التقدم في مجال الموصلية الفائقة يمهد الطريق لثورة تكنولوجية جديدة

حدود الموصلية الفائقة

كانت الكهرباء واحدة من أكثر التقنيات تحولًا في التاريخ، حيث تسمح بنقل شكل مفيد جدًا من الطاقة عبر مسافات طويلة. لكن كل نظام كهربائي يواجه مقاومة كهربائية، مما يؤدي إلى توليد حرارة عند تطبيق التيار الكهربائي.

هناك بديل يُعرف بالمادة الفائقة التوصيل. تمتلك المواد الفائقة التوصيل مقاومة كهربائية صفرية، مما يسمح باستخدام تيارات قوية جدًا دون توليد حرارة أو حقول مغناطيسية قوية.

بدون الموصلية الفائقة، لا يمكن تحقيق العديد من التقنيات الحديثة، بما في ذلك مسارعات الجسيمات، والرنين المغناطيسي (MRI)، والقطارات المغناطيسية (maglev).

المشكلة هي أن جميع هذه التطبيقات تعتمد على الموصلية الفائقة ذات درجات الحرارة المنخفضة، حيث تكون المواد فائقة التوصيل فقط عندما تُبرَّد إلى درجات حرارة منخفضة مثل 20 كلفن/‑253°م/‑423°ف، بما في ذلك باستخدام الهيليوم السائل.

في بعض التطبيقات مثل المغناطيسات في مفاعلات الاندماج التجريبية، قد تكون درجة الحرارة المطلوبة منخفضة حتى 4 كلفن (فقط 4 درجات فوق الصفر المطلق)، على الرغم من أن هذا يتحسن (انظر أدناه).

إن الحفاظ على مثل هذه درجات الحرارة المنخفضة للغاية صعب ويتطلب الكثير من الطاقة. لذا، رغم أن تقنيات وتطبيقات أخرى قد تستفيد من الموصلية الفائقة، فإن ذلك نادرًا ما يكون مجديًا اقتصاديًا.

الموصلية الفائقة ذات درجة حرارة مرتفعة

لهذا السبب فإن احتمال وجود مواد تستطيع البقاء فائقة التوصيل عند درجات حرارة أعلى يُعدّ أمرًا مثيرًا. في هذا السياق، يمكن أن تكون “الدرجة العالية” باردة مثل -185°م إلى -135°م، لكن الوصول إليها أسهل بكثير من درجة الحرارة التقليدية للموصلية الفائقة، باستخدام النيتروجين السائل بدلاً من الهيليوم السائل.

ولكن بالطبع، المادة المثالية ستكون فائقة التوصيل عند درجات حرارة أقل قليلًا من التجمد أو حتى عند درجة حرارة الغرفة.

الموصلية الفائقة عند درجة حرارة الغرفة

في صيف 2023، انتشر خبر على الإنترنت بعد نشر مقال علمي بعنوان “أول موصل فائق يعمل عند درجة حرارة الغرفة وضغط محيطي“. وُصف مادة تُدعى LK-99 بأنها تعمل كموصل فائق حتى 127°م/260°ف. استخدام مواد شائعة مثل النحاس والرصاص (أباتيت رصاصي مستبدل بالنحاس – CSLA) زاد من إمكانات الاكتشاف.

بلورات النحاس – المصدر: DOE

حتى أنه أثار فقاعة صغيرة في أسهم الشركات المرتبطة بالموصلية الفائقة، على سبيل المثال، ارتفعت أسعار أسهم American Superconductor (AMSC ) بنسبة +60٪.

تم الاعتراض على الادعاء على الفور ووجد أنه من الصعب تكراره.

قصة موصلية LK-99 الفائقة

لكن هذه القصة لم تنته بعد. في يناير 2024، فريقان بحثيان آخران لاحظا أيضًا إمكانات LK-99 لـالموصلية الفائقة.

ومن المثير للاهتمام أن كل فريق أعاد إنشاء نسخته الخاصة من LK-99 باستخدام طرق تصنيع مختلفة، مما يشير إلى أن النتائج التي لوحظت ربما ترتبط بالمادة أكثر من أي شوائب أو أخطاء محتملة.

لذا هناك بعض الأمل أن هذا ليس إنذارًا كاذبًا. ما يبدو هو أن عملية التصنيع، في الوقت الحالي، غير فعّالة للغاية، مما يجعل من السهل أن تكون نتيجة الاختبار سلبية.

لذلك، ربما ليس من المفاجئ أن تكرار الاكتشاف الأولي لـ LK-99 كان صعبًا للغاية.

“…حتى العينات التي تم تصنيعها وفقًا لأفضل عملية معروفة حاليًا (التي استخدموها) تميل إلى احتواء نسبة عالية من مادة غير فائقة التوصيل مختلطة مع الأجزاء التي يُزعم أنها فائقة التوصيل. في هذا السيناريو، من السهل إعلان العينات كفاشلة بشكل خاطئ حتى بعد اختبارها.

إحدى العينات الفائقة التي استندوا إليها في ورقتهم صُنعت في نوفمبر 2023، وتُقرّر أنها غير صالحة، وكانت على وشك أن تُرمى في عدة مراحل من عمرها.”

Source: Tom’s Hardware

إمكانات الموصلية الفائقة

حتى إذا ظلت الموصلات الفائقة عند درجة حرارة الغرفة صعبة المنال، قد يجد الباحثون طريقة للحفاظ على المادة فائقة التوصيل عند درجات حرارة “عالية” مثل -80°م إلى -70°م.

سيغير ذلك تمامًا التطبيقات الممكنة، حيث يمكن للموصلية الفائقة الاعتماد على تقنية التبريد المستخدمة في المجمدات التي تخزن لقاحات mRNA بدلاً من الهيليوم أو النيتروجين السائل الأكثر تكلفة.

• MRI أفضل, مع دقة أعلى وتكلفة بناء وتشغيل أقل، يسمح بأن يصبح فحصًا طبيًا أكثر روتينية.
• أنظمة دفع كهرومغناطيسي (also called المغناطيسية الهيدروديناميكية (MHD) drives) لدفع السفن عبر كهرباء مياه البحر.
• أكثر قوة وكفاءة محركات كهربائية.
• بطاريات ذات كثافة أعلى وأمان أكبر مع تخزين الطاقة المغناطيسية الفائقة (SMES).
• محدّدات، مفاتيح، وصمامات فائقة التوصيل لتحسين بنية شبكة الكهرباء.
• نقل الطاقة لمسافات طويلة دون خسائر, مما قد يعزز كفاءة الطاقة المتجددة، على سبيل المثال باستخدام الألواح الشمسية التي لا تزال تحت الشمس لتزويد مدينة على بعد آلاف الكيلومترات بالطاقة.
• أرخص وأسهل صيانة قطارات مغناطيسية أو لاحقًا أنظمة الهايبرلوب.
• أجهزة استشعار/مقاييس مغناطيسية (الأجهزة الفائقة لتداخل الكم – SQUIDS) للتطبيق في البيئات الصناعية.
• الحوسبة الكمومية الفائقة
  • (يمكنك قراءة المزيد عن تقدم الحوسبة الكمومية في مقالتنا “الحالة الحالية للحوسبة الكمومية”).
• تطبيقات الدفاع والفضاء, بما في ذلك دروع الإشعاع، الإطلاقات الكهرومغناطيسية، المحامل المغناطيسية، المستشعرات، مدافع السكك الحديدية، مدافع اللفائف، الليزر، وغيرها من أسلحة الطاقة.

المصدر: DOE

الموصلية الفائقة والاندماج النووي

الاندماج النووي هو تطبيق آخر سيستفيد بشكل كبير من الموصلات الفائقة التي تعمل عند درجات حرارة أعلى.

جميع طرق تحقيق الاندماج النووي التجاري تعتمد على مغناطيسات قوية للغاية لاحتواء وضغط البلازما التي تُسخن إلى عشرات أو مئات الملايين من الدرجات.

بعد نجاح أولي في عام 2021، عمل فريق بحثي في مركز علوم البلازما والاندماج التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (PSFC) على صنع مغناطيس فائق التوصيل قوي بما يكفي لاستخدامه في مفاعلات الاندماج النووي.

تصميم المغناطيس الاندماجي الجديد فائقة التوصيل عند 16 كلفن بدلاً من 4 كلفن السابقة. إحدى الابتكارات الرئيسية هي إزالة جميع العزل حول سلك المغناطيس الموصل. وهذا بدوره وفر مساحة لمزيد من التحسينات، مثل عملية تصنيع أبسط أو قوة هيكلية أكبر.

المصدر: Phys.org

“قبل عرض 5 سبتمبر، كانت أفضل المغناطيسات الفائقة المتاحة قوية بما يكفي لتحقيق طاقة الاندماج—ولكن فقط بأحجام وتكاليف لا يمكن أن تكون عملية أو مجدية اقتصاديًا. ثم، عندما أظهرت الاختبارات جدوى مثل هذا المغناطيس القوي بحجم أصغر بكثير، “في ليلة واحدة، غيرت أساسًا تكلفة الواط لمفاعل الاندماج بعامل يقارب 40 في يوم واحد”.

Dennis Whyte – أستاذ الهندسة في شركة Hitachi America

نشروا اكتشافاتهم في مجموعة من 6 أوراق علمية نُشرت في IEEE Transactions on Applied Superconductivity. شرحوا بالتفصيل كيفية بناء مثل هذه المغناطيسات الاندماجية عند 16 كلفن، والتي تولد حقلًا مغناطيسيًا قويًا يصل إلى 20 تسلا.

اختبار الحد

حريصين على إثبات أن تصميم المغناطيس الاندماجي الجديد يمكنه العمل بأمان، وضعوه أيضًا في مواقف صعبة. الاختبار الأخير أدى إلى ذوبان جزئي للمغناطيس في أحد الزوايا. وحتى معظم عناصر المغناطيس نجت (أكثر من 95٪)، مما يدل على صلابة التصميم.

ما كان مثيرًا للإعجاب بنفس القدر هو أن نموذج الباحثين توقع بدقة طريقة فشل المغناطيس.

كما اختبرت التجربة سلسلة التوريد لمثل هذه المادة، باستخدام 300 كيلومتر (186 ميل) من الموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية بالتعاون مع CFS (Commonwealth Fusion Systems، شركة ناشئة من MIT).

مستقبل مغناطيس الاندماج الفائق التوصيل

لفترة أخرى، ستعتمد مفاعلات الاندماج على موصلات فائقة مفهومة ومختبرة جيدًا باستخدام الهيليوم السائل للبقاء تحت 20 كلفن.

ومع ذلك، يبدو أن الموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة الأعلى ليست ممكنة فحسب، بل من المحتمل أن تكون قابلة للتنفيذ عند درجات حرارة أكثر قابلية للإدارة.

على المدى الطويل، يمكن لمثل هذه المغناطيسات الفائقة تحسين أداء مفاعلات الاندماج، وكذلك خفض تكلفتها، مما يسمح بجدواها التجارية.

سيؤدي ذلك إلى فتح مصدر طاقة شبه غير محدود للبشرية، مما يجعل مشكلاتنا الحالية المتعلقة بإنتاج الغذاء، وتحلية المياه، وتغير المناخ، والسفر إلى الفضاء، وغيرها، تافهة.