علوم المواد
التقدم في المواد الفائقة التوصيل مفتاح الثورة التكنولوجية الجديدة
حدود المواد الفائقة التوصيل
الكهرباء هي واحدة من التكنولوجيات الأكثر تحولاً في التاريخ، مما يسمح بنقل شكل مفيد من الطاقة على مسافات طويلة. لكن كل نظام كهربائي يواجه مقاومة كهربائية، مما يؤدي إلى توليد الحرارة عند تطبيق تيار كهربائي.
توجد بديلة، وهي المواد الفائقة التوصيل. المواد الفائقة التوصيل لها مقاومة كهربائية صفرية، مما يسمح باستخدام تيارات قوية جداً دون توليد الحرارة أو الحقول المغناطيسية القوية.
بدون المواد الفائقة التوصيل، لن تكون العديد من التكنولوجيات الحديثة ممكنة، بما في ذلك معجلات الجسيمات، والأشعة المغناطيسية، وقطارات Maglev.
المشكلة هي أن جميع هذه التطبيقات تستند إلى المواد الفائقة التوصيل عند درجات حرارة منخفضة، حيث تكون المواد فائقة التوصيل فقط عند تبريدها إلى درجات حرارة منخفضة مثل 20 كلفن / -253 درجة مئوية / -423 درجة فهرنهايت، بما في ذلك مع الهليوم السائل.
لمعظم التطبيقات مثل المغناطيس في مفاعلات الاندماج التجريبية، يمكن أن تكون درجة الحرارة المطلوبة منخفضة مثل 4 كلفن (فقط 4 درجات فوق الصفر المطلق)، على الرغم من أن هذا يحسن (انظر أدناه).
درجات الحرارة المنخفضة جداً هذه صعبة الصيانة وتستهلك الكثير من الطاقة. لذلك، في حين أن التكنولوجيات والتطبيقات الأخرى يمكن أن تستفيد من المواد الفائقة التوصيل، فإنها نادراً ما تكون مجدية اقتصادياً للقيام بذلك.
المواد الفائقة التوصيل عند درجات حرارة عالية
هذا هو السبب في أن احتمال وجود مواد يمكنها البقاء فائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى هو перспектива مثيرة. في هذا السياق، درجة حرارة “عالية” يمكن أن تكون باردة مثل -185 درجة مئوية إلى -135 درجة مئوية ولكن هذا هو الكثير أكثر سهولة للوصول إليها من درجة حرارة المواد الفائقة التوصيل التقليدية، باستخدام النيتروجين السائل بدلاً من الهليوم السائل.
ولكن بالطبع، المادة المثالية ستكون فائقة التوصيل عند درجات حرارة أقل من درجة التجمد أو حتى درجة حرارة الغرفة.
المواد الفائقة التوصيل عند درجة حرارة الغرفة
في صيف 2023، انتشرت خبرة بعد نشر مقال علمي بعنوان “أول مادة فائقة التوصيل عند درجة حرارة الغرفة وضغط الجو“. تم وصف مادة تسمى LK-99 بأنها تعمل كمادة فائقة التوصيل حتى 127 درجة مئوية / 260 درجة فهرنهايت. أن استخدام مواد شائعة مثل النحاس والرصاص (نحاس رصاصي معزز – CSLA) فقط يضيف إلى إمكانية الاكتشاف.
بلورات النحاس – مصدر: DOE
حتى أنها أطلقت فقاعة صغيرة في الأسهم المتعلقة بالمواد الفائقة التوصيل، على سبيل المثال، +60٪ على أسعار أسهم American Superconductor.
ادعاء تم الطعن فيه على الفور ووجد صعوبة في تكراره.
قصة المواد الفائقة التوصيل LK-99
لكن هذه القصة لم تنتهي بعد. في يناير 2024، فريقان بحثيان آخران لاحظا أيضاً إمكانية LK-99 للفائقة التوصيل.
من المثير للاهتمام أن كل فريق أنشأ نسخته الخاصة من LK-99 من خلال طرق تصنيع مختلفة، مما يشير إلى أن النتائج الملاحظة هي على الأرجح مرتبطة بالمادة أكثر من أي نقص أو خطأ محتمل.
لذلك هناك بعض الأمل في أن هذا ليس إنذاراً كاذباً. ما يبدو أنه الحال هو أن عملية التصنيع غير فعالة للغاية، مما يجعل من السهل للفحص أن يعود بالنتيجة السلبية.
لذلك، فمن لا ي驚 أن تكرار الاكتشاف الأولي ل LK-99 لم يكن بالأمر السهل.
“… حتى العينات المُحضرة وفقاً للعملية الأفضل المعروفة حالياً (التي استخدموها) تميل إلى أن تحتوي على نسبة عالية من المادة غير الفائقة التوصيل مخلوطة مع الأجزاء الفائقة التوصيل المزعومة. في这种 الحالة، من السهل أن يُعلن عن العينات على أنها غير فائقة التوصيل بعد اختبارها.”
أحد عينات المواد الفائقة التوصيل التي استندوا إليها في ورقتهم كان قد تم تصنيعه في نوفمبر 2023، وتم تحديده على أنه غير فائق التوصيل، وكان على وشك التخلص منه في عدة نقاط من حياته.”
مصدر: Tom’s Hardware
إمكانية المواد الفائقة التوصيل
حتى لو ظلت المواد الفائقة التوصيل عند درجة حرارة الغرفة غير موجودة، قد يجد الباحثون طريقة لجعل المواد تبقى فائقة التوصيل عند درجات حرارة “عالية” مثل -80 درجة مئوية إلى -70 درجة مئوية.
هذا سوف يغير تماماً التطبيقات الممكنة، حيث يمكن أن تعتمد المواد الفائقة التوصيل على تكنولوجيا التبريد المستخدمة في الثلاجات التي تخزن اللقاحات المعتمدة على الحمض النووي الرايبوزي بدلاً من الهليوم السائل أو النيتروجين السائل.
من بين التطبيقات الممكنة التي نوقشت بالفعل في التسعينيات:
- أشعة مغناطيسية أفضل، مع دقة أعلى وأرخص في البناء والتشغيل، مما يسمح لها بأن تصبح فحصاً طبياً روتينياً.
- أنظمة الدفع الكهرومغناطيسي (تسمى أيضاً دفع مغناطيسي هيدروديناميكي (MHD)) لدفع السفن من خلال كهربة المياه.
- محركات كهربائية أكثر قوة وكفاءة.
- بطاريات أكثر كثافة وأمان مع تخزين الطاقة المغناطيسي الفائق التوصيل.
- مقومات وinterruptors وفتائل فائقة التوصيل لتحسين بنية شبكة الكهرباء.
- نقل الطاقة على مسافات طويلة بدون خسارة، مما يمكن أن يزيد من كفاءة الطاقة المتجددة، على سبيل المثال مع لوحات الطاقة الشمسية لا تزال في الشمس لتزويد مدينة بعيدة بألف كيلومتر.
- قطارات Maglev أو أنظمة Hyperloop أقل تكلفة وأسهل في الصيانة.
- مستشعرات / مقاييس مغناطيسية (أجهزة التداخل الكمومي الفائق التوصيل – SQUIDS) لتطبيقات في البيئات الصناعية.
- حوسبة كمومية فائقة التوصيل
- (يمكنك قراءة المزيد عن تقدم الحوسبة الكمومية في مقالنا “حالة الحوسبة الكمومية الحالية”).
- تطبيقات الدفاع والفضاء، بما في ذلك دروع الإشعاع، والإطلاق الكهرومغناطيسي، والدعامات المغناطيسية، والمستشعرات، والمدفع الرائع، والمدفع الحلقية، والليزر، وأسلحة الطاقة الأخرى.
مصدر: DOE
المواد الفائقة التوصيل والاندماج النووي
الاندماج النووي هو تطبيق آخر سوف يستفيد كثيراً من المواد الفائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى.
تعتمد جميع طرق تحقيق الاندماج النووي التجاري على مغناطيسات قوية جداً لاحتواء وضغط البلازما المسخنة عند عشرات أو مئات الملايين من الدرجات.
بعد نجاح أولي في 2021، عمل فريق بحثي في مركز العلوم والاندماج النووي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) على صنع مغناطيس فائق التوصيل قوي بما يكفي للاستخدام في مفاعلات الاندماج النووي.
تصميم المغناطيس الجديد الفائق التوصيل عند 16 كلفن بدلاً من 4 كلفن السابق. أحد الابتكارات الرئيسية هو إزالة所有 العزل حول سلك المغناطيس. هذا بدوره أفرغ مساحة لتحسينات أخرى، مثل عملية تصنيع أبسط أو قوة بنية أكثر.
مصدر: Phys.org
“قبل التأكيد في 5 سبتمبر، كانت المغناطيسات الفائقة التوصيل المتاحة قوية بما يكفي لتحقيق طاقة الاندماج – ولكن فقط عند أحجام وتكاليف لا يمكن أن تكون عملياً أو مجدية اقتصادياً. ثم، عندما أظهرت الاختبارات جدوى مغناطيس قوي عند حجم مخفض بشكل كبير، “تغيرت التكلفة للواط من مفاعل الاندماج النووي تقريباً بfactor of 40 في يوم واحد”
دينيس وايت – أستاذ الهندسة في شركة Hitachi America
نشروا اكتشافاتهم في مجموعة من 6 مقالات علمية منشورة فيIEEE Transactions on Applied Superconductivity. شرحوا بالتفصيل كيفية بناء مثل هذه المغناطيسات الفائقة التوصيل عند 16 كلفن، والتي تنتج مجالاً مغناطيسياً شديداً مثل 20 تيسلا.
اختبار الحد
مستعدين ليثبتوا أن تصميم المغناطيس الجديد الفائق التوصيل يمكن أن يعمل بأمان، لقد وضعوا أيضاً المغناطيس في مواقف صعبة. الاختبار الأخير أدى إلى انصهار المغناطيس جزئياً في أحد الزوايا. وحتى معظم عناصر المغناطيس نجت (95٪+)، مما يدل على متانة التصميم.
ما كان مثيراً للاهتمام هو أن نموذج الباحثين تنبأ بشكل مثالي بالطريقة التي فشل بها المغناطيس.
الخبرة أيضاً اختبأت سلسلة التوريد لمثل هذا المواد، باستخدام 300 كيلومتر (186 ميل) من المواد الفائقة التوصيل عند درجات حرارة عالية بالتعاون مع CFS (نظم الاندماج المشتركة، شركة منشقة من MIT)
مستقبل المغناطيس الفائق التوصيل للاندماج
لمدة أطول، سوف تعتمد مفاعلات الاندماج على مغناطيسات فائقة التوصيل معزولة بالهليوم السائل للبقاء تحت 20 كلفن.
然而، يبدو أن المواد الفائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى ليست فقط ممكنة ولكن من المحتمل أن تكون قابلة للتحقيق عند درجات حرارة أكثر إدارة.
في الأجل الطويل، يمكن أن تساعد مثل هذه المغناطيسات الفائقة التوصيل على تحسين أداء مفاعلات الاندماج، وكذلك خفض أسعارها، مما يسمح بالتجدير التجاري.
هذا سوف يفتح مصدراً几乎 لا نهائي للطاقة للإنسان، مما يجعل مشاكلنا الحالية المتعلقة بإنتاج الغذاء، وتنقية المياه، وتغير المناخ، والسفر إلى الفضاء، وغيرها، تافهة.
