لطالما شكلت كفاءة الطاقة حجر الزاوية في التنمية الصناعية والاقتصادية لأي دولة. وعلى مدى عقود، سعى علم المواد إلى تحقيق هدف ذي آثار هائلة على البنية التحتية: الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة. تخيل شبكات كهربائية يتدفق فيها التيار دون أي مقاومة، مما يقضي فعلياً على فقدان الحرارة الذي يكلف اقتصاداتنا مليارات الدولارات حالياً. إنه حلم هندسي، وفي نهاية المطاف حلم اقتصادي كلي، يبدو اليوم أنه يخطو خطوة حاسمة نحو الواقع بفضل أبحاث وزارة الطاقة الأمريكية في مختبر أرغون الوطني .
تُعدّ الموصلات الفائقة الحالية أدوات بالغة الأهمية للصناعة والطب، لكنها تنطوي على عبء تقني كبير. يسمح مبدأ عملها الفيزيائي بتدفق الكهرباء دون فقد أو تشتت، ولكن لتحقيق ذلك، تتطلب جميع هذه المواد تقريبًا درجات حرارة تشغيل قصوى، غالبًا ما تكون مئات الدرجات تحت الصفر.
تُستخدم الموصلات الفائقة حاليًا في قطاعات محددة:
- أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) في المستشفيات
- مسرعات الجسيمات الكبيرة للبحوث الأساسية
- قطارات الرفع المغناطيسي (ماجليف)
- أنظمة نقل الطاقة التجريبية المتقدمة وعالية الكفاءة
إلا أن الحفاظ على مثل هذه الظروف المبردة يتطلب أنظمة تبريد معقدة ومكلفة، مما يحد من استخدام هذه التقنية في المجالات التي يكون فيها التكلفة مبررة.
يأتي هذا الإنجاز اليوم من دراسة فئة معينة من المواد تُعرف باسم " الهيدريدات الفائقة ". وهي مركبات تتكون أساسًا من الهيدروجين، وترتبط معًا في بنية بلورية منتظمة بواسطة كمية ضئيلة من ذرات المعادن. وقد أثبت الباحثون أن هذه المواد يمكن أن تصل إلى حالة الموصلية الفائقة عند درجات حرارة أقل بكثير، حوالي -12 درجة مئوية (10 درجات فهرنهايت) . وهذا يُعد قفزة نوعية مقارنةً بدرجات حرارة التجمد الفلكية التي كانت مطلوبة سابقًا.
مع ذلك، ثمة عقبة تقنية كبيرة. لتفعيل خاصية الموصلية الفائقة في هذه الهيدريدات الفائقة، يجب تعريضها لضغوط هائلة، تُضاهي تلك الموجودة في باطن الأرض. نتحدث هنا عن ضغط يعادل 1.4 مليون ضعف الضغط الجوي القياسي تقريبًا. باختصار: لقد حلّ العلم إلى حد كبير مشكلة البرودة، لكنه أوجد مشكلة الانضغاط.
لتحقيق مستويات ضغط مماثلة في المختبر، استخدم فريق بقيادة الفيزيائي مادوري سومايازولو جهازًا مبتكرًا يُسمى " سندان الماس "، حيث قام بضغط عينة مجهرية بين وجهي ماسة. إنها طريقة رائعة، لكنها غير عملية بشكل واضح لمدّ كابلات الجهد العالي عبر ودياننا.
لكن الإنجاز الحقيقي في هذا البحث لا يكمن فقط في النتيجة التجريبية، بل في القدرة الجديدة على رصدها ومعالجتها. فبفضل التحديث الأخير لمصدر الفوتونات المتقدم (APS)، وهو مُسرِّع تابع لوزارة الطاقة الأمريكية يُنتج أشعة سينية عالية الطاقة، أصبح بإمكان العلماء الآن دراسة التركيب الذري لهذه المواد تحت ضغط هائل بتفاصيل غير مسبوقة . وقد سمح تركيز الأشعة السينية على عينة لا يتجاوز سمكها بضعة ميكرومترات (حوالي 1/70 من سمك شعرة الإنسان) بعزل بيانات المادة عن بيانات الماس المحيط بها.
دراسة الذرات باستخدام الأشعة السينية لتحديد الموصلية الفائقة.
أكدت النتائج أن التغيرات الطفيفة في ترتيب الذرات داخل الشبكة البلورية تؤثر بشكل كبير على الموصلية الفائقة. وقد تم تحديد بنيتين بلوريتين مختلفتين، كل منهما قادر على أن يصبح موصلاً فائقاً عند درجات حرارة مختلفة قليلاً. وبينما كان قد تم استخدام هيدريد فائق قائم على اللانثانوم سابقاً، اكتشف الباحثون أن إضافة كمية صغيرة من الإيتريوم جعلت البنية أكثر استقراراً، مما خفض الضغط المطلوب.
| السمة | الموصلات الفائقة التقليدية | مركبات فائقة الهيدريد جديدة (أبحاث أرغون) |
| درجة حرارة التشغيل | منخفضة للغاية (على سبيل المثال -200 درجة مئوية) | معتدل (حوالي -12 درجة مئوية) |
| الضغط المطلوب | الضغط الجوي الطبيعي | شديد (ملايين الأجواء) |
| نطاق التطبيق الحالي | يقتصر على الغرسات المزودة بتقنية التبريد العميق | تجريبية حصرية في المختبر |
| التأثير المستقبلي | الحفاظ على الوضع الراهن | ثورة في شبكات توزيع الكهرباء |
إذن، كيف ننتقل من المختبر إلى الصناعة؟ تعتمد استراتيجية العلماء على تشبيه الأمر بالألماس نفسه. ففي الطبيعة، لا يتشكل الألماس إلا تحت ضغوط ودرجات حرارة جيولوجية هائلة، ولكن مع مرور الوقت، تعلمت الصناعة تصنيعه في ظل هذه الظروف القاسية. والهدف هو اتباع المسار نفسه مع الهيدريدات الفائقة.
تتمثل الفكرة في إضافة عناصر كيميائية جديدة تدريجيًا لخفض عتبة الضغط المطلوبة بشكل متزايد . لا تُعدّ البيانات التجريبية فائقة النقاء التي يوفرها جهاز APS غايةً في حد ذاتها، بل ستُستخدم لتغذية النماذج النظرية وأدوات الذكاء الاصطناعي. فبدلًا من خوض تجارب فيزيائية لا حصر لها، سيُحاكي الذكاء الاصطناعي عددًا لا يُحصى من التركيبات متعددة العناصر، مُقترحًا فقط السبائك الواعدة ليقوم الباحثون باختبارها عمليًا.
هذا مثال كلاسيكي، بل ومُثمر، للاستثمار العام في البحوث الأساسية، الضرورية لإطلاق العنان للابتكار التكنولوجي الذي يصعب على الشركات الخاصة وحدها تمويله. إذا ثبتت صحة الحسابات، فإن اكتشاف مادة فائقة التوصيل عند درجة حرارة وضغط الغرفة سيغير وجه البنية التحتية الكهربائية العالمية إلى الأبد، مُحررًا الطاقة أخيرًا من ضريبة فقدان الحرارة غير المرئية.
المقال " الثورة الكهربائية تمر عبر الماس: كيف يسعى مختبر أرغون وراء الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة" مأخوذ من "السيناريوهات الاقتصادية" .