تحت الضغط العالي ، يتحول الهيدروجين إلى معدن صلب بخصائص متميزة. حتى هذه اللحظة فان هذا مجرد ادعاء نظري. ولكن قريبا سيتمكن العلماء من إنتاج هذا المعدن الرائع والذي يمكن أن يمنح العالم كهرباء صديقة للبيئة وصواريخ فضائية أكثر قوة.
في مختبرات منشأة الاشعال الوطنية (NIF) في الولايات المتحدة ، تتعرض عينة صغيرة من الهيدروجين لضغط عالٍ, لدرجة أن الغاز قد تغيرت حالته إلى شكل سائل. ومع ذلك ، فقد بدأت للتو التجارب على سائل الهيدروجين.
يطلق العلماء الآن أكبر ليزر في العالم ، والذي يعرض ضوءه الساطع غرفة الاختبار لقوى هائلة. تدريجيا يزداد الضغط ليصل إلى مليوني ضعف مما هو عليه في الغلاف الجوي ، وهو ما يعادل تقريباً ارتفاعه في قلب الأرض.
فجأة يحدث التحول. فمن اجهزة المراقبة يرى الباحثون أولا أن قطرات الهيدروجين الصافي في الغرفة تصبح قاتمة اللون وغير شفاف ، ثم تتحول إلى معدن سائل لامع.
في منشأة الاشعال الوطنية يوجد أكبر جهاز ليزر في العالم
لماذا العلماء متحمسون الى هذا الحد؟ نحن نعلم أن الهيدروجين المعدني السائل يشكل معظم الأجزاء الداخلية للكواكب الغازية العملاقة مثل المشتري وزحل ، لذا فإن القطرة الصغيرة ذات اللون الفضي يمكن أن تخبرنا بالكثير عن تلك الكواكب. والأهم من ذلك هو حقيقة أنها خطوة رئيسية نحو إنشاء هيدروجين معدني صلب ، والذي يعتبر دليلا قويا على صحة نظرية الفيزيائيين بانها مادة فريدة.
مع وجود الهيدروجين المعدني في شكله الصلب كوقود ، ستتمكن المركبة الفضائية من الوصول إلى مسافة أبعد من أي وقت مضى ، وفي امدادات الجهد العالي والدوائر الكهربائية ، يمكن للمعادن الفرعية إجراء التيار بدون مقاومة.
أخف العناصر باشكال مختلفة
الهيدروجين هو العنصر الاخف و الأكثر وفرة الكون. تتكون ذرة الهيدروجين من بروتون واحد محاط بإلكترون. في الطبيعة يكون الهيدروجين على شكل جزيئي مؤلف من ذرتين من الهيدروجين.
على الرغم من تركيبه البسيط يمكن أن يحدث الهيدروجين بشكل مدهش في عدد كبير من الحالات. تحت الضغط الجوي العادي ، يحدث الهيدروجين ، مثل جميع العناصر الأخرى ، في ثلاث حالات: شكل الغاز ، والشكل السائل والشكل الصلب.
الهيدروجين عنصر غازي حتى سالب 240 درجة وبعدها يكتثف في صيغة سائل. عند درجات حرارة أقل من 259 درجة تحت الصفر يتجمد السائل ويتحول إلى جليد هيدروجين.
مع زيادة الضغط ووارتفاع درجة الحرارة ، يمكن أن يتخذ الهيدروجين ثمانية أشكال أخرى مختلفة. في مثل هذه الظروف القاسية ، يكون الهيدروجين إما سائلًا أو صلبًا ، لكن كثافة الذرات تختلف ، مما يعطي المادة خصائص مختلفة.
في شكل سائل ، يمكن أن تحدث المادة في ثلاث حالات مختلفة ، منها الهيدروجين المعدني السائل الأكثر ضغطا .يتكون الهيدروجين المعدني السائل عند درجة حرارة لا تقل عن ألف درجة ومليوني ضغط جوي. ومع ذلك ، فإن الحالة غير مستقرة حيث يتبخر السائل بسرعة ويتحول إلى غاز عندما ينخفض ​​الضغط ، لذلك يمكن للباحثين فقط دراسة خصائص المادة لفترات قصيرة في مختبرات غرف الضغط العالي كما في NIF في كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية.
كانت النتيجة الجديدة للمختبر ، التي تم نشرها في المجلة العلمية Science في عام 2018 ، مشوقة. وفقًا لنظريات الفلكيين ، هناك محيطات داخلية من الهيدروجين المعدني السائل في جوف الكواكب العملاقة كالمشتري وزحل. ويعتقد أن ما يقرب من 80 في المائة من كتلة الكواكب العملاقة هو ذلك المعدن السائل. كما يعتقدون أن هذه البحار تطعي تفسيرا لوجود الحقول المغناطيسية القوية للغاية للعمالقة الغازية.
لذلك ، فإن الخبر السار لعلماء الفلك هو أنه بعد عدة عقود من الابحاث ، أثبت علماء الفيزياء في النهاية أن الهيدروجين المعدني موجود بالفعل. الآن يمكنهم البدء في دراسة خصائص ذلك المعدن تجريبياً.هذا الاختراق يسهّل تفسير الملاحظات من مسبار الفضاء جونو ، الذي يدور حول المشتري ويسمح لنا بمعرفة المزيد حول كيفية تشكل المجال المغناطيسي الفوضوي للكوكب بالقرب من سطحه.
على وجه التحديد ، يريد الباحثون معرفة ما إذا كان الهيدروجين المعدني السائل له خصائص سائلة شائعة مثل الماء أو ما يسمى بالسائل فائق الجريان، حيث تتحرك الذرات دون مواجهة أي مقاومة. لذلك بمجرد أن يبدأ السائل في الحركة ، فإنه يستمر إلى الأبد. إذا ما وٌجد أن الهيدروجين المعدني فائق الجريان ، فإن 1لك يعني أن له تأثيرًا حاسمًا على أنماط الحركة في جوف العمالقة الغازية وبالتالي على خصائصها المغناطيسية.
البحث عن الهيدروجين المعدني الصلب
ستكون الخطوة الكبيرة التالية إنتاج الهيدروجين المعدني في شكله الصلب.
بدأ البحث عن الهيدروجين المعدني في وقت مبكر من عام 1935 ، عندما توقع الفيزيائيان الأمريكيان يوجين وينر وهيلارد هنتنغتون ( Eugene Wigner & Hillard Huntington) أنه يمكن ضغط الهيدروجين بشدة بحيث يتم تحويله من الغاز إلى مادة صلبة ذات خصائص معدنية وبنية ذرية أصغر بعشر مرات.
ووفقا لحساباتهم ، ستتم عملية التحويل هذه عند ضغط 250000 غلاف جوي ، لكن عقودا من التجارب أظهرت أن ضغطا أعلى مطلوب لتوليد هيدروجين معدني صلب.
في المقابل ، يتمتع الهيدروجين المعدني الصلب بميزة واضحة: من الناحية النظرية ، بمجرد الحصول على الشكل الصلب ، يتم الحفاظ على حالته تلك عند الضغط الجوي العادي ، على عكس الهيدروجين المعدني السائل.
ويمكن مقارنة الهيدروجين الصلب بالماس ، الذي يتكون من الكربون تحت ضغط مرتفع ودرجات حرارة عالية في باطن الأرض ، والذي يحتفظ بهيكله الذري المضغوط عند التقاطه من الأعماق. ولا يتضخم إلى الجرافيت.
حديثا وفي عام 2017 أجرت مجموعة بحثية بقيادة إسحاق سيلفيرا ( Isaac Silvera ) في جامعة هارفارد في الولايات المتحدة تجربة بأن عرضوا الهيدروجين الصلب إلى 4.95 مليون ضغا جويا في ما يسمى بضغط الماس ، حيث يتم وضع الهيدروجين الصلب بين سندانين من الألماس وضغطهما معا.
عينة الهيدروجين بين سنداني الألماس
لاحظ الباحثون كيف غيرت المادة حالتها من كونها عازلا شفافا ، أي مادة ليس لها قابلية توصيل الكهرباء ، إلى أشباه موصلات مظلمة ، بالإضافة إلى معدن صلب لامع وهو الأول من نوعه على الأرض.
ترك الباحثون العينة في خلية الضغط بينما تم نشر النتائج بسرعة في مجلة العلوم. قوبل اكتشافهم بحماس وتشكيك. حيث شكك بعض الفيزيائيين في أن العينة كانت في الواقع هيدروجين معدني. ومن أجل منع ضغط ذرات الهيدروجين في الالماس ، تم طلاء الالماس بالألومينا فائقة الكثافة. ومع ذلك ، يعتقد بعض الباحثين أن العينة تلوثت بالطلاء.
لذلك ، خطط إسحاق سيلفيرا لعدد من التجارب التي ستظهر بالتأكيد ما إذا كان الهيدروجين قد تغير إلى معدن صلب أم لا. أولاً ، سيتم إرسال الأشعة السينية من مسرِّع من خلال العينة أثناء وجودها في خلية الضغط لمعرفة ما إذا كان الهيدروجين يحتوي على البنية الذرية المعبأة بكثافة كما كان متوقعا. ثم يتم فتح الخلية للكشف عما إذا كان الهيدروجين المعدني مستقرا حتى عند الضغط الجوي. ثم تظهر القياسات الكهربائية ما إذا كان المعدن موصلا كهربائيا عاديا أم موصلا فائقا ، كما تتوقع النظرية.
ولكن قبل أن يبدأ الباحثون الاختبار ، سيقومون بإجراء قياس ليزر لقياس الضغط الفعلي في العينة. وهنا حلتّ الكارثة:
عندما بدأ تشغيل الليزر ، تحطمت احدى الماستين بسبب الشعاع في السندان ، وبعد ذلك اختفت العينة.
وفقا لسيلفيرا ، هناك تفسيران محتملان لهذا: قد تكون العينة ، التي كان سمكها 1.5 ميكرومتر فقط وعرضها 10 ميكرومتر - حوالي خمس قطر شعر الإنسان - مخفية في الالماس المسحوق أو حشوات الخلية التالفة. خلاف ذلك ، فإن الهيدروجين المعدني الصلب ببساطة غير مستقر عند الضغط الجوي ، مما يعني أن العينة قد تبخرت. سيكون هذا التفسير الأخير خيبة أمل كبيرة للباحثين ، لأنه حينها ستكون التطبيقات العملية للهيدروجين المعدني الصلب ضئيلة جدا.
الثورة التقنية وشيكة
ومنذ ذلك الحين ، عمل الباحثون على تحسين خلايا ضغط الألماس ليتمكنوا من تكرار التجربة .
من منظور تقني إذا استطاع سيلفيرا ومجموعته أن يستنتجوا أن الهيدروجين المعدني الصلب مستقر بنفس طريقة الألماس عندما ينخفض الضغط, فان هذا سيكون بمثابة ثورة تقنية مذهلة. لان ذلك يعني أنه من المرجح أن يكون المعدن فائق التوصيل في درجة حرارة الغرفة ، على عكس الموصلات الفائقة الموجودة فعليا ، والتي يجب تبريدها حتى 269 درجة مئوية تحت الصفر.
ان الموصلات الفائقة يمكنها أن تنقل التيار بدون مقاومة. وهذا يعني أن الكهرباء المرسلة في ملف من مادة فائقة التوصيل يمكن أن تنتقل حول الملف لأطول فترة ممكنة دون فقدان للطاقة. هذا يعني أنه يمكننا تخزين كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية من توربينات الرياح والخلايا الشمسية.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للكابل فائق التوصيل حمل كميات كبيرة من الطاقة إلى وجهات مختلفة من العالم دون فقدان الطاقة على طول الطريق.
لذلك ، يواصل الباحثون العمل على محاولة إنتاج الهيدروجين المعدني ، حتى على نطاق واسع ، بحيث يمكن تحويل عينات الهيدروجين الصغيرة في المختبر إلى كيلومترات من الكابلات المستخدمة في نقل الطاقة الكهربائية الخضراء في المستقبل.
حصريا لمنتديات فخامة العراق
في مختبرات منشأة الاشعال الوطنية (NIF) في الولايات المتحدة ، تتعرض عينة صغيرة من الهيدروجين لضغط عالٍ, لدرجة أن الغاز قد تغيرت حالته إلى شكل سائل. ومع ذلك ، فقد بدأت للتو التجارب على سائل الهيدروجين.
يطلق العلماء الآن أكبر ليزر في العالم ، والذي يعرض ضوءه الساطع غرفة الاختبار لقوى هائلة. تدريجيا يزداد الضغط ليصل إلى مليوني ضعف مما هو عليه في الغلاف الجوي ، وهو ما يعادل تقريباً ارتفاعه في قلب الأرض.
فجأة يحدث التحول. فمن اجهزة المراقبة يرى الباحثون أولا أن قطرات الهيدروجين الصافي في الغرفة تصبح قاتمة اللون وغير شفاف ، ثم تتحول إلى معدن سائل لامع.
في منشأة الاشعال الوطنية يوجد أكبر جهاز ليزر في العالم
لماذا العلماء متحمسون الى هذا الحد؟ نحن نعلم أن الهيدروجين المعدني السائل يشكل معظم الأجزاء الداخلية للكواكب الغازية العملاقة مثل المشتري وزحل ، لذا فإن القطرة الصغيرة ذات اللون الفضي يمكن أن تخبرنا بالكثير عن تلك الكواكب. والأهم من ذلك هو حقيقة أنها خطوة رئيسية نحو إنشاء هيدروجين معدني صلب ، والذي يعتبر دليلا قويا على صحة نظرية الفيزيائيين بانها مادة فريدة.
مع وجود الهيدروجين المعدني في شكله الصلب كوقود ، ستتمكن المركبة الفضائية من الوصول إلى مسافة أبعد من أي وقت مضى ، وفي امدادات الجهد العالي والدوائر الكهربائية ، يمكن للمعادن الفرعية إجراء التيار بدون مقاومة.
أخف العناصر باشكال مختلفة
الهيدروجين هو العنصر الاخف و الأكثر وفرة الكون. تتكون ذرة الهيدروجين من بروتون واحد محاط بإلكترون. في الطبيعة يكون الهيدروجين على شكل جزيئي مؤلف من ذرتين من الهيدروجين.
على الرغم من تركيبه البسيط يمكن أن يحدث الهيدروجين بشكل مدهش في عدد كبير من الحالات. تحت الضغط الجوي العادي ، يحدث الهيدروجين ، مثل جميع العناصر الأخرى ، في ثلاث حالات: شكل الغاز ، والشكل السائل والشكل الصلب.
الهيدروجين عنصر غازي حتى سالب 240 درجة وبعدها يكتثف في صيغة سائل. عند درجات حرارة أقل من 259 درجة تحت الصفر يتجمد السائل ويتحول إلى جليد هيدروجين.
مع زيادة الضغط ووارتفاع درجة الحرارة ، يمكن أن يتخذ الهيدروجين ثمانية أشكال أخرى مختلفة. في مثل هذه الظروف القاسية ، يكون الهيدروجين إما سائلًا أو صلبًا ، لكن كثافة الذرات تختلف ، مما يعطي المادة خصائص مختلفة.
في شكل سائل ، يمكن أن تحدث المادة في ثلاث حالات مختلفة ، منها الهيدروجين المعدني السائل الأكثر ضغطا .يتكون الهيدروجين المعدني السائل عند درجة حرارة لا تقل عن ألف درجة ومليوني ضغط جوي. ومع ذلك ، فإن الحالة غير مستقرة حيث يتبخر السائل بسرعة ويتحول إلى غاز عندما ينخفض ​​الضغط ، لذلك يمكن للباحثين فقط دراسة خصائص المادة لفترات قصيرة في مختبرات غرف الضغط العالي كما في NIF في كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية.
كانت النتيجة الجديدة للمختبر ، التي تم نشرها في المجلة العلمية Science في عام 2018 ، مشوقة. وفقًا لنظريات الفلكيين ، هناك محيطات داخلية من الهيدروجين المعدني السائل في جوف الكواكب العملاقة كالمشتري وزحل. ويعتقد أن ما يقرب من 80 في المائة من كتلة الكواكب العملاقة هو ذلك المعدن السائل. كما يعتقدون أن هذه البحار تطعي تفسيرا لوجود الحقول المغناطيسية القوية للغاية للعمالقة الغازية.
لذلك ، فإن الخبر السار لعلماء الفلك هو أنه بعد عدة عقود من الابحاث ، أثبت علماء الفيزياء في النهاية أن الهيدروجين المعدني موجود بالفعل. الآن يمكنهم البدء في دراسة خصائص ذلك المعدن تجريبياً.هذا الاختراق يسهّل تفسير الملاحظات من مسبار الفضاء جونو ، الذي يدور حول المشتري ويسمح لنا بمعرفة المزيد حول كيفية تشكل المجال المغناطيسي الفوضوي للكوكب بالقرب من سطحه.
على وجه التحديد ، يريد الباحثون معرفة ما إذا كان الهيدروجين المعدني السائل له خصائص سائلة شائعة مثل الماء أو ما يسمى بالسائل فائق الجريان، حيث تتحرك الذرات دون مواجهة أي مقاومة. لذلك بمجرد أن يبدأ السائل في الحركة ، فإنه يستمر إلى الأبد. إذا ما وٌجد أن الهيدروجين المعدني فائق الجريان ، فإن 1لك يعني أن له تأثيرًا حاسمًا على أنماط الحركة في جوف العمالقة الغازية وبالتالي على خصائصها المغناطيسية.
البحث عن الهيدروجين المعدني الصلب
ستكون الخطوة الكبيرة التالية إنتاج الهيدروجين المعدني في شكله الصلب.
بدأ البحث عن الهيدروجين المعدني في وقت مبكر من عام 1935 ، عندما توقع الفيزيائيان الأمريكيان يوجين وينر وهيلارد هنتنغتون ( Eugene Wigner & Hillard Huntington) أنه يمكن ضغط الهيدروجين بشدة بحيث يتم تحويله من الغاز إلى مادة صلبة ذات خصائص معدنية وبنية ذرية أصغر بعشر مرات.
ووفقا لحساباتهم ، ستتم عملية التحويل هذه عند ضغط 250000 غلاف جوي ، لكن عقودا من التجارب أظهرت أن ضغطا أعلى مطلوب لتوليد هيدروجين معدني صلب.
في المقابل ، يتمتع الهيدروجين المعدني الصلب بميزة واضحة: من الناحية النظرية ، بمجرد الحصول على الشكل الصلب ، يتم الحفاظ على حالته تلك عند الضغط الجوي العادي ، على عكس الهيدروجين المعدني السائل.
ويمكن مقارنة الهيدروجين الصلب بالماس ، الذي يتكون من الكربون تحت ضغط مرتفع ودرجات حرارة عالية في باطن الأرض ، والذي يحتفظ بهيكله الذري المضغوط عند التقاطه من الأعماق. ولا يتضخم إلى الجرافيت.
حديثا وفي عام 2017 أجرت مجموعة بحثية بقيادة إسحاق سيلفيرا ( Isaac Silvera ) في جامعة هارفارد في الولايات المتحدة تجربة بأن عرضوا الهيدروجين الصلب إلى 4.95 مليون ضغا جويا في ما يسمى بضغط الماس ، حيث يتم وضع الهيدروجين الصلب بين سندانين من الألماس وضغطهما معا.
عينة الهيدروجين بين سنداني الألماس
لاحظ الباحثون كيف غيرت المادة حالتها من كونها عازلا شفافا ، أي مادة ليس لها قابلية توصيل الكهرباء ، إلى أشباه موصلات مظلمة ، بالإضافة إلى معدن صلب لامع وهو الأول من نوعه على الأرض.
ترك الباحثون العينة في خلية الضغط بينما تم نشر النتائج بسرعة في مجلة العلوم. قوبل اكتشافهم بحماس وتشكيك. حيث شكك بعض الفيزيائيين في أن العينة كانت في الواقع هيدروجين معدني. ومن أجل منع ضغط ذرات الهيدروجين في الالماس ، تم طلاء الالماس بالألومينا فائقة الكثافة. ومع ذلك ، يعتقد بعض الباحثين أن العينة تلوثت بالطلاء.
لذلك ، خطط إسحاق سيلفيرا لعدد من التجارب التي ستظهر بالتأكيد ما إذا كان الهيدروجين قد تغير إلى معدن صلب أم لا. أولاً ، سيتم إرسال الأشعة السينية من مسرِّع من خلال العينة أثناء وجودها في خلية الضغط لمعرفة ما إذا كان الهيدروجين يحتوي على البنية الذرية المعبأة بكثافة كما كان متوقعا. ثم يتم فتح الخلية للكشف عما إذا كان الهيدروجين المعدني مستقرا حتى عند الضغط الجوي. ثم تظهر القياسات الكهربائية ما إذا كان المعدن موصلا كهربائيا عاديا أم موصلا فائقا ، كما تتوقع النظرية.
ولكن قبل أن يبدأ الباحثون الاختبار ، سيقومون بإجراء قياس ليزر لقياس الضغط الفعلي في العينة. وهنا حلتّ الكارثة:
عندما بدأ تشغيل الليزر ، تحطمت احدى الماستين بسبب الشعاع في السندان ، وبعد ذلك اختفت العينة.
وفقا لسيلفيرا ، هناك تفسيران محتملان لهذا: قد تكون العينة ، التي كان سمكها 1.5 ميكرومتر فقط وعرضها 10 ميكرومتر - حوالي خمس قطر شعر الإنسان - مخفية في الالماس المسحوق أو حشوات الخلية التالفة. خلاف ذلك ، فإن الهيدروجين المعدني الصلب ببساطة غير مستقر عند الضغط الجوي ، مما يعني أن العينة قد تبخرت. سيكون هذا التفسير الأخير خيبة أمل كبيرة للباحثين ، لأنه حينها ستكون التطبيقات العملية للهيدروجين المعدني الصلب ضئيلة جدا.
الثورة التقنية وشيكة
ومنذ ذلك الحين ، عمل الباحثون على تحسين خلايا ضغط الألماس ليتمكنوا من تكرار التجربة .
من منظور تقني إذا استطاع سيلفيرا ومجموعته أن يستنتجوا أن الهيدروجين المعدني الصلب مستقر بنفس طريقة الألماس عندما ينخفض الضغط, فان هذا سيكون بمثابة ثورة تقنية مذهلة. لان ذلك يعني أنه من المرجح أن يكون المعدن فائق التوصيل في درجة حرارة الغرفة ، على عكس الموصلات الفائقة الموجودة فعليا ، والتي يجب تبريدها حتى 269 درجة مئوية تحت الصفر.
ان الموصلات الفائقة يمكنها أن تنقل التيار بدون مقاومة. وهذا يعني أن الكهرباء المرسلة في ملف من مادة فائقة التوصيل يمكن أن تنتقل حول الملف لأطول فترة ممكنة دون فقدان للطاقة. هذا يعني أنه يمكننا تخزين كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية من توربينات الرياح والخلايا الشمسية.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للكابل فائق التوصيل حمل كميات كبيرة من الطاقة إلى وجهات مختلفة من العالم دون فقدان الطاقة على طول الطريق.
لذلك ، يواصل الباحثون العمل على محاولة إنتاج الهيدروجين المعدني ، حتى على نطاق واسع ، بحيث يمكن تحويل عينات الهيدروجين الصغيرة في المختبر إلى كيلومترات من الكابلات المستخدمة في نقل الطاقة الكهربائية الخضراء في المستقبل.
حصريا لمنتديات فخامة العراق
