اكتشاف علمي حول انصهار الألماس قد يضاعف طاقة الاندماج النووي ثلاث مرات

قد يسهم اكتشاف علمي جديد حول انصهار الألماس في تغيير مستقبل الطاقة النظيفة جذرياً، وذلك عبر مضاعفة مكاسب الطاقة ثلاث مرات في عمليات الانشطار والاندماج النووي الموجه بالليزر. نجح باحثون في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) في مراقبة سلوك الألماس تحت ضغوط تفوق تلك الموجودة في قلب كوكب الأرض بثلاث مرات. ويحل هذا الاكتشاف تبايناً علمياً استمر لعقود بين البيانات التجريبية وعمليات المحاكاة الميكانيكية الكمومية.

في تقنية الاندماج بالحصر القصور الذاتي (Inertial Confinement Fusion)، يُستخدم هذا الشكل شديد الصلابة من الكربون لصنع الكبسولة التي تغلف الوقود النووي. وخلال عملية الاندماج، تتعرض هذه المادة لضغوط ودرجات حرارة هائلة. وحتى وقت قريب، واجه العلماء صعوبة في التنبؤ الدقيق بكيفية تصرف الألماس تحت هذه الظروف القاسية، مما أعاق كفاءة تفاعلات الاندماج.

تمكنا من أخذ عينات صغيرة من الألماس وضغطها بصدمات حرارية تفوق حرارة سطح الشمس، وبضغوط تتجاوز تلك الموجودة في مركز كوكبي نبتون وأورانوس، مع الاستمرار في قياس البنية الذرية ودرجة الحرارة والكثافة والانعكاس البصري.

- ماريوس ميلوت، عالم في مختبر LLNL

يعتمد هذا البحث على العمل التأسيسي الذي قاده العالم جون إيجيرت في مختبر LLNL قبل نحو 20 عاماً، والذي كشف أن كثافة الألماس تزداد فعلياً عند انصهاره. وهذا يعني أنه، تماماً مثل طفو الجليد في الماء السائل، فإن الألماس الصلب يطفو في الكربون السائل عند تعرضه لضغوط عالية. ومع ذلك، ترك هذا الاكتشاف الأولي المجتمع العلمي في حيرة بسبب وجود فارق بنسبة 20% تقريباً بين درجات حرارة انصهار الألماس المرصودة وتلك المتوقعة نظرياً.

وفقاً لما نُشر في الدراسة الجديدة في مجلة Nature، تمكن الباحثون أخيراً من مطابقة النتائج التجريبية مع عمليات المحاكاة الحاسوبية المتقدمة. وأثبت الفريق أن بنية الألماس تظل متماسكة حتى ضغط هائل يبلغ 1 TPa. ويتعارض هذا بشكل مباشر مع التقارير النظرية السابقة التي توقعت تحولاً إلى مرحلة مختلفة ومستقرة ديناميكياً حرارياً من الكربون عند مستويات الضغط تلك.

تقدم النتائج دليلاً ملموساً على الانصهار الناتج عن الصدمات، مع ملاحظة انخفاض طفيف في درجة حرارة الانصهار مع زيادة الضغط بالقرب من 7,300 K. ويُعد هذا المعيار على المستوى الذري بالغ الأهمية لعدة مجالات علمية:

• الاندماج النووي: يمكن أن يؤدي تطبيق هذه القياسات الدقيقة على نماذج الاندماج بالحصر القصور الذاتي إلى تحسين مرحلة ضغط الوقود، مما قد يضاعف إجمالي مكاسب الطاقة ثلاث مرات.
• علوم الكواكب: تعيد هذه البيانات تشكيل فهمنا للكواكب الجليدية العملاقة مثل نبتون وأورانوس، حيث يعتقد العلماء أن الألماس يمطر حرفياً في أعماقها الداخلية.
• ميكانيكا الكم: تقدم النتائج معايير عالية الدقة لعمليات المحاكاة الكمومية للمادة المكثفة تحت الظروف القاسية.

لا يمكن المبالغة في أهمية مضاعفة مكاسب الطاقة ثلاث مرات. لعقود من الزمن، كانت العقبة الرئيسية في الاندماج النووي الموجه بالليزر هي تحقيق ناتج طاقة إيجابي صافٍ، أي الحصول على طاقة من التفاعل تفوق تلك التي تضخها أجهزة الليزر الضخمة. ومن خلال الفهم الدقيق لنقاط الانهيار الحراري والهيكلي لكبسولات وقود الألماس، يمكن للمهندسين تصميم انفجارات داخلية أكثر كفاءة تهدر قدراً أقل من طاقة الليزر.

ينقل هذا الاكتشاف المحادثة من الفيزياء النظرية البحتة إلى الهندسة العملية. وإذا تمكن مختبر LLNL من تطبيق نموذج الكربون عالي الضغط المُحدّث هذا باستمرار على أهداف الاندماج الخاصة بهم، فإنه سيسد فجوة هائلة بين التجارب المعملية وحلم بناء شبكة طاقة نظيفة لا حدود لها وقابلة للتطبيق تجارياً. علاوة على ذلك، فإن القدرة على محاكاة المواد بدقة عند ضغط 1 TPa تفتح الباب لاكتشاف مواد اصطناعية جديدة كلياً تتشكل تحت ظروف كان يُعتقد سابقاً أنه من المستحيل قياسها.