اليابانيون يكسرون الحاجز الكوني لهدر الطاقة عبر فيزياء الكم – آخر أخبار 2025

ترتفع حرارة محرك سيارتك بشكل واضح عند تشغيله لفترة طويلة، وهذا الأمر ينطبق على معظم الأجهزة، مثل التلفاز، الحواسيب، الهواتف، ومصابيح الإضاءة، إذ تُهدَر كميات هائلة من الحرارة يوميًا بدون استثمار فعلي. يتساءل كثير من الباحثين اليوم عمّا إذا كان من الممكن استعادة جزء من هذه الحرارة المهدرة من مليارات الأجهزة حول العالم، وفي ظل أزمة الطاقة المتزايدة، يبرز هذا السؤال كأحد أهم التحديات. تظهر دراسة حديثة في دورية “كوميونيكيشنز فيزيكس” التابعة لمؤسسة “نيتشر” العلمية بوادر تغيّر جذري في كيفية التعامل مع الحرارة المهدرة، وهو ما قد يفتح آفاقًا جديدة في فيزياء الطاقة الحرارية.

تحليل كفاءة محركات الحرارة المهدرة في الأجهزة الحالية

كفاءة محركات الحرارة المهدرة لا تزال بدائية إلى حد بعيد؛ فطبقًا لما يوضحه أحمد قاسم، باحث في جامعة فرجينيا كومنولث، تضيّع محركات السيارات نحو 60% من الطاقة المستهلكة في شكل حرارة تنتقل عبر العادم وأنظمة التبريد، على الرغم من الحاجة المتزايدة لاستخدام هذه الطاقة. وتُعد ظاهرة الهدر الحراري هذه تراكمية على نطاق العالم، إذ يعادل حجم الطاقة المهدرة سنويًا استهلاك 15 دولة كاملة، مما يعكس تحديًا فيزيائيًا عميقًا مرتبطًا بحدّ كارنو؛ وهو مبدأ وضعه المهندس الفرنسي سادي كارنو عام 1824 لتحديد الحد الأقصى للكفاءة الممكنة لتحويل الحرارة إلى شغل مفيد بناءً على فرق درجات الحرارة بين المصدر الساخن والبارد.

يدفع هذا المبدأ إلى أن الطاقة الحرارية التي تتحول إلى اهتزازات عشوائية للذرات ستبقى غير قابلة للاستخدام بشكل عملي. في محركات السيارات، يحدث الاحتراق داخل الأسطوانات حيث يرتفع الهواء وينتقل عبر المكابس المحركة للعجلات، لكن كمية كبيرة من الحرارة الناتجة تفقد دون استفادة حقيقية؛ لأن كفاءة نقل الحرارة من الجزء الساخن إلى البارد محدودة للغاية. يحاول المهندسون زيادة الفرق بين درجة حرارة المنطقتين لتعزيز الكفاءة، ولكن تعدد عوامل مثل ارتفاع حرارة الماكينة بالكامل يقلل هذا الفرق، مما يجعل المحرك يفقد قدرته على توليد الحركة إذا فشل نظام التبريد في العمل بشكل صحيح.

تحدي تجاوز حدّ كارنو باستخدام فيزياء الكم للطاقة المهدرة

لم يتمكن العلماء تقليديًا من تجاوز حدّ كارنو رغم تطور التقنيات على مدى قرنين، غير أن الدراسة الحديثة تستعرض ثورة في مجال فيزياء الكم من خلال استغلال حالة تعرف بسائل توموناغا-لوتينجر. هذه الحالة الكمومية تتميز بتحرك الإلكترونات في بعد واحد، مما يمنع انتشار الحرارة بطريقة عشوائية، وبالتالي تبقى الطاقة في شكل منظمة وقابلة للاستثمار. يوضح أحمد قاسم أن هذه الظاهرة تشبه انقسام الماء إلى طبقات ساخنة وباردة تحافظ على التباين الحراري، على عكس توازن الحرارة العادي الذي يبدد الطاقة بسرعة.

تتضمن الظاهرة تفكك الإلكترون إلى جزأين مستقلين، شحنة ولف مغزلي، يتحرك كل منهما بسرعات مختلفة، ما يعزز ثبات طاقة الطاقة المنتظمة وعدم اختلاطها. توشيماسا فوجيساوا من معهد طوكيو للعلوم يؤكد أن النتائج تدعم إمكانية تطبيقات السائل الكمومي في تصميم أنظمة جديدة لحصاد الطاقة من الحرارة المهدرة، ما يبشر بمرحلة جديدة في تحويل الحرارة إلى شغل له كفاءة غير مسبوقة.

محرك طاقة حجم الذرة لاستغلال الحرارة المهدرة بكفاءة

تعتمد التجربة المجراة على نقطة كمومية، وهي جزيء نانوي يعمل كمرشح للطاقة بدقة متناهية، ويشكل وحدة تحويل طاقة ميكروية. يسمح هذا الجهاز بمرور الإلكترونات ذات طاقات محددة فقط، مما يجعله وسيلة فعّالة للغاية لاستغلال الطاقة الحرارية المهدرّة. عندما تصطدم الإلكترونات الساخنة بالنقطة الكمومية، يتم التقاطها ثم إطلاقها بطاقة أقل، مما يحول الفرق إلى تيار كهربائي، وهو ما يشبه شحن بطارية صغيرة بواسطة الحرارة.

أظهرت التجارب مقارنة بين الحالة الحرارية العشوائية والنظام الكمومي حيث وصل الجهد الناتج في الحالة الكمومية إلى 130 ميكروفولتا مقابل 50 ميكروفولتا في الحالة العادية، مما يعكس ارتفاعًا بنسبة 160% في الطاقة الكهربائية، ويتجاوز كفاءة حدّ كارنو التقليدي. هذه النتائج تفتح آفاقًا لتحويل حرارة الحواسيب الكمومية والأجهزة الإلكترونية إلى طاقة فعالة، إذ يشير قاسم إلى أن هذا التطور يمثل ثغرة فريدة تتيح العمل خارج إطار القواعد التقليدية للفيزياء الحرارية.

تشير هذه النتائج إلى إمكانية تطوير تقنيات قادرة على استعادة جزء كبير من الطاقة المهدرة عبر الأجهزة المختلفة، بدءًا من محركات السيارات وأنظمة العادم، مرورًا برقائق الحواسيب حيث تؤدي حرارة التشغيل المرتفعة إلى زيادة استهلاك التبريد، وصولًا إلى محطات توليد الطاقة التي تهدر أكثر من 60% من الطاقة على شكل حرارة. إن تقليل هذا الهدر سيسهم بشكل كبير في خفض استهلاك الطاقة وتقليل انبعاثات الكربون عالميًا، ما يفتح الطريق لعصر جديد من محركات ومولدات حرارية أكثر كفاءة، وأنظمة طاقة تحوّل ماهية استخدامنا للطاقة.

يمثل هذا الاكتشاف نقلة نوعية في تاريخ الطاقة؛ إذ يعزز مفهوم تحويل الطاقة المهدرّة إلى شكل قابل للاستغلال، مما قد يدفع حاجز الكفاءة إلى ما هو أبعد من الحدود التي ظننا أنها نهائية. ويبقى المستقبل مفتوحًا لتطوير هذه التقنية على نطاق واسع، حيث قد ترى البشرية تحولًا جذريًا في طريقة تعاملها مع الطاقة، ينتقل بها من مجرد هدر إلى مستوى جديد من الاستدامة والوفرة.