ما المقصود بالمحرك الحراري الكمي

محرك الحرارة الكمومية هو جهاز يولد الطاقة من تدفق الحرارة بين الخزانات الساخنة والباردة؛ حيث يمكن وصف آلية عمل المحرك بقوانين ميكانيكا الكم، أول إدراك لمحرك الحرارة الكمومية كان في عام 1959.

ما المقصود بالمحرك الحراري الكمي

معظم المحركات المستخدمة في المجتمع الحديث هي محركات حرارية؛ حيث تولد هذه الآلات الحركة عن طريق تحويل الطاقة الحرارية إلى عمل كمي، وهناك رقمان مركزيان لجدارة المحركات الحرارية هما الكفاءة، والتي تُعرّف على أنها نسبة خرج العمل ومدخلات الحرارة والقدرة التي تميز معدل إخراج العمل.

يجب أن تتمتع المحركات الحرارية بكفاءة عالية وإخراج طاقة كبير، وأن تكون مستقرة، أي تعرض تقلبات صغيرة في الطاقة، ومع ذلك تعمل الآلات الحرارية الحقيقية بعيدًا عن الظروف القابلة للعكس، وبالتالي ينخفض ​​أدائها بفعل خسائر لا رجعة فيها.

في الوقت نفسه، تتعرض المحركات المجهرية لتقلبات حرارية، وفي درجات حرارة منخفضة بدرجة كافية لتقلبات كمية إضافية والتي ترتبط بالتحولات العشوائية بين مستويات الطاقة المنفصلة؛ وتساهم كلتا آليتي التذبذب في عدم استقرارهما؛ ويوجد هناك مشكلة مهمة تتمثل في تصميم المحركات الحرارية الصغيرة وتحسينها من أجل تعظيم أدائها واستقرارها.

كيفية عمل المحركات الحرارية الكمية

تم تنفيذ المحركات الحرارية الكمية مؤخرًا باستخدام أيون واحد محاصر ودوران مقترن بحركة أيون واحد؛ حيث تم الإبلاغ عن مؤشرات للتأثيرات الكمية في محرك دوران يتكون من مراكز شغور النيتروجين تتفاعل مع مجال ضوئي.

وقد تم عرض تشغيل محرك الحرارة الكمومية في أنظمة الرنين المغناطيسي النووي والأيون الواحد، تعتمد هذه الآلات الحرارية على المذبذبات التوافقية أو الأنظمة ذات المستويين؛ ويتم محاكاة الحمامات التي تتوسط التبادل الحراري بالتفاعل مع أي من مجالات الليزر أو نبضات الترددات الراديوية.

هناك دورة أوتو كمومية باستخدام نظام شبه دوران كبير في ذرات السيزيوم الفردية مغمورة في حمام حراري كمي مصنوع من ذرات الروبيديوم شديدة البرودة؛ ويتم تنفيذ خطوات التمدد والضغط من خلال تغيير مجال مغناطيسي خارجي وتغيير تباعد مستوى الطاقة للمحرك وأداء العمل.

يحدث التبادل الحراري بين النظامين من خلال تصادمات تبادل السبين غير المرن والطاقة الخارجية، ويسمح العدد المتزايد لحالات المحرك الداخلية مقارنةً بالأنظمة البسيطة ذات المستويين بدورة عالية للطاقة لكل دورة، بينما يحد عددها المحدود بشكل طبيعي من تقلبات الطاقة بسبب التشبع على عكس الطيف غير المحدود للمذبذبات التوافقية.

خصائص المحركات الحرارية الكمية

تمتاز المحركات الحرارية الكمية بتعزيز التماسك الكمي في صنعها؛ حيث دخلت فكرة المحركات الحرارية الكمية لأول مرة في سجلات العلوم منذ ستين عامًا، فعندما أفاد العالم هنري ديريك والعالم إريك أوتو في مختبرات بيل للهاتف، في نيوجيرسي، الولايات المتحدة الأمريكية، بأن “أجهزة الليزر ذات المستويات الثلاثة يمكن اعتبارها حرارة محركات “تعمل بمستويات طاقة منفصلة.

نظرًا لأن الأنظمة الكمومية يمكن أن توجد في حالة تراكب كمي للحالات، كان هناك حتما اهتمام شديد لمعرفة ما إذا كان التماسك الكمي بين حالات الطاقة يمكن أن يزيد من كفاءة المحرك الحراري.

كيف تفوقت محركات الحرارة الكمومية على نظيراتها الكلاسيكية

كان للمحركات الحرارية تأثير كبير على الحياة اليومية؛ إذ أن الثورة الصناعية التي غيرت بشكل لا رجعة فيه عمليات التصنيع والنقل وتوزيع السكان، وفي نهاية المطاف سرعة ونوعية الحياة عبر مساحات شاسعة من العالم كانت مدعومة بالبخار وهو محرك حراري.

لقد نجحت الهندسة منذ قرون في تحسين هذه الآلات لتعمل بكفاءة سلسة ومبسطة لكن السنوات القليلة الماضية كشفت عن طفل جديد في الكتلة قد يتفوق على إنتاج الطاقة المحتمل حتى لأكثر الآلات الكلاسيكية دقة، ومن خلال دراسة عينات الماس مع نوع شائع من عيوب النيتروجين الشاغرة، أظهر باحثون في المملكة المتحدة، وسويسرا، بقيادة إيلون بويم في معهد وايزمان للعلوم، الآن أن المحركات الحرارية الكمومية يمكن أن تتجاوز طاقة إنتاجها نظرائهم الكلاسيكيين.

كما أظهروا أيضًا أن ناتج الطاقة لنوعين مختلفين من المحرك الحراري يعتمدان على نظام عيب الماس النيتروجين الشاغر يتقارب، وهو عرض لمبدأ آخر متوقع نظريًا؛ “معادلة آلة الحرارة الكمومية”.

كيف يظهر الماس بريقه الكمومي بواسطة المحرك الحراري الكمي

درس بعض العلماء أنظمة عيوب النيتروجين الماسي؛ حيث تحل ذرة النيتروجين محل ذرة كربون في الشبكة البلورية بجوار موقع شبكي فارغ، وهذه الأنظمة لها العديد من الخصائص المفيدة لتجارب محرك الحرارة الكمومية، واكتشف أن لديهم ثلاث حالات متاحة في أدنى مستوى طاقة “أرضي”، والتي تختلف عن بعضها البعض من حيث قيمة “الدوران”.

والتماسك بين هذه الحالات اللازمة للتجارب الكمية طويل العمر نسبيًا حتى في درجة حرارة الغرفة؛ حيث يمكنهم أيضًا التفاعل بشكل متماسك مع الموجات الدقيقة، والتي تعمل بمثابة “حمل” يعمل عليه المحرك الحراري، وهناك خاصية أخرى مفيدة، وهي أن هناك نوعين مختلفين من الاضمحلال للحالات المثارة أحدهما يحافظ على الدوران والآخر لا.

أنواع المحركات الحرارية الكمية

باستخدام الموجات الدقيقة لتشغيل المحرك الحراري؛ تمكن الباحثون من دراسة نوعين من المحركات الحرارية مع النظام: محرك ثنائي الأشواط ومحرك حراري مستمر، والتي تختلف من حيث مدة وتوقيت “السكتات الدماغية” كالعمليات ضمن كل دورة للمحرك الحراري.

أظهر النظام الذي درسه (Poem) وفريقه كلاً من قوة الخرج المتزايدة للمحرك الكمومي فيما يتعلق بأي محرك كلاسيكي يستخدم نفس الموارد، وهذا دليل على التوقيع الحراري الكمي؛ بالإضافة إلى أن طاقة الخرج لمحركين مختلفين للحرارة الكمومية تتقارب يمكن أن تظهر تكافؤ آلة الحرارة الكمومية.

هذا يشكل أول قياس تجريبي للتأثيرات الكمومية في آلات الحرارة مضيفين: ويجب أن يكون هذا العمل محل اهتمام مجالات البحث الأخرى المعنية بدور التماسك الكمي في تعزيز العمل الاستخراج بواسطة المحركات الحرارية المجهرية، مثل دراسة التمثيل الضوئي وتطوير أنواع الخلايا الشمسية.

تطبيقات المحرك الحراري الكمي

• إن إحدى تطبيقات المحركات الحرارية الكمية هي ثلاجة الكم التي تتميز بخصائص كمومية تميزها عن الثلاجات المتعارف عليها، والتي تعمل من خلال المحركات الحرارية الكمومية

• مكبر الصوت ثلاثي المستويات هو قالب الجهاز الكمي؛ إذ إنه يعمل من خلال استخدام حمام ساخن وبارد للحفاظ على انعكاس السكان بين مستويين من الطاقة، يستخدمان لتضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفّز، وهذا يعمل كمحرك حراري كمي.

تشكل المحركات الحرارية لبنات البناء الرئيسية للتقنيات الحديثة، ومع ذلك؛ فإن المحركات الحرارية التقليدية ذات الطاقة العالية تنتج كفاءة أقل والعكس صحيح وتحترم علاقات مقايضة كفاءة الطاقة المختلفة؛ حيث يُفترض أيضًا أن يكون هذا صحيحًا بالنسبة للمحركات العاملة في النظام الكمومي.