به یکدیگر مرتبط هستند که تغییر در یکی به‌طور آنی دیگری را تحت تأثیر قرار می‌دهد، حتی اگر فاصله زیادی بین آن‌ها باشد.

چگونه موتورهای کوانتومی قوانین انرژی را تغییر می‌دهند

در موتورهای سنتی، حرکت پیستون با انبساط گازهای داغ ایجاد می‌شود. اما در موتور کوانتومی، حرکت از طریق تغییر رفتار ذرات حاصل می‌شود.

همه ذرات شبیه به هم نیستند. برخی به دسته‌ای به نام بوزون‌ها تعلق دارند و برخی دیگر به گروه فرمیون‌ها. در دماهای بسیار پایین، بوزون‌ها به حالت‌های انرژی پایین‌تر نسبت به فرمیون‌ها می‌رسند. این اختلاف انرژی نقشی کلیدی دارد. به جای گرما و احتراق، تبدیل بوزون‌ها به فرمیون‌ها و برعکس، می‌تواند کار مکانیکی تولید کند.

در این طراحی، ذرات از طریق تغییراتی در ویژگی‌های کوانتومی خود حرکت می‌کنند و همین تغییرات باعث به‌کار افتادن موتور می‌شود. پروفسور توماس بوش، سرپرست واحد سیستم‌های کوانتومی در این خصوص می‌گوید:

برای تبدیل فرمیون‌ها به بوزون‌ها، می‌توانید دو فرمیون را با هم ترکیب کرده و یک مولکول ایجاد کنید. این مولکول جدید یک بوزون است. با شکستن این مولکول، فرمیون‌ها دوباره بازیابی می‌شوند. با انجام چرخه‌ای این فرآیند، می‌توان موتور را بدون استفاده از گرما به حرکت درآورد.

مزایای فناوری کوانتومی در تولید انرژی پایدار

موتورهای معمولی برای تولید انرژی به سوخت و احتراق وابسته‌اند. اما موتور کوانتومی این مرحله را حذف کرده و تنها با تغییر نوع ذرات و استفاده از اختلاف انرژی ناشی از آن، کار می‌کند.

اگرچه این نوع موتور فقط در شرایط کوانتومی عمل می‌کند، اما تیم تحقیقاتی دریافت که بازده آن در شرایط آزمایشگاهی به ۲۵ درصد می‌رسد.

این نتایج نشان می‌دهند که اثرات کوانتومی تنها پدیده‌هایی عجیب در کتاب‌های درسی نیستند؛ بلکه می‌توانند در شرایط آزمایشگاهی کاربردی نیز باشند. البته همه پژوهشگران اذعان دارند که کاربردهای واقعی این فناوری هنوز دور از دسترس است. دکتر منون توضیح می‌دهد:

با وجود اینکه این سیستم‌ها می‌توانند بسیار کارآمد باشند، ما تنها یک مدل اثبات مفهوم (Proof of Concept) به همراه همکاران تجربی خود ارائه داده‌ایم. همچنان چالش‌های بسیاری در مسیر ساخت یک موتور کوانتومی کارآمد وجود دارد.

موتور کوانتومی و حفظ دمای پایین

دستگاه‌های کوانتومی بسیار حساس هستند و گرما می‌تواند شرایط لازم برای عملکرد آن‌ها را از بین ببرد. حتی یک تغییر دمای جزئی نیز ممکن است کل سیستم را مختل کند.

برای پایدار نگه‌داشتن این موتورها، محیط باید کاملاً سرد و آرام باشد، که خود نیازمند صرف انرژی و تلاش زیادی است. جلوگیری از تولید گرما درون موتور به معنای ایجاد محیطی با شرایطی کاملاً کنترل‌شده است.

از فیزیک تا کاربرد: دنیای عجیب موتورهای کوانتومی

این پژوهش راه را برای تفکر متفاوت درباره نحوه استخراج انرژی از مواد باز می‌کند. به جای تکیه بر روش‌های سنتی، ما را به بازنگری در ماهیت انرژی و نحوه استفاده از آن در منبع اصلی‌اش بدون نیاز به جرقه یا شعله وادار می‌کند.

اگرچه این تحقیقات هنوز در مراحل ابتدایی است، اما پژوهشگران قصد دارند به سؤالات پیچیده‌تری درباره عملکرد موتور در سطح بنیادی پاسخ دهند. آن‌ها امیدوارند این فناوری را به دیگر دستگاه‌ها مانند باتری‌های کوچک یا حسگرهای دقیق متصل کنند.

در حالی که هنوز بخش‌های زیادی از این فناوری نیاز به تکمیل دارند، ایده اصلی به‌طور شفاف مطرح شده است: جهان کوانتومی رفتارهایی را ارائه می‌دهد که در زندگی روزمره قابل مشاهده نیستند.

اگر دانشمندان بتوانند ذرات را پایدار نگه دارند، حالت‌های آن‌ها را کنترل کنند و چرخه‌های هوشمندانه‌ای برای حرکت آن‌ها طراحی کنند، شاید نسل جدیدی از موتورها به وجود آید.

تحقیقات فعلی هرگز به‌دنبال جایگزینی موتورهای خودروها در آینده نزدیک نیست. هدف این نیست که کامیون‌ها و اتوبوس‌های ما با اثرات کوانتومی کار کنند، بلکه هدف، درک بهتر از آنچه ممکن است است.

موتور کوانتومی تا چه حد می‌تواند واقعی باشد؟

مکانیک کوانتومی زمانی چنان عجیب به نظر می‌رسید که تصور نمی‌شد کاربردی داشته باشد. امروزه، این علم کامپیوترهایی را به کار انداخته که با سرعتی فراتر از تصور مسائل را حل می‌کنند و کانال‌های ارتباطی را ایجاد کرده که ممکن است برای هر هکری غیرقابل نفوذ باشند.

افزودن موتور به این فهرست، حتی اگر تنها در آزمایشگاه باقی بماند، دیدگاه ما را نسبت به نحوه عملکرد فناوری تغییر می‌دهد. طبق توضیحی که تیم پشت این پژوهش عنوان کرده، ایده این نیست که ماشینی بسازیم که بهتر از موتور خودرو عمل کند؛ بلکه این است که بفهمیم روش‌های دیگری نیز وجود دارد.

بدون سوزاندن سوخت یا وابستگی به گازهای داغ، ذرات در کوچک‌ترین مقیاس‌ها نوعی انرژی ذاتی دارند. با تبدیل فرمیون‌ها به بوزون‌ها و بالعکس، پژوهشگران نشان داده‌اند که تغییر خود می‌تواند منبع انرژی باشد.

برای کسب اطلاعات تخصصی بیشتر می‌توانید به مقاله‌ای که در این خصوص در نشریه Nature منتشر شده مراجعه کنید.