علوم المواد
خطوات صغيرة نحو الموصلات الفائقة ذات الضغط الجوي ودرجة الحرارة العالية
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
قيود الموصلية الفائقة
Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every “normal” electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.
كان الكهرباء واحدة من أكثر التقنيات تحولاً في التاريخ، حيث تسمح بنقل شكل مفيد جداً من الطاقة عبر مسافات طويلة. لكن كل نظام كهربائي “عادي” يواجه مقاومة كهربائية، مما يؤدي إلى توليد حرارة عند تطبيق التيار الكهربائي.
هناك بديل موجود: ما يُسمى بالمواد الفائقة التوصيل. تتمتع المواد الفائقة التوصيل بمقاومة كهربائية صفرية، مما يسمح باستخدام تيارات قوية للغاية دون توليد حرارة.
بدون الموصلية الفائقة، لا يمكن تحقيق العديد من التقنيات الحديثة، بما في ذلك مسارعات الجسيمات (مثل CERN)، والرنين المغناطيسي (maglev trains).
ستكون الموصلية الفائقة مكوّنًا حاسمًا في أكثر المشاريع الضخمة الواعدة والابتكارات التقنية، مثل ITER وnuclear fusion، mass drivers، quantum computers، إلخ.
يمكن أن تكون خطوط الطاقة الكهربائية بدون خسارة أيضًا حاسمة في تطوير وصلات شبكة فائقة الطول تساعد على موازنة إنتاج الطاقة المتجددة عبر الظروف الجوية ومناطق الزمن، مما يحل بعض قيود الطاقة الشمسية والرياح.
المشكلة حتى الآن هي أن جميع هذه التطبيقات تعتمد على الموصلية الفائقة ذات درجات الحرارة المنخفضة، حيث تكون المواد فائقة التوصيل فقط عند تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة مثل 20°K/-253°C/-423°F، عادةً ما يتطلب ذلك الهيليوم السائل.
هذا يجعلها ليست معقدة فقط للتطبيقات الأكثر تطلبًا (مثل المغناطيسية، والرنين المغناطيسي، إلخ) بل ومكلفة للغاية، مما يجعلها غير اقتصادية للعديد من التطبيقات التي يمكن أن تستفيد من المواد الفائقة التوصيل أو أي استخدام على نطاق واسع.
مسارات متعددة للموصلية الفائقة
الأشكال الأخرى للموصلية الفائقة غير المواد الفائقة البرودة تتطلب ضغطًا عاليًا مستمرًا لتظل المادة فائقة التوصيل. قد يكون هذا مثيرًا من منظور تجريبي، لكنه أقل عملية للتطبيقات الصناعية أو في بنى الطاقة والنقل.
قد تصبح الموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية خيارًا، لا سيما مع الحالة المحيرة لـ LK-99 (شكل من أباتيت الرصاص المستبدل بالنحاس – CSLA)، وهو موصل فائق جديد يعمل عند الضغط الجوي ودرجة حرارة الغرفة. تم التشكيك في الادعاء على الفور وانتقاده كخدعة أو خطأ قياس، لكن ثم باحثون آخرون اكتشفوا أنه قد يكون هناك شيء يحدث بالفعل.
على أي حال، توضح حالة LK-99 أننا بعيدون عن معرفة كل ما يجعل الموصلية الفائقة ممكنة.
مؤخرًا، ظهر الطبقة الملتوية المزدوجة من WSe₂ (التنغستن السيليني) كمرشح مادة جيد أيضًا.
يقوم باحثون في جامعة هيوستن، جامعة بافالو، جامعة إلينوي، جامعة سون ييت-سين الوطنية (تايوان)، وشركة إنتليكتوال فنتشر بتوسيع مجال المواد الفائقة التوصيل المحتملة، مع إزالة الحاجة إلى ضغط عالٍ باستثناء مرحلة تصنيع المادة.
نشروا نتائجهم1 في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)، تحت عنوان “Creation, stabilization, and investigation at ambient pressure of pressure-induced superconductivity in Bi0.5Sb1.5Te3”.
الموصلية الفائقة والضغط
تمت دراسة الصلة بين الضغط العالي والموصلية الفائقة لأكثر من 30 عامًا الآن، منذ اكتشافهما الأول في عام 1993. ما يحدث هو أن الضغط يغيّر سلوك الذرات في المادة، مما يؤثر بدوره على خصائصها الكهربائية.
“في عام 2001، اشتبه العلماء أن تطبيق ضغط عالٍ على BST غير طوبولوجيا سطح فيرمي الخاص به، مما أدى إلى تحسين الأداء الحراري الكهربي.
هذه الصلة بين الضغط، الطوبولوجيا، والموصلية الفائقة أثارت اهتمامنا.”
Pr. Liangzi Deng – باحث في جامعة هيوستن
Pr. Deng (يسار) و Pr. Chu (يمين) – المصدر: University of Houston
المشكلة هي أنه لكي تكون المادة مفيدة للتطبيقات الصناعية، عادةً ما تحتاج إلى إظهار خصائص مثيرة عندما تكون في حالة مستقرة مؤقتًا، حتى يمكنها الحفاظ على هذه الخصائص في الظروف “العادية”.
حتى الآن، لم يعيق طلب الضغط العالي جدًا دراسة المواد الفائقة التوصيل في هذه الظروف فحسب، بل جعل أي تطبيقات عملية مستقبلية صعبة المنال، حيث لا يمكن الحفاظ على كابل أو مغناطيس أو مكوّن سكة حديد تحت مثل هذه الظروف الضاغطة الشديدة، ناهيك عن متطلبات الظروف الفائقة البرودة للموصلات الفائقة المستخدمة حاليًا.
التبريد بالضغط العالي
الحفاظ على خصائص الموصلية الفائقة عند الضغط العادي هو ما حققه الباحثون مؤخرًا.
للقيام بذلك، استخدموا مادة شبه موصلة خاصة تُدعى BST (بزمك-أنتيمون-تلوريوم / Bi0.5Sb1.5Te3). تحت ضغوط تصل إلى ~50 جيجا باسكال (جيغاباسكال)، أي ما يعادل 500,000 مرة أقوى من الضغط الجوي (1 بار)، تُظهر BST ثلاث مراحل فائقة التوصيل (BST-I، -II، و -III)، حيث تظهر الأولى عند 4 جيجا باسكال.
طور الباحثون إجراءً يُسمى بروتوكول التبريد بالضغط (PQP)، مما يسمح للمرحلة الناجمة عن الضغط بالبقاء عند ضغط الغرفة.
لم يتم الحفاظ فقط على مرحلة BST-I الفائقة التوصيل، بل أيضًا مراحل BST-II و -III.
استخدموا مطرقة ماسية للوصول إلى الضغط الشديد المطلوب.
المصدر: University of Houston
تم تحليل الخصائص الكهربائية والمغناطيسية باستخدام أداة حساسة جدًا تُسمى نظام قياس خصائص المغنطة (MPMS)
المصدر: University of Houston
تحسين درجة حرارة العمل
عند اختبارها، لم تكن هذه المراحل الفائقة التوصيل ثابتة فقط في البداية عند ضغط الغرفة، بل حافظت أيضًا على هذه الحالات مع مرور الوقت وعند تعرضها لدرجات حرارة أعلى.
هذا، مع ذلك، لا يعني أنها موصل فائق عند درجة حرارة الغرفة، بل أن المراحل ثابتة في الضغط العادي وقادرة على إظهار الموصلية الفائقة الفعلية عند تبريدها.
من المعروف أن BST تُظهر الموصلية الفائقة عند 10.2 كلفن (-262.9°م / -441.3°ف). وجد الباحثون أن عملية خفض الضغط وبروتوكول التبريد بالضغط كلاهما حسّن درجة انتقال BST، مما يجعله خيارًا جيدًا لتحسين المواد الفائقة التوصيل الحالية.
“تُظهر هذه التجربة بوضوح أنه يمكن تثبيت المرحلة الناجمة عن الضغط العالي عند الضغط الجوي عبر انتقال إلكتروني دقيق دون تغيير في التماثل، مما يوفر مسارًا جديدًا للحفاظ على مراحل المادة ذات الاهتمام والقيم التي عادةً ما توجد فقط تحت الضغط.
Pr. Paul Chu – باحث في جامعة هيوستن
التطبيقات المستقبلية
على الرغم من عدم إنشاء مادة فائقة التوصيل على الفور، فإن هذا يفتح الطريق لطريقة جديدة لاكتشاف وتصميم مواد فائقة التوصيل.
حتى الآن، كان للموصلية الفائقة تحت الضغط العالي عدد قليل جدًا من التطبيقات العملية، وكان على الموصل الفائق عند درجة حرارة الغرفة إظهار هذه الخاصية مستقلة عن تأثير الضغط.
إذا كان بالإمكان تعميم بروتوكول التبريد بالضغط، فقد يساعد ذلك على تثبيت المواد الفائقة التوصيل الواعدة في الظروف العادية، والتي حتى الآن تعمل فقط تحت ضغط عالٍ.
“من المثير للاهتمام أن هذه التجربة كشفت عن نهج جديد لاكتشاف حالات جديدة من المادة لا توجد أصلاً عند الضغط الجوي أو حتى تحت ظروف الضغط العالي.
إنها تُظهر أن بروتوكول التبريد بالضغط (PQP) أداة قوية لاستكشاف وإنشاء مناطق غير مُستكشفة من مخططات طور المادة.
Pr. Liangzi Deng – باحث في جامعة هيوستن
يمكن أن يحسن أيضًا الموصلات الفائقة المعروفة بحيث تكون درجة انتقالها أعلى.
يمكن أن يفتح هذا الطريق لحالات متتالية، مما يجعل من الممكن إنشاء موصل فائق يمكنه العمل عند “فقط” 78 كلفن (-195°م / -319°ف)، أو نقطة غليان النيتروجين السائل، وهو سائل تبريد أسهل كثيرًا في التعامل منه مقارنة بالهيليوم السائل، والذي يُستخدم حاليًا على سبيل المثال في مغناطيسات الموصلية الفائقة لمشروع ITER.
شركة الموصلية الفائقة
AMSC مخطط السعر
AMSC هي شركة تقدم حلولًا طاقة لشبكة 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، تقدم ASMC ليس فقط أنظمة الموصلية الفائقة بل أيضًا، على سبيل المثال، أنظمة تروس لتوربينات الرياح.
تستفيد الشركة من عدة محركات نمو، بدءًا من اتجاه الكهربة والرقمنة (بما في ذلك مراكز البيانات المدعومة بالذكاء الاصطناعي)، وكذلك إعادة توطين قدرات التصنيع الأمريكية والحاجة إلى تحديث أساطيل البحرية في الدول الناطقة بالإنجليزية استجابةً للمخاطر الجيوسياسية المتزايدة.
في قطاع إمداد الطاقة، شهدت AMSC ارتفاعًا مستقرًا في الطلبات. كان ذلك مدفوعًا بمصانع أشباه الموصلات التي تسعى للحماية من تقلبات شبكة الكهرباء، ومساعدة الشبكة على التعامل مع الطبيعة المتقطعة للطاقة المتجددة، وإمداد 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 ميغاواط، لكنه تراجع تدريجيًا. تسعى AMSC للانتعاش بفضل تصميم التوربين الجديد بقدرة 3 ميغاواط، مع تركيز خاص على السوق الهندية.
المصدر: American Superconductor Corporation
بالنسبة للسفن العسكرية، تقدم ASMC نظام “إجراء مضاد للألغام المغناطيسية باستخدام الموصلية الفائقة ذات درجة حرارة عالية من AMSC”، وهو نظام لتغيير التوقيع المغناطيسي للسفن لحمايتها من الألغام البحرية. يُباع هذا النظام لبحريات الولايات المتحدة وكندا والمملكة المتحدة، مع طلبات بقيمة 75 مليون دولار حتى الآن.
بشكل عام، تحقق ASMC أفضل أداء من خلال استغلال تقنية الموصلية الفائقة في التطبيقات المتخصصة المتاحة اليوم، مع احتمال جاهزيتها لتطبيق مزيد من التقدمات في المستقبل. يجب أيضًا على المستثمرين ملاحظة أن السهم شهد تقلبًا شديدًا في الماضي، ويجب حساب المخاطر وفقًا لذلك.
مرجع الدراسة:
1.Deng, B. et al, (2025) إنشاء، تثبيت، والتحقق عند الضغط الجوي من الموصلية الفائقة الناجمة عن الضغط في Bi0.5Sb1.5Te3. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (6) e2423102122, https://doi.org/10.1073/pnas.2423102122
