علوم وتكنولوجيا

علماء يتوصلون إلى أبرد درجة حرارة سُجّلت على الإطلاق

أنتج خبراء من جامعة Bremen واحدة من “أبرد الأماكن في الكون” لبضع ثوان في المختبر، وذلك أثناء البحث في الخصائص الموجية للذرات.

ويعد الصفر المطلق – صفر كلفن، أو -459.67 درجة فهرنهايت – النقطة التي لا تمتلك فيها الذرات طاقة ولا تتحرك، وهي أبرد درجة حرارة يمكن الوصول إليها نظريا.

وللاقتراب من هذه النقطة قدر الإمكان، تلاعب الفريق بسحابة من الذرات لدرجة أنها كانت في حالة “توقف افتراضي”.

ولبضع ثوان، ظلت هذه الجسيمات ثابتة في درجة حرارة منخفضة إلى 38 بيكوكلفن (pK)، أي 38 تريليون درجة فوق الصفر المطلق.

ويقول الفريق إن هذا قد يكون له تداعيات كبيرة على فهمنا لميكانيكا الكم، فكلما كانت درجة الحرارة أكثر برودة، زاد تأثير المادة الغريبة.

كيف تم خفض درجة الحرارة؟

ولتحقيق درجة حرارة منخفضة بشكل ملحوظ، طور الفريق الألماني عملية خفضت درجة حرارة النظام عن طريق إبطاء الجسيمات إلى النقطة التي وصلت فيها إلى شبه توقف تام.

وهذه درجة حرارة منخفضة لا توجد موازين حرارة يمكنها اكتشافها، لذا فهي تستند في القياس إلى عدم وجود حركة حركية للجسيمات المرصودة.

وتُعرف الآلية المستخدمة لاكتشاف درجة الحرارة باسم “نظام عدسات موجة المادة في المجال الزمني”، ويمكنها رؤية المادة تتصرف مثل الموجة.

ولدراسة هذه الموجات، استخدم الفريق عدسة مغناطيسية سمحت لهم بتشكيل غاز كمي واستخدموه لصنع موجة مادة مركزة يمكنهم التحكم فيها والتأكد من التصرف بطريقة معينة.

وعلى عكس الغاز العادي، المصنوع من ترتيب فضفاض للجسيمات، فإن الغاز الكمومي أقل قابلية للتنبؤ به، والمعروف أيضا باسم مكثف بوز-آينشتاين.

وكتب الباحثون: “من خلال الجمع بين إثارة مكثف بوز-آينشتاين (BEC) مع عدسة مغناطيسية، نشكل نظاما لعدسة موجة المادة ذات المجال الزمني”.

ويضبط التركيز بواسطة قوة إمكانية العدسة. ومن خلال وضع التركيز على ما لا نهاية، نخفض إجمالي الطاقة الحركية الداخلية لـ BEC إلى 38 pK.

ويجري إنشاء BEC في مصيدة مغناطيسية، وبعد ذلك يتم إيقاف المصيدة، ويتمدد الغاز مبدئيا في جميع الاتجاهات المكانية الثلاثة.

وتمكنت العدسة المغناطيسية بالفعل من إبطاء هذا التمدد وتوحيد موجة المادة في الماضي، لكنها عملت في اتجاهين فقط.

ومع ذلك، فهذه هي المرة الأولى التي يتمكن فيها الباحثون من إيقاف التوسع في الاتجاه الثالث أيضا.

ويقول الباحثون إن التجارب المستقبلية يمكن أن تجعل الجسيمات أبطأ، وتستمر حتى 17 ثانية، ما يسمح بدراسة أكثر تفصيلا.

ونشرت النتائج في مجلة Physical Review Letters.

المصدر: ديلي ميل

 

اقرأ أيضاً: يزيد بمقدار مليون مرة على توتر الحقل المغناطيسي للأرض.. اختبار شدة أقوى مغناطيس نووي

اتخذ العلماء من معهد ماساتشوستس التكنولوجي خطوة سبعة أميال على طريق إنشاء مفاعل نووي حراري عملي، بصفته مصدرا لا ينضب للطاقة.

وذلك جنبا إلى جنب مع زملائهم من شركة Commonwealth Fusion Systems الناشئة والملياردير بيل غيتس، الذي يدعمهم ماليا.

وابتكر العلماء نوعا من المغناطيس استنادا إلى مواد فائقة التوصيل وعالية الحرارة. وخلال الاختبارات التي أجريت في 5 سبتمبر الجاري أنتج المغناطيس حقلا مغناطيسيا بشدة توتر 20 تسلا، ما يزيد بمقدار مليون مرة عن توتر الحقل المغناطيسي للأرض.

ولا يعتبر هذا الإنجاز رقما قياسيا بأي حال من الأحوال، إذ أن العلماء سبق لهم أن أنتجوا في ظروف المختبرات حقولا مغناطيسية تقارب شدة توترها 3 آلاف تسلا.

لكن الميزة الرئيسية للمغناطيس الجديد هي أبعاده حيث بلغ قطره بضعة أمتار فقط.

وسمحت المادة الجديدة بتقليل أبعاد العنصر الرئيسي للمفاعل النووي الحراري وهي موصل كهربائي فائق التوصبل وعالي الحرارة يصنع من أكسيد الإيتريوم والباريوم والنحاس ولا يتطلب التبريد.

وعلى سبيل المقارنة فإن قطر المغناطيس للمفاعل النووي الحراري الدولي (ITER) الذي لا يزال قيد الإنشاء في فرنسا يزيد بمقدار 3 أضعاف عن قطر المغناطيس الذي اخترعه العلماء الأمريكيون. وسينتج المغناطيس الفرنسي شدة التوتر 13 تسلا، أي أقل من شدة التوتر المغناطيسي في المفاعل الدولي.

ويعتقد العلماء أن 13 تسلا كافية للحفاظ على البلازما النووية الحرارية، أما 20 تسلا فتعتبر شدة فائضة. لكن المفاعل، الذي سيعتمد على الموصّلات فائقة التوصيل وعالية الحرارة ومغناطيس أكثر إحكاما، سيكون أبسط وأخف وزنا.

وقد أطلق العلماء من معهد ماساتشوستس على مفاعلهم النووي الحراري تسمية SPARC، ويعتزمون تجميع قناة بلازما دائرية تتضمن 16 قسما مغناطيسيا. ويتوقع أن يتم إطلاقه بحلول عام 2025 لينتج طاقة 100 ميغاواط، ما يزيد أضعافا عن كمية الطاقة اللازمة لتشغيل المفاعل النووي الحراري.

المصدر: كومسومولسكايا برافدا

 

اقرأ أيضاً: “يرفع حاملة طائرات”.. مغناطيس ضخم للمساعدة في مكافحة تغير المناخ

توصلت فرق تعمل في قارتين إلى انجازات مهمة متماثلة في جهود كل منها للاستفادة من مصدر طاقة رئيسي لمكافحة تغير المناخ، حيث انتجت هذه الفرق مغناطسيا لافتا جدا للنظر.

اليوم الخميس، تسلم علماء في المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي (إيتير) في جنوب فرنسا الجزء الأول من مغناطيس ضخم شديد القوة لدرجة أن الشركة الأميركية المصنعة له تزعم أن بمقدوره رفع حاملة طائرات.

المغناطيس الذي يبلغ ارتفاع حوالي 20 مترا وقطره أكثر من أربعة أمتار عند تجميعه بالكامل، هو عنصر حاسم في محاولة 35 دولة لإتقان الاندماج النووي.

على نحو منفصل، أعلن علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وشركة خاصة هذا الأسبوع أنهم حققوا أيضا خطوة مهمة من خلال الاختبار الناجح لأقوى مغناطيس فائق التوصيل بدرجة حرارة عالية في العالم، والذي قد يسمح للفريق بالتقدم بخطوات واسعة في سبيل انجاز مفاعل إيتير من أجل الوصول إلى ما يطلق عليه “بناء شمس على الأرض”.

على عكس مفاعلات الانشطار الحالية التي تنتج نفايات مشعة وفي بعض الأحيان حالات انصهار كارثية، يقول مؤيدو الاندماج إنه يوفر إمدادا نظيفا وغير محدود فعليا من الطاقة.

إذا كان الأمر كذلك، فبإمكان العلماء والمهندسين اكتشاف كيفية تسخير مثل هذه الطاقة التي عملوا على حل مشكلتها على مدار ما يقرب من قرن.

بدلا من تقسيم الذرات، يحاكي الاندماج عملية تحدث بشكل طبيعي في النجوم لدمج ذرتين من الهيدروجين معا وانتاج ذرة هيليوم – بالإضافة إلى شحنة كبيرة كاملة من الطاقة.

يتطلب تحقيق الاندماج كميات لا يمكن تخيلها من الحرارة والضغط

تتمثل إحدى الطرق لتحقيق ذلك في تحويل الهيدروجين إلى غاز مشحون كهربائيا، أو بلازما، والتي يتم التحكم فيها بعد ذلك في غرفة مفرغة على شكل حلقة دائرية.

يتم ذلك بمساعدة مغناطيس قوي فائق التوصيل مثل “الملف اللولبي المركزي” الذي بدأت شركة جنرال أتوميكس في شحنه من سان دييغو إلى فرنسا هذا الصيف.

مضاعفة إنتاج الطاقة من “الاندماج النووي”
وقبل أيام أعلن معهد علمي أمريكي أنه يوشك على تحقيق هدف طويل الأمد في مجال أبحاث الاندماج النووي.

ويستخدم معهد الإشعال الوطني أشعة ليزر قوية لتسخين وضغط وقود الهيدروجين، وبدء عملية الاندماج النووي.

وتشير إحدى التجارب إلى أن الهدف من “الاشتعال”، حيث تتجاوز الطاقة المنبعثة من الاندماج الطاقة الناتجة عن الليزر، أصبح الآن وشيكا.

ويمكن أن توفر عملية “تسخير الاندماج” ، وهي نفس العملية التي تمد الشمس بالطاقة، مصدر طاقة نظيفًا غير محدود.

وفي عملية تسمى اندماج الحبس بالقصور الذاتي، يتم توجيه 192 حزمة من ليزر إن آي إف، أعلى مثال للطاقة في العالم، نحو كبسولة بحجم حبة الفلفل تحتوي على الديوتيريوم والتريتيوم، وهما أشكال مختلفة من عنصر الهيدروجين.

يؤدي هذا إلى ضغط الوقود إلى 100 مرة كثافة الرصاص وتسخينه إلى 100 مليون درجة مئوية، وهو ما يعد أكثر حرارة من مركز الشمس.

تساعد هذه الشروط على بدء عملية الاندماج النووي الحراري. وأسفرت تجربة أجريت في 8 أغسطس/آب عن تولد 1.35 ميغا جول من الطاقة – ما يعادل حوالي 70 ٪ من طاقة الليزر التي تم تسليمها إلى كبسولة الوقود.

ويعني الوصول إلى الإشعال الحصول على عائد اندماج أكبر من 1.9 ميغا جول من الليزر.

ولإدراك حجم التقدم الحادث ، فإنه يمكن الإشارة إلى أن العائد من تجربة هذا الشهر هو ثمانية أضعاف الرقم القياسي السابق لليزر إن آي إف، والذي تم إنشاؤه في ربيع عام 2021، و 25 ضعف العائد من التجارب التي أجريت في عام 2018.

المصدر: أسوشيتد برس + BBC

 

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى