فروشگاه آنارام | ارائه دهنده محصولات وارتا آلمان
نویسنده: ادمین آنارام 
تصور کنید صبح یک روز شلوغ در حال راه رفتن به محل کار متوجه می‌شوید که گوشی موبایلتان در حال خاموش شدن است. همین اتفاق ساده شما را به فکر می‌اندازد: «چرا باتری‌ها انقدر زود تمام میشوند؟ مگر ما قانون معروف اینشتین (E = mc^2) را نداریم که نشان می‌دهد تبدیل حتی مقدار اندکی از جرم می‌تواند انرژی بی‌پایانی آزاد کند؟ پس چرا هنوز مجبوریم روزی چند بار وسایلمان را به شارژر وصل کنیم؟» اینکه اگر چنین انرژی شگفت‌انگیزی در هر ذره‌ای از جرم نهفته است، چرا نمی‌توانیم یک “باتری ابدی” بسازیم؟ و چرا باتری تمام می شود؟ این داستان، تلاش می‌کند پاسخی روشن اما عامه‌پسند به این پرسش بدهیم و از زاویه‌ای دوستانه، تفاوت میان واکنش‌های شیمیایی در باتری و واکنش‌های هسته‌ای را توضیح دهیم.
فصل اول: یک صبح شلوغ و یک باتری خالی
تصور کنید در مترو با کیف سنگین نشسته و تلاش می‌کنید فایل ارائه‌ی پایان‌نامه را ویرایش کنید. اما باتری لپ‌تاپ هم درست مثل موبایل رو به اتمام است. مترو شلوغ و پُرهیاهوست؛ شما هم باید پیش از رسیدن به کلاس، ارائه را نهایی کنید. اما حالا بدون شارژ، همه چیز معلق میشود. در همین حال، ناگهان یاد جمله‌ی استاد فیزیک هسته‌ای می‌افتید که می‌گفت: «اگر حتی چند گرم جرم به‌طور کامل به انرژی تبدیل شود، می‌تواند یک شهر را برای مدتی طولانی روشن نگه دارد.» با خود فکر می‌کنید: «چرا این فناوری را در باتری گوشی یا لپ‌تاپ به کار نمی‌بریم؟ چرا هنوز ما به پریز برق وابسته‌ایم؟»
فصل دوم: معادله‌ی افسانه‌ای اینشتین (E = mc^2)
همه‌ی داستان از این فرمول افسانه‌ای شروع میشود : (E = mc^2) این معادله می‌گوید انرژی (E) و جرم (m) در اصل دو جنبه‌ی یک پدیده هستند و سرعت نور (c) هم که بسیار بزرگ است، به توان دو رسیده و ضریب رابطه‌ی آنهاست. در نتیجه، حتی اگر یک گرم ماده به شکل کامل به انرژی تبدیل شود، می‌تواند همان انرژی‌ای را تولید کند که شاید سوزاندن چند هزار لیتر سوخت فسیلی یا یک نیروگاه بزرگ رقم بزند. این چیزی است که ذهن بسیاری از ما را درگیر می‌کند: «چطور میشود ما مدام نگران تمام شدن باتری‌ها باشیم، در حالی که چنین پتانسیل عظیمی وجود دارد؟»
فصل سوم: واکنش هسته‌ای چیست؟
برای درک تفاوت اصلی، باید بفهمیم انرژی هسته‌ای اصلاً چیست. در رآکتورهای هسته‌ای یا در خورشید، اتم‌ها دستخوش واکنش‌هایی میشوند که به آن‌ها شکافت یا همجوشی می‌گوییم. در شکافت، هسته‌ی یک اتم سنگین (مثلاً اورانیوم) به دو یا چند قسمت سبکتر تقسیم میشود و در همجوشی، هسته‌های سبک (مثلاً هیدروژن) با هم ترکیب شده و هسته‌ی سنگین‌تری می‌سازند. در هر دو حالت، جرمی اندک از دست می‌رود و طبق معادله‌ی اینشتین، به انرژی حیرت‌انگیزی بدل میشود. اما نکته‌ی مهم این است که دستیابی و کنترل این نوع انرژی، چالش‌های مخصوص به خودش را دارد که با یک «باتری ساده» زمین تا آسمان متفاوت است.
فصل چهارم: ماهیت باتری‌های شیمیایی
در الکتروشیمی یاد گرفته ایم که باتری فقط یک سیستم شیمیایی است. دو قطب مثبت و منفی (الکترودها) در تماس با یک الکترولیت، واکنش شیمیایی انجام می‌دهند و الکترون‌ها را از قطب منفی به قطب مثبت جاری می‌کنند. همین جریان الکترون‌هاست که برق لوازم ما را تأمین می‌کند. پس تأمین انرژی در باتری کاملاً در سطح شیمیایی است و هیچ هسته‌ای در اتم‌ها شکافته یا گداخته نمی‌شود. به‌عبارت دیگر، **ظرفیت انرژیِ یک باتری** محدود به تغییر پیوندهای شیمیایی موجود بین اتم‌هاست و نه تبدیل جرم خود آن اتم‌ها به انرژی. این یعنی ما در بهترین حالت فقط از اختلاف پتانسیل شیمیایی الکترودها استفاده می‌کنیم.
فصل پنجم: چرا باتری تمام می شود؟
حالا یک سؤال اساسی: چرا باتری خالی میشود؟ همان‌طور که همه ما برای باتری وسایل یا باتری موبایل و لپ تاپ تجربه کرده ایم، بعد از مدتی استفاده، دیگر جریانی از باتری خارج نمی‌شود. علت این است که مواد شیمیایی داخل آن (مثلاً لیتیوم در باتری‌های لیتیوم-یون) فقط تا حد مشخصی می‌توانند واکنش انجام دهند. وقتی تمام واکنش‌های شیمیایی ممکن انجام شود، دیگر توانی برای آزاد کردن الکترون وجود ندارد. در باتری‌های قابل شارژ، ما با اعمال انرژی الکتریکی از بیرون، مواد داخل باتری را به حالت شیمیایی اولیه برمی‌گردانیم تا دوباره قابل استفاده شوند. حتی در این حالت هم بعد از چندصد یا چندهزار بار شارژ و دشارژ، کیفیت مواد شیمیایی افت می‌کند و توان باتری کاهش می‌یابد. در مقابل، اگر واقعاً می‌توانستیم جرم را به انرژی تبدیل کنیم، نیازی به این سیکل‌های خسته‌کننده نبود!
فصل ششم: چرا از انرژی هسته‌ای در باتری استفاده نمی‌کنیم؟
این هم احتمالاً پرسش بعدی هر فرد کنجکاو است: «چرا ما یک تکه اورانیوم یا هر مادۀ رادیواکتیوی در گوشی‌هایمان قرار نمی‌دهیم تا سال‌ها روشن بمانند؟» پاسخ را باید در مخاطرات و محدودیت‌های انرژی هسته‌ای جستجو کرد. مواد رادیواکتیو خطرناک هستند و پرتوهای خطرناک ساطع می‌کنند. لازم است محفظه‌هایی مخصوص برای مهار آن‌ها طراحی شود تا سلامتی کاربران به خطر نیفتد. ضمن اینکه کنترل واکنش هسته‌ای در ابعاد بسیار کوچک (مانند یک گوشی موبایل) به فناوری و ایمنی فوق‌العاده پیچیده‌ای نیاز دارد. در فضاپیماها یا کاوشگرهای دوردست گاهی از مولدهای رادیوایزوتوپی (RTG) استفاده میشود که برق را از واپاشی مواد رادیواکتیو می‌گیرند. ولی توان خروجی آن‌ها محدود است و به درد وسایل روزمره‌ی ما نمی‌خورد. علاوه بر این، بحث زباله‌های هسته‌ای و مدیریت آن‌ها هم مطرح است.
فصل هفتم: یک داستان کوتاه از آینده
شاید در تخیلاتمان تصور کنیم که در آینده، دانشمندان موفق میشوند یک راکتور کوچک گداخت هسته‌ای ایمن به اندازه‌ی یک قوطی نوشابه بسازند که فقط با چند گرم سوخت هیدروژنی، انرژی فراوانی تا سال‌ها تولید می‌کند. در این خیال جذاب، دیگر خبری از پریز برق یا کابل شارژ نیست و هر دستگاه الکترونیکی می‌تواند یک مینی‌راکتور همراه داشته باشد. اما باز هم موانعی مثل کنترل واکنش همجوشی، هزینه‌ی بالا و نگرانی‌های زیست‌محیطی سدی هستند که حداقل در چند دهه‌ی آینده نمی‌توان از آن‌ها عبور کرد. به همین دلیل، فعلاً باید به باتری‌های شیمیایی امیدوار باشیم، هرچند مدام ظرفیت و فناوری‌شان در حال پیشرفت است.
فصل هشتم: پیشرفت‌های احتمالی در فناوری باتری
در همین روزگار، سازندگان باتری و محققان حوزه‌ی انرژی به‌طور مداوم در تلاش‌اند تا ظرفیت، سرعت شارژ و طول عمر باتری‌ها را افزایش دهند. باتری‌های حالت‌جامد (Solid-State) از مواد جامد به‌جای الکترولیت مایع استفاده می‌کنند و هم امن‌ترند و هم احتمالاً ظرفیت بالاتری ارائه می‌دهند. انواع دیگری مثل باتری لیتیوم-گوگرد یا فلز-هوا هم در مرحله‌ی تحقیقاتی و توسعه‌اند و می‌توانند گام بزرگی در کارایی باتری‌ها ایجاد کنند. اما همچنان نباید از یاد ببریم که این روش‌ها نیز صرفاً روش‌های بهینه‌تری در چهارچوب واکنش‌های شیمیایی‌اند و به معجزه‌ی «تبدیل جرم به انرژی» در ابعاد هسته‌ای منجر نمی‌شوند. بنابراین هنوز تا رویای «باتری نامیرا» که از جرمی اندک انرژی بی‌پایان بسازد، فاصله داریم.
فصل نهم: معرفی باتری شارژی برای حفاظت از محیط زیست
درست است که برخی از باتری ها یکبار مصرف هستند و پس از اتمام شارژ، دیگر قابل استفاده نیستند. اما باید توجه داشت برخی از باتری ها نیز قابلیت شارژ مجدد دارند. باتری های شارژی امروزه در بسیاری از وسایل مانند موبایل، لپ تاپ، چراغ قوه و … استفاده می شوند. اما باتری های شارژی های دیگری در سایز های قلمی و نیم قلمی هستند قابل استفاده در سایر دستگاه های معمول مانند ساعت دیواری، موس و کیبورد، کنترل تلویزیون هستند. باتری شارژی تا درصد بالایی می تواند ما را از مصرف گرایی باتری کم کند و این مسئله باعث کمتر شدن زباله های الکترونیکی و کمک به محیط زیست شود.
جمع‌بندی
انتهای روز، بالاخره به خانه می‌رسید و گوشی و لپ‌تاپ را به شارژ می‌زنید. به یاد فیزیک می‌افتید که می‌گفت: «معادله‌ی اینشتین نشان می‌دهد پتانسیل زیادی در جرم نهفته است؛ اما دسترسی به این انرژیِ فوق‌العاده، در عمل ساده نیست.» باتری‌های رایج ما، تکیه بر واکنش‌های شیمیایی دارند و توان محدودی عرضه می‌کنند. هرچند تبدیل جرم به انرژی در سطح هسته‌ای افسانه‌وار به نظر می‌رسد، برای استفاده در مقیاس روزمره و ایمن، همچنان با موانع علمی، فنی و ایمنی بزرگی مواجه هستیم. پس فعلاً باید با شارژ مرتب وسایل الکترونیکی کنار بیاییم و البته منتظر پیشرفت‌های بزرگی باشیم که شاید در آینده فرا برسند. تا آن روز، تلفنمان را به شارژر وصل می‌کنیم و به این فکر می‌کنیم که معادله‌ی (E = mc^2) هنوز برای ما دست‌نیافتنی است. البته استفاده از یک پاوربانک همراه در بسیاری هم مواقع می تواند برای ما نجات دهنده باشد.
