علوم المواد
هل الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة ممكنة حقًا؟ جامعة كوين ماري في لندن تقول نعم
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
قيود الموصلية الفائقة
كانت الكهرباء واحدة من أكثر التقنيات تحولًا في التاريخ، حيث سمحت بنقل شكل مفيد جدًا من الطاقة عبر مسافات طويلة. لكن كل نظام كهربائي “عادي” يواجه مقاومة كهربائية، مما ينتج عنه توليد حرارة عند تطبيق التيار الكهربائي.
هناك بديل موجود: ما يُسمى بالمواد الفائقة التوصيل. تتميز المواد الفائقة التوصيل بمقاومة كهربائية صفرية، مما يسمح باستخدام تيارات قوية للغاية دون توليد حرارة.
بدون الموصلية الفائقة، لا يمكن تحقيق الكثير من التقنيات الحديثة، بما في ذلك مسارعات الجسيمات (على سبيل المثال، CERN)، التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، وقطارات المغناطيسية.
ستكون الموصلية الفائقة مكوّنًا حاسمًا في أكثر المشاريع الضخمة والابتكارات التقنية واعدة، مثل ITER والاندماج النووي، محركات الكتلة، الحواسيب الكمومية، وغيرها.
قد تكون خطوط الطاقة الكهربائية الخالية من الفاقد أيضًا أساسية في تطوير وصلات شبكية فائقة الطول تساعد على موازنة إنتاج الطاقة المتجددة عبر الظروف الجوية ومناطق الزمن، مما يحل بعض قيود الطاقة الشمسية والرياح.
المصدر: XOT Metals
مع ذلك، تم إتقان الموصلية الفائقة حتى الآن فقط للمواد التي تُظهرها في درجات حرارة منخفضة جدًا، بالكاد بضع درجات فوق الصفر المطلق. أو تحت ضغط مرتفع للغاية. أو كلاهما.
هذا يجعلها ليست فقط معقدة للغاية لتطبيقات تتطلب أعلى مستويات المتطلبات (مثل القاطرات المغناطيسية، التصوير بالرنين المغناطيسي، إلخ)، بل أيضًا مكلفة جدًا، مما يجعلها غير اقتصادية للعديد من التطبيقات التي يمكن أن تستفيد من مادة فائقة التوصيل أو أي استخدام على نطاق واسع.
مسارات متعددة للموصلية الفائقة
يبدو الآن أن المادة التي تُنتج تحت ضغط عالٍ قد تكون قادرة على الاحتفاظ ببعض موصليتها الفائقة عند ضغط أقل من خلال طريقة تجريبية تُسمى بروتوكول الإخماد بالضغط (PQP).
مؤخرًا، ظهرت الطبقة الثنائية الملتوية من WSe₂ (التنغستن السيليني) كمرشح مادة جيد للموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة الأعلى.
فئة جديدة أخرى من الموصلات الفائقة المحتملة، النيكليتات الثنائية الطبقة، قد أُضيفت إلى القائمة هذا العام أيضًا.
المشكلة في العثور على مواد جديدة تكون موصلات فائقة عند درجات حرارة أعلى هي أننا لا نفهم حقًا كيف تعمل. وهذا صحيح بشكل أكبر للموصلية الفائقة ذات الحرارة العالية أو درجة حرارة الغرفة. لفترة من الوقت، كان يُعتقد أنها مستحيلة تمامًا.
ثم ظهر الحالة المحيرة لـ LK-99 (شكل من أباتيت الرصاص المستبدل بالنحاس – CSLA)، وهو موصل فائق محتمل يعمل عند ضغط محيطي ودرجة حرارة الغرفة. تم التشكيك في الادعاء على الفور وانتقاده كخدعة أو خطأ قياسي، لكن باحثون آخرون اكتشفوا أنه قد يكون هناك شيء يحدث فعلاً.
قد يسلط التقدم الجديد في الفيزياء النظرية، الذي أجره باحثون في جامعة كوين ماري في لندن (QMUL)، وجامعة كامبريدج، وIntellectual Ventures، الضوء على كيفية إمكانية وجود موصلات فائقة في درجة حرارة الغرفة.
نشروا نتائجهم1 في مجلة Journal of Physics: Condensed Matter، تحت عنوان “الحدود العليا لأعلى تردد للفونون ودرجة الحرارة الفائقة المستمدة من الثوابت الفيزيائية الأساسية“.
فهم حد T_C الحد
كل مادة فائقة التوصيل تُعرّف بقيمة تُسمى TC (درجة الحرارة الحرجة). بالنسبة لمعظم المواد ذات السلوك الفائق، تكون TC بالكاد بضع درجات فوق الصفر المطلق.
مع ذلك، استكشفت هذه الدراسة الجديدة ما هي الحدود النظرية لـ TC.
تُحدَّد مثل هذه الحدود بالقوى والثوابت الأساسية للكون، مثل كتلة الإلكترون، شحنة الإلكترون، وثابت بلانك.
يثبت هذا العمل أن هذه الثوابت “تضع حدًا أعلى لتردد الفونونات في مراحل المادة المكثفة، أو السرعة التي يمكن للذرة أن تهتز بها في هذه المراحل”. وهذا بدوره يحدد النطاق الأدنى والأعلى لدرجة الحرارة الفائقة الممكنة حيث تتوسط الفونونات ما يمكن أن تكون عليه درجة الحرارة الفائقة.
الحدود العليا والسفلى لـ T_C
الرياضيات والفيزياء الجسيمية المستخدمة لتحديد ما إذا كان TC ممكنًا أم لا هي معقدة إلى حد كبير وتتجاوز نطاق غير المتخصصين. فقط لتقديم مثال من الورقة العلمية نفسها في مقدمتها:
“في حساباتنا باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية (DFT)، نستخدم طرقًا مشابهة لتلك التي استخدمناها في ورقتنا السابقة. وهذا يشمل استخدام دالة التبادل‑الارتباط بيرد‑بورك‑إرنزهوف، حد طاقة 1200 eV وشبكة نقاط k بمسافة 2π×0.025Å⁻¹ لتعيين منطقة برولين الإلكترونية.”
لتبسيط الأمر، النموذج الذي طوره الباحثون يدرس إلى أي مدى يمكن أن يكون تردد اهتزاز الذرة في الصلب أو السائل.
هذا سيحدد الحد الأعلى للموصلية الفائقة TC بين 100 إلى 1,000 K، أي -173.15 إلى 726 °C / -279 إلى 1340 °F. وهذا يعني أن الموصلية الفائقة، على الأقل نظريًا، يمكن تحقيقها عند درجات حرارة الغرفة.
إنه يضع درجة حرارة الغرفة بثبات في المنطقة الممكنة حيث تكون الموصلية الفائقة ممكنة، مما يغيّر جذريًا تصورنا السابق بأن الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة هي مستحيلة نظريًا.
فهم أعمق للكون
تم تأكيد النتائج بالفعل بشكل مستقل في دراسة منفصلة، مما يؤكد أن هذا التحليل النظري المفصل من المرجح أن يتطابق مع الواقع الفيزيائي.
يجب أن يحفّز ذلك مجال أبحاث الموصلية الفائقة بشكل كبير، حيث أصبح الآن هناك إطار نظري يوضح بشكل أفضل لماذا قد تكون الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة ممكنة.
“هذا الاكتشاف يخبرنا أن الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة ليست مستبعدة بسبب الثوابت الأساسية. إنه يمنح العلماء الأمل: الحلم لا يزال حيًا.”
مثل هذا الفهم الأعمق لكيفية تصرف المادة المكثفة على المستوى الجسيمي يجب أن ينتج أيضًا نتائج في مجالات أخرى، مثل علوم المواد، الإلكترونيات، أو فيزياء البلازما.
التطبيقات المستقبلية
ستكون الموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة مادةً معجزةً فورية إذا تم فهمها جيدًا بما يكفي لتصنيعها على نطاق واسع.
الأثر الفوري الأول سيكون خفض تكلفة المعدات التي تستفيد بالفعل من الموصلية الفائقة، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، قطارات المغناطيسية، التوربينات والمولدات المتقدمة، مسارعات الجسيمات، المفاعلات التجريبية للاندماج، وغيرها.
كما ستمكّن التكنولوجيا التي حتى الآن إما لا يمكن تنفيذها على الإطلاق أو كانت مكلفة بشكل باهظ بسبب القيود التقنية للموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة المنخفضة.
يشمل ذلك قطارات الهايبرلوب، محركات الكتلة للوصول إلى المدار، الاندماج النووي التجاري، وصلات شبكية قارية، وغيرها. كل واحدة من هذه التقنيات ستغير إلى الأبد مسار الحضارة البشرية.
القادة في حلول الموصلية الفائقة
شركة American Superconductor
AMSC مخطط السعر
تُعد شركة AMSC شركةً تقدم حلولًا طاقةً لشبكات الكهرباء، والسفن، وطاقة الرياح. بشكل عام، كلما كان النظام أكثر استهلاكًا للطاقة أو أكبر حجمًا، كلما احتاج إلى تقنية الموصلية الفائقة لتجنب السخونة الزائدة.
على الرغم من اسمها، توفر ASMC ليس فقط أنظمة الموصلات الفائقة بل أيضًا، على سبيل المثال، أنظمة نقل الحركة للمراوح في توربينات الرياح.
تستفيد الشركة من عدة محركات نمو، بدءًا من اتجاه التحول إلى الكهرباء، والرقمنة (بما في ذلك مراكز البيانات للذكاء الاصطناعي)، بل وأيضًا إعادة توطين القدرات التصنيعية الأمريكية والحاجة إلى تحديث أساطيل البحرية في دول الأنجلوسفير استجابةً للمخاطر الجيوسياسية المتزايدة.
في قطاع إمداد الطاقة، شهدت AMSC ارتفاعًا مستمرًا في الطلبات. وقد كان ذلك مدفوعًا بمصانع أشباه الموصلات التي تسعى للحماية من تقلبات شبكة الطاقة، ومساعدة الشبكة على التعامل مع الطبيعة المتقطعة للطاقة المتجددة، وإمدادات الطاقة والتحكم في المواقع الصناعية.
في قطاع توربينات الرياح، تنشط AMSC أساسًا في نظام التحكم الكهربائي (ECS). تاريخيًا، كان ESC قطاعًا قويًا للشركة مع توربينات الرياح بقدرة 2 MW، لكنه تراجع تدريجيًا. تسعى AMSC إلى انتعاش بفضل تصميم التوربين الجديد بقدرة 3 MW، مع تركيز خاص على السوق الهندية.
المصدر: American Superconductor Corporation
بالنسبة للسفن العسكرية، تقدم ASMC نظام “مكافحة الألغام المغناطيسية باستخدام الموصل الفائق عالي الحرارة” الخاص بـ AMSC، وهو نظام لتغيير البصمة المغناطيسية للسفن لحمايتها من الألغام البحرية. يُباع هذا النظام للبحريات الأمريكية والكندية والبريطانية، وقد وصل حجم الطلبات إلى 75 مليون دولار حتى الآن.
بشكل عام، تحقق ASMC أفضل أداء لها من خلال استغلال تقنية الموصل الفائق في التطبيقات المتخصصة المتاحة اليوم، بينما من المحتمل أن تكون جاهزة لنشر مزيد من التقدمات في المستقبل. يجب أيضًا على المستثمرين ملاحظة أن السهم شهد تقلبًا شديدًا في الماضي، ويجب عليهم حساب المخاطر وفقًا لذلك.
آخر الأخبار عن شركة American Superconductor
الدراسات المشار إليها:
1. K Trachenko, B Monserrat, M Hutcheon and Chris J Pickard.(2025) Upper bounds on the highest phonon frequency and superconducting temperature from fundamental physical constants. Journal of Physics: Condensed Matter. 37165401. 13 مارس 2025. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/adbc39
