التصنيف: فيزياء

ظلت ليزرات الأشعة السينية مدة طويلة مادة خصبة للخيال العلمي. ولم يبدأ أول جهاز منها بالعمل لغرض علمي إلا قبل اثني عشرة سنة، وذلك في جامعة ستانفورد باعتبارها مرفقا تابعا لمكتب العلوم في وزارة الطاقة الأمريكية. ويستمد هذا الجهاز، المعروف باسم منبع الضوء المترابط للمسرع الخطي (LCLS) طاقته من أطول مسرع جسيمات خطي في العالم، في مختبر المسرع الوطني SLAC. وقدي جري بواسطته تكوين حالات غريبة للمادة لم تحصل في أي مكان أخر من الكون، وذلك بتعريض الذرات والجزيئات والجوامد لنبضات أشعة سينية ذات شدة عالية. فماهو هذا الجهاز؟ وما هي خصائصه؟

ألية عمل الأشعة السينية

إذا وضعنا ذرة أو جزيئا أو حبيبة غبار في وجه أقوى ليزر للأشعة السينية في العالم، فإنه لن يكون أمامها أي فرصة للنجاة. إذ تصل درجة حرارة تلك المادة المضاءة بالليزر إلى أعلى من مليون “كلفن” كما في حالة الشمس. وذلك في غضون أقل من جزء واحد من تريليون جزء من الثانية. وعلى سبيل المثال، تفقد ذرات النيون الخاضعة لمثل هذه الظروف الاستثنائية جميع إلكتروناتها العشرة سريعا وبمجرد خسارتها لغلافها الإلكتروني الواقي تنفجر مبتعدة عن الذرات المجاورة. ويمثل مسار حطامها مشهدا فاتنا جدا للفيزيائيين.

إن ما يجعل هذه العملية مدهشة هو أن ضوء الليزر يطرد إلكترونات الذرة من الداخل إلى الخارج. لكن الإلكترونات, التي تحيط بنواة الذرة على شكل طبقات مدارية شبيهة بطبقات البصل، لا تتفاعل جميعا بتجانس مع حزمة الأشعة السينية. لأن الطبقات الخارجية شفافة تقريبا لهذه الأشعة. ولذا فإن الطبقة الداخلية هي التي تقع تحت وطأة الإشعاع، تماما كما تسخْن القهوة في الفنجان الموضوع في فرن موجات ميكروية قبل الفنجان بمدة طويلة_ كما يتضح فى الشكل المقابل. فإن الأشعة السينية تقوم بطرد إلكترونات المدار الداخلي K _. وينطلق الإلكترونان الموجودان في تلك الطبقة إلى الخارج مخلفين وراءهما حيزا فارغا فتغدو الذرة جوفاء. وخلال بضع فيمتوثوان، تمتص إلكترونات أخرى إلى الداخل لتحل محل الإلكترونات المفقودة. وتتكرر دورة تكوين التجويف الداخلي وملء الفراغ حتى لا يتبقى أي إلكترون حول الذرة. وتحدث هذه العملية في الجزيئات وفي المادة الصلبة أيضا.[1]

لكن تلك الحالة الغريبة لا تدوم إلا بضع فيمتوثوان.  وفي الجوامد، تتفكك المادة إلى حالة متأينة, أي إلى بلازما كثيفة وساخنة لا توجد عادة إلا في ظروف استثنائية من مثل تفاعلات الاندماج النووي أو في مراكز الكواكب الضخمة. وعلى كوكب الأرض لا مثيل للحالة المتطرفة الخاطفة التي تنشأ عند تفاعل الذرة مع حزمة ليزر الاشعة السينية.

إحياء المسرع الخطي LCLS وفتح أفاق جديدة

 في الواقع استمد أول ليزر أشعة سينية طاقته من اختبار لقنبلة نووية تحت الأرض. فقد صنع ذلك الليزر من أجل مشروع سري اسمه إكسكاليبر Excalibur. ونفذه مختبر <لورنس ليفرمور> القومي. وكان ذلك الجهاز واحد من مكونات مبادرة الدفاع الاستراتيجي التي أطلقها الرئيس الأمريكي الأسبق <رونالد ريكان> والمسماة بحرب النجوم في ثمانينات القرن الماضي. حيث كان الغرض منها أن تعمل على إسقاط الصواريخ والأقمار الصناعية.[2]

إن الليزر المعروف بمنبع الضوء المترابط في المسرّع الخطي(LCLS) الموجود في مركز مسرّع ستانفورد الخطي (SLAC). يوقظ ذكريات منظومات “حرب‏ النجوم” المضادة للصواريخ تلك.[3] فقد قامت جامعة ستانفورد ببنائه كأطول مسرع إلكترونات في العالم. ويبلغ طول ذلك المسرع ثلاثة كيلومترات، ويبدو من الفضاء كإبرة موجهة إلي قلب الحرم الجامعي. إن ذلك المسرع الخطي مدين في نشأته للعديد من الإكتشافات وجوائز نوبل التى أبقت الولايات المتحدة فى طليعة فيزياء الجسيمات الأولية طوال عقود من الزمن. ومنذ إعادة إناطة مهام جديدة في الشهر 2009/10. غدت بالنسبة إلى فيزياء الذرة والبلازما والكيمياء وفيزياء المادة الكثيفة وعلم الأحياء، ما يمثله المصادم الهادروني الكبير (LHC). ويمكن لنبضات الأشعة السينية لمنبع الضوء المترابط LCLS أن تكون بالغة القصر ( بضع فيمتوثوان) إلي حد أنها تجعل الذرات تبدو جامدة. وهذا ما يمكن الفيزيائيين من رؤية التفاعلات الكيميائية أثناء حدوثها. وتلك النبضات شديدة السطوع أيضا، ولذا تسمح بتصوير البروتينات والجزيئات الحيوية الأخرى التي كانت دراستها شديدة الصعوبة.

ظلال الذرات وتصوير المسافات الضئيلة

يدمج ليزر الأشعة السينية أداتين من الأدوات الرئيسية التي يستعملها فيزيائيون اليوم التجريبيون. وهما منابع ضوء السنكروترونات Synchrotrons والليزرات الفائقة السرعة Ultrafast Lasers. أما السنكروترونات، فهي مسرعات مضمارية الشكل تدور الإلكترونات ضمنها وتصدر أشعة سينية تلج أجهزة قياس موضوعة حول محيط الآلة على هيئة دولاب ذي قضبان منبثقة من مركزه. وتستعمل أشعة السنكروترون السينية لدراسة أعماق الذرات والجزيئات والنُظم النانوية. فضوء الأشعة السينية مثالي لهذا الغرض، لأن أطوال موجاته من مقاس الذرة. [4] ولذا تولد الذرات ظلالا ضمن حزمة الاشعة السينية. وإضافة إلى ذلك، يمكن تعديل الأشعة السينية بحيث ترى أنواعا معينة من الذرات. كذرات الحديد فقط مثلا، وتبين مكان تموضعها ضمن الجسم الصلب أو ضمن جزيء كبير كجزيئات الهيمو جلويين (الحديد هو المسؤول عن اللون الآحمر للدم).

لكن ما تعجز عنه الأشعة السينية هو اقتفاء أثر الحركة الذرية ضمن الجزيء أو الجسم الصلب. فكل ما نراه حينئذ هو غشاوة باهتة. لأن النبضات ليست قصيرة ولا ساطعة بقدر كاف. ولا يمكن للسنكروترون تصوير الجزيئات إلا إذا كانت مصطفة على هيئة بلورات، حيث تقوم قوى موضعية بإبقاء الملايين منها في صفوف منتظمة.

وفيما يخص الليزرات، فإن ضوءها أشد سطوعا بكثير من الضوء العادي لأنه ضوء مترابط. إن الحقل الكهرومغناطيسي في الليزر ليس متموجا كسطح البحر الهائج، بل يهتز بنعومة وانتظام متحكم فيهما. ويعني الترابط ان الليزرات تستطيع تركيز طاقة هائلة ضمن بقعة صغيرة. وأنه يمكن إشعالها وإطفاؤها في برهة قصيرة من رتبة الفيمتوثانية.

التباين بين الأشعة السينية والليزرات العادية

وتعمل الليزرات العادية عند أطوال موجات الضوء المرئي والضوء القريب منه. وتلك أطوال أكبر بألف مرة من أطوال الموجات الضرورية لتمييز الذرات إفراديا. وعلى غرار رادار الطقس الذي يستطيع رؤية عاصفة مطرية دون تمييز قطرات المطر،  فإن الليزرات العادية تستطيع رؤية مجموعة متحركة من الذرات دون تمييزها إفراديا. فمن أجل تكوين ظل حاد للجسم المرصود يجب أن يكون طول موجة الضوء صغيرا ومن رتبة مقاس ذلك الجسم على الأقل. ولذا نحتاج إلى ليزر أشعة سينية. وباختصار يتغلب ليزر الأشعة السينية على الصعوبات والسلبيات التي تمثلها الأدوات الشائعة لتصوير المادة عند المقاسات الشديدة الضآلة. لكن صنع جهاز من هذا النوع ليس بالمهمة السهلة.

بدت فكرة بناء ليزر أشعة سينية غريبة في وقت من الأوقات.  باعتبار أن صنع أي ليزر أمر بالغ الصعوبة بحد ذأته. فالليزرات العادية تنجح في عملها لأن الذرات تشبه البطاريات الصغيرة. فهي تمتص مقادير قليلة من الطاقة وتخزنها ثم تصدرها على شكل فوتونات، أى جسيمات ضوء. وهي تحرر طاقتها تلفائيا عادة, إلا أن <أينشتاين> كان قد اكتشف فى بداية القرن العشرين طريقة لقدح تحريرها من خلال عملية تسمى الاإصدار المحرض Simulated emission. وإذا جعلتَ الذرة تمتص مقدارا معينا من الطاقة, ثم قذفتها بفوتون يمتلك مقدارا مماثلا من الطاقة، أصدرت الذرة الطاقة الممتصة ، مولدة نسخة من الفوتون. وينطلق الفوتونان (الأصلي والمستنسخ) ليحفزا تحرير طاقة من زوج من الذرات الأخري، ويتكرر ذلك مراكما جيشا مستنسخا في تفاعل متسلسل أسي. والنتيجة هى حزم ليزرية.

لكن حتي عندما تكون الظروف ملائمة، فإن الذرات لاتستنسخ فوتونات دائما. فاحتمال إصدار ذرة معينة لفوتون عند قذفها بفوتون آخر، قليل. وثمة فرصة أكبر لها لتحرير طاقتها قبل حدوث ذلك. وتتغلب الليزرات العادية على هذه المحدودية بضخ طاقة تملأ الذرات، مع استعمال مرايا ترسل الضوء المستنسخ جيئة وذهابا ليتلتقط فوتونات جديدة.

أما في ليزر الأشعة السينية، فيغدو تحقيق كل خطوة من هذه العملية أشد صعوية بكثير. ففوتون الأشعة السينية يمكن أن يمتلك طاقة أكبر بألف مرة مما يمتلكه الفوتون المرئي. لذا على كل ذرة أن تمتص طاقة أكبر بالف مرة. ولا تحتفظ الذرات بطاقاتها مدة طويلة. إضافة إلى أنه من الصعب الحصول على مرايا عاكسة للأشعة السينية. وعلى الرغم من أن هذه العوائق ليست جوهرية، فإن ثمة حاجة إلى طاقة هائلة لتكوين الظروف الليزرية.

أجزاء المسرع الخطي وآلية عمله

يعد منبع الضوء المترابط LCLS أقرب شئ تصنعه البشرية لمدفع سفينة فضاء ليزري ويستمد هذا الجهاز طاقته من مسرع جسيمات خطي. وهو نسخة مضخمة من المدفع الإلكتروني المستعمل في جهاز التليفزيون القديم الذي يطلق إلكترونات بسرعات قريبة من سرعة الضوء والمموج هو أساس هذا الاإختراع. إذ يجعل اللكترونات تسلك مسارا منعرجا. وكلما غيرت الإلكترونات اتجاهها في، أصدرت إشعاعا يتألف في هذه الحالة من أشعة سينية. ونظرا لأن الإلكترونات تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الأشعة السينية التي تصدرها، فإن هذه العملية تغذي نفسها وتنتج حزمة استثنائية بشدتها ونقائها.[5]

مكونات الجهاز:

1. ليزر التشغيل: يولد ليزر التشغيل نبضات ضوء فوق بنفسجي تقتلع نبضات من الإلكترونات من المهبط.
2. المسرع: تسرع الحقول الكهربية الإلكترونات لتصبح طاقاتها 12 بليون إلكترون فولت. ويستعمل في منبع الضوء المترابط LCLS هذا كيلو متر واحد من الطول الإجمالي للمسرع SLAC. أي ثلثه فقط.
3. ضاغط الحزمة 1: تدخل النبضات الإلكترونية ممرا منحنيا ذا شكل “S” مخفف يقوم بتسوية نسق الإلكترونات ذات الطاقات المتباينة.
4. ضاغط الحزمة2: بعد جولة من التسارع. تدخل النبضات ضاغطا آخر أطول من الضاغط الأول. لأن طاقة الإلكترونات الآن أكبر.
5. ردهة النقل: تقوم المغانط هنا بتكبير أو تصغير النبضات.
6. ردهة المموج: تسبب مجموعة مغانط ذات قطبييات متناوبة حركة متعرجة للإلكترونات، محرضة إياها علي توليد حزمة أشعة سينية ليزرية.
7. استخلاص الجزمة: يسحب مغنطيس قوي الإلكترونات ويدع الأشعة السينية تكمل طريقها.
8. محطة منبع الضوء التجريبية: تقوم الأشعة السينية بعملها. حيث تضرب المادة وتقوم بمهمة التصوير.

المصادر:

1- Interaction of X-ray with Atoms

2-Excalibur Project

3- LCLS Overview II SLAC

4-Synchrotron

5-The Ultimate X-ray Machine

المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة هو نوع جديد من أجهزة تخزين الطاقة الذي يحظى بالاهتمام. حيث إنها توفر عددًا من المزايا مقارنة بالمكثفات الفائقة والمكثفات التقليدية. بما في ذلك كثافة طاقة أعلى وعمر أطول ودرجة حرارة تشغيل أعلى. وهذا يجعلها مرشحًا واعدًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك السيارات الكهربائية والأجهزة القابلة للارتداء والغرسات الطبية.

تعمل المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة باستخدام إلكتروليت صلب بدلاً من إلكتروليت سائل. وهذا يجعلها أكثر متانة وأمانًا من المكثفات الفائقة التقليدية، لأنها ليست عرضة للتسرب أو الحريق. كما يسمح أيضًا بكثافة طاقة أعلى، حيث يمكن جعله أرق وأخف من الإلكتروليت السائل.

ما هو المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة؟

المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة – Solid-state Supercapacitor هو نوع من المكثف الفائق الذي يستخدم إلكتروليتًا صلبًا بدلاً من إلكتروليت سائل. هذا يجعلها أكثر متانة وأكثر أمانًا من المكثفات الفائقة التقليدية، لأنها ليست عرضة للتسرب أو الحريق. تتمتع المكثفات الفائقة ذو الحالة الصلبة أيضًا بكثافة طاقة أعلى من المكثفات الفائقة التقليدية، مما يجعلها مرشحًا واعدًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل المركبات الكهربائية والأجهزة القابلة للارتداء والغرسات الطبية [1] .

ما القصة وراء أول مكثف فائق ذو الحالة الصلبة؟

تم اختراع أول المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة في عام 1991 من قبل باحثين في جامعة تكساس في أوستن. تم تصنيع الجهاز من غشاء رقيق من البوليمر الموصّل محشور بين طبقتين من رقائق معدنية، وكان قادرًا على تخزين وإطلاق الطاقة الكهربائية بسرعة وكفاءة. مهد هذا الاختراع الطريق لتطوير المكثفات الفائقة الأخرى ذات الحالة الصلبة. ومنذئذ تم استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الإلكترونيات المحمولة، والمركبات الهجينة، وأنظمة الطاقة المتجددة.

كيف يعمل المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة؟

تعمل المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة عن طريق تخزين الطاقة إلكتروستاتيكيًا في طبقة كهربائية مزدوجة تتشكل عند السطح البيني بين القطب الكهربائي والإلكتروليت [1] .

فيما يلي شرح مبسط لكيفية عمل المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة:

1. يتم فصل قطبي المكثف بواسطة إلكتروليت صلب.
2. عندما يتم تطبيق الجهد على المكثف، تتحرك الأيونات في الإلكتروليت نحو القطب المشحون عكسيًا.
3. تخلق حركة الأيونات مجالًا كهربائيًا يخزن الطاقة.
4. يتم تخزين هذه الشحنة في شكل مجال كهربائي، والذي يمكن تفريغه بسرعة عند الحاجة لتوفير دفعة من الطاقة.

يعتمد أداء المكثفات الفائقة على تصميم وخصائص المجمعات الحالية، والأقطاب الكهربائية، والإلكتروليتات. والتي بدورها يمكن أن تؤثر على كثافة ومخرجات الطاقة، وسلوك الشحن والتفريغ الدوري، ومعلمات الأداء الرئيسية الأخرى.

يمكن تحسين المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة حيث تلعب الموصلات الكهربائية دورًا مهمًا في أداء جهاز تخزين الطاقة. ويمكن أن يؤدي تصميم المواد ومعالجتها وخصائص سطح الموصلات الكهربائية إلى تباين كبير في معاملات الأداء الرئيسية. فمثلًا يمكن أن يؤدي استخدام المواد ذات البنية النانوية مع مساحة سطح محددة عالية والمسامية الهرمية إلى أداء ممتاز واستقرار طويل للنظام. وكذلك استخدام الطاقة الحرارية الشمسية لتحسين أداء المكثفات الفائقة المرنة في درجات حرارة منخفضة، وهو أمر مهم للإلكترونيات القابلة للارتداء في الهواء الطلق.

بشكل عام ، يمكن أن تؤدي هذه التحسينات إلى زيادة كثافة الطاقة، وإخراجها، ومدى استقرار المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة، مما يجعلها أكثر كفاءة وفعالية للتطبيقات المختلفة.

مزايا المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة

يتميز المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة بالعديد من المزايا مقارنة بالمكثف الفائق التقليدي، بما في ذلك [2] :

• كثافة طاقة أعلى: يمكن للمكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة تخزين طاقة أكثر من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها خيارًا أكثر جاذبية للتطبيقات التي تتطلب كثافة طاقة عالية.
• عمر أطول: تتمتع المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بعمر أطول من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها خيارًا أكثر فعالية من حيث التكلفة للتطبيقات طويلة المدى.
• درجة حرارة تشغيل أعلى: يمكن أن تعمل المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة في درجات حرارة أعلى من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها خيارًا أكثر تنوعًا لمجموعة واسعة من التطبيقات في البلاد الحارة.
• حجم أصغر: يمكن جعل المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة أصغر من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها أكثر ملاءمة للاستخدام في الأجهزة المحمولة.

كيف تقارن المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بأنواع أخرى من أجهزة تخزين الطاقة من حيث الكفاءة والأداء؟

تقدم تقارن المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة العديد من المزايا مقارنة بالبطاريات التقليدية في أنظمة تخزين الطاقة، بما في ذلك [2,3] :

• كثافة طاقة أعلى من بطاريات أيون الليثيوم: يمكن للمكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة توفير الطاقة وامتصاصها بشكل أسرع بكثير من البطاريات. مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب دفعات سريعة من الطاقة، مثل المركبات الكهربائية وأنظمة الكبح المتجددة.
• دورة حياة أطول: يمكن تدوير المكثفات الفائقة مئات الآلاف من المرات دون تدهور كبير. بينما تحتوي البطاريات عادةً على عدد محدود من دورات الشحن والتفريغ قبل الحاجة إلى استبدالها.
• معدلات شحن أسرع: يمكن شحن المكثفات الفائقة أسرع بكثير من البطاريات، الأمر الذي قد يستغرق ساعات أو حتى أيامًا لشحنها بالكامل. بينما يمكن شحن المكثفات الفائقة في غضون ثوانٍ أو دقائق. مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب شحنًا سريعًا، مثل الأجهزة الإلكترونية المحمولة.
• نطاق واسع لدرجة حرارة التشغيل: يمكن أن تعمل المكثفات الفائقة على نطاق واسع من درجات الحرارة، من -40 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية. بينما قد يكون أداء البطاريات محدودًا في درجات الحرارة القصوى.
• صديقة للبيئة: لا تحتوي المكثفات الفائقة على مواد كيميائية سامة أو معادن ثقيلة. مما يجعلها صديقة للبيئة أكثر من البطاريات التقليدية.

ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن أداء المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة يمكن أن يختلف اعتمادًا على تصميم المواد ومعالجتها وخصائص سطح الموصلات الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتأثر السعة والمقاومة الداخلية للمكثفات الفائقة مما قد يؤثر على كفاءتها. أخيرًا، بينما تتمتع المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بكثافة طاقة عالية، إلا أنها تتمتع بكثافة طاقة أقل من البطاريات. مما يحد من استخدامها في التطبيقات التي تتطلب سعة تخزين طاقة عالية.

بشكل عام ، توفر المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة العديد من المزايا مقارنة بالبطاريات التقليدية في أنظمة تخزين الطاقة، مما يجعلها خيارًا جذابًا لمجموعة واسعة من التطبيقات.

ما هي عيوب المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة؟

في حين أن المكثفات الفائقة الحالة الصلبة تقدم مزايا عديدة مقارنة بالبطاريات التقليدية، إلا أن لها أيضًا بعض العيوب، بما في ذلك [4]:

• كثافة طاقة أقل: عادةً ما تكون للمكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة كثافة طاقة أقل من البطاريات. مما يعني أنها يمكن أن تخزن طاقة أقل لكل وحدة وزن أو حجم.
• نطاق الجهد المحدود: للمكثفات الفائقة نطاق جهد محدود. مما قد يجعل من الصعب استخدامها في بعض التطبيقات التي تتطلب جهدًا أعلى.
• معدل تفريغ ذاتي أعلى: تتمتع المكثفات الفائقة بمعدل تفريغ ذاتي أعلى من البطاريات. مما يعني أنها يمكن أن تفقد شحنتها بسرعة أكبر عند عدم استخدامها.
• التكلفة: يمكن أن تكون المكثفات الفائقة أغلى من البطاريات التقليدية، مما يجعلها أقل جاذبية لبعض التطبيقات.
• توافر محدود: المكثفات الفائقة الحالة الصلبة ليست متوفرة على نطاق واسع مثل المكثفات الفائقة التقليدية.

بشكل عام، في حين أن المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة توفر العديد من المزايا مقارنة بالبطاريات التقليدية، إلا أن لها أيضًا بعض القيود التي يجب مراعاتها عند اختيار نظام تخزين الطاقة لتطبيق معين. لكن على الرغم من هذه العيوب، فإن المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة هي تقنية واعدة لتخزين الطاقة. وهي مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب معدل تفريغ طاقة عالٍ وعمرًا طويلًا، مثل السيارات الكهربائية والأجهزة القابلة للارتداء.

تطبيقات المكثفات الفائقة الحالة الصلبة

فيما يلي بعض التطبيقات المحتملة لمكثفات الحالة الصلبة الفائقة:

السيارات الكهربائية: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتخزين الطاقة في السيارات الكهربائية، مما قد يساعد في توسيع نطاق السيارات الكهربائية وتقليل الوقت المستغرق لإعادة شحنها.

الأجهزة القابلة للارتداء: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتشغيل الأجهزة القابلة للارتداء، مثل الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة البدنية.

الغرسات الطبية: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتشغيل الغرسات الطبية، مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب ومضخات الأنسولين.

المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة هي تقنية جديدة لتخزين الطاقة. مع استمرار البحث والتطوي، يمكن للمكثفات الفائقة الحالة الصلبة أن تحدث ثورة في طريقة تشغيل أجهزتنا.

ما هي بعض التطبيقات المحتملة للمكثفات الفائقة الحالة الصلبة في صناعة السيارات؟

المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لديها القدرة على استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات في صناعة السيارات. فيما يلي بعض التطبيقات المحتملة [4] :

• المركبات الهجينة والكهربائية: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة جنبًا إلى جنب مع البطاريات لتوفير نبضات عالية الطاقة لتسريع الكبح والتجدد، مما يمكن أن يحسن الكفاءة الإجمالية للسيارة.
• أنظمة التوقف والتشغيل: يمكن استخدام المكثفات الفائقة لتشغيل الأنظمة الكهربائية للمركبة أثناء أحداث توقف المحرك، مما يقلل من استهلاك الوقود والانبعاثات.
• دعم الطاقة: يمكن استخدام المكثفات الفائقة لتوفير طاقة احتياطية للأنظمة الحيوية في حالة انقطاع التيار الكهربائي، مثل الوسائد الهوائية وإضاءة الطوارئ.
• نموذج مجال التردد: يمكن استخدام المكثفات الفائقة في تطبيقات الطاقة الصناعية التي تتطلب كثافة طاقة عالية، مثل محولات الطاقة الإلكترونية.

بشكل عام، تتمتع المكثفات الفائقة الحالة الصلبة بإمكانية تحسين كفاءة وأداء الأنظمة المختلفة في صناعة السيارات.

ما هي الآثار البيئية لاستخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة

هناك معلومات محدودة متاحة عن التأثيرات البيئية المحددة لاستخدام المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة. ومع ذلك، فقد بحثت بعض الدراسات في استخدام المكثفات الفائقة في سياق أجهزة تخزين الطاقة على نطاق أوسع. فيما يلي بعض الآثار البيئية المحتملة التي يجب مراعاتها [3,4] :

• مصادر المواد: يتطلب إنتاج المكثفات الفائقة استخدام مواد مختلفة، بما في ذلك المعادن والبوليمرات. يمكن أن يكون لتوريد هذه المواد آثار بيئية، مثل تدمير المصادر، وتلوث المياه، وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري من التعدين والنقل.
• استهلاك الطاقة: تتطلب عملية تصنيع المكثفات الفائقة طاقة يمكن أن تسهم في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري والتأثيرات البيئية الأخرى.
• التخلص من الأجهزة بعد نهاية العمر الافتراضي: مثل جميع الأجهزة الإلكترونية، ستصل المكثفات الفائقة في النهاية إلى نهاية عمرها الإنتاجي وتحتاج إلى التخلص منها. يمكن أن يكون للتخلص من النفايات الإلكترونية آثار بيئية كبيرة، بما في ذلك تلوث التربة والمياه من المواد الكيميائية السامة وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري من الحرق.
• أداء درجات الحرارة المنخفضة: وجدت إحدى الدراسات أنه يمكن تحسين أداء المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة في درجات الحرارة المنخفضة باستخدام الطاقة الحرارية الشمسية، مما قد يقلل من الحاجة إلى مصادر الطاقة الأخرى التي لها تأثيرات بيئية.

بشكل عام ، هناك حاجة إلى مزيد من البحث لفهم الآثار البيئية لاستخدام المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بشكل كامل. ومع ذلك، فمن الواضح أن إنتاج هذه الأجهزة والتخلص منها يمكن أن يكون له تأثيرات بيئية، ويجب بذل الجهود لتقليل هذه الآثار من خلال المصادر المستدامة، والتصنيع الموفر للطاقة، والممارسات المسؤولة للتخلص في نهاية العمر.

لا تزال المكثفات الفائقة الحالة الصلبة في المراحل الأولى من التطوير، ولكن لديها القدرة على إحداث ثورة في صناعة تخزين الطاقة. بفضل كثافة الطاقة العالية والمتانة والسلامة، يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتشغيل مجموعة واسعة من الأجهزة، من السيارات الكهربائية إلى الأجهزة القابلة للارتداء.

المصادر          

1. Thermally Chargeable Solid-State Supercapacitor | Advanced Energy Materials
2. Flexible all-solid-state supercapacitors with high capacitance, long cycle life, and wide operational potential window: Recent progress and future perspectives | Journal of Energy Storage
3. A mini-review: emerging all-solid-state energy storage electrode materials for flexible devices | Nanoscale
4. Recent progress in the all-solid-state flexible supercapacitors | SmartMat

هل تساءلت يومًا عن سبب تسخين بعض المواد أسرع من غيرها؟ أو لماذا يتطلب تسخين كوب من الماء طاقة أكثر من كوب الحليب؟ الإجابة على هذه الأسئلة تتعلق بالسعة الحرارية Heat capacity، والسعة الحرارية النوعية Specific heat capacity للمواد المختلفة.

السعة الحرارية هي مقدار قدرة المادة على الاحتفاظ بالحرارة. تخيل أن لديك مادتين مختلفتين، مثل المعدن والبلاستيك. إذا وضعت المادتين في نفس القدر من ضوء الشمس، فسوف يسخن المعدن بشكل أسرع من البلاستيك. هذا لأن المعدن له سعة حرارية أعلى من البلاستيك. يمكن للمعدن الاحتفاظ بمزيد من الطاقة الحرارية دون تغيير كبير في درجة حرارته.

ما هي السعة الحرارية؟

السعة الحرارية هي مقياس لمقدار الطاقة الحرارية التي يمكن للمادة أن تمتصها دون تغيير كبير في درجة حرارتها. بمعنى آخر، السعة الحرارية هي مقياس لمدى “مقاومة الحرارة” لمادة ما. وللمواد المختلفة سعات حرارية متباينة. على سبيل المثال، يتمتع الماء بسعة حرارية أعلى بكثير من الهواء. نتيجة لذلك، يتطلب تسخين الماء طاقة أكثر مما يتطلبه تسخين الهواء [1,2] . لكن إن كانت هذه السعة الحرارية فما المقصود بالسعة الحرارية النوعية إذن؟

ما هي السعة الحرارية النوعية؟

السعة الحرارية النوعية لمادة ما هي مقياس لمقدار الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة جرام واحد من المادة بمقدار درجة واحدة. ولأن المواد المختلفة تمتلك سعات حرارية متباينة، إذ يحتوي الماء على سعة حرارية محددة تبلغ 4.184 جول / جم درجة مئوية، بينما يحتوي الحديد على مقدار محدد يبلغ 0.450 جول / جم درجة مئوية. هذا يعني أن ارتفاع درجة حرارة جرام واحد من الماء بمقدار 4.184 مرة أكثر مما يتطلبه الأمر لرفع درجة حرارة جرام واحد من الحديد بدرجة واحدة.

السعة الحرارية والسعة الحرارية النوعية مفاهيم مهمة في العلوم والهندسة. ويتم استخدامهم في مجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل الطهي وتدفئة المباني وتصميم المحركات. إليك تجربة ممتعة يمكنك القيام بها مع طفلك لمعرفة المزيد عن السعة الحرارية وعن تطبيقاتها.

تجربة صنع بالون مقاوم للنار

هل أنت مستعد لتجربة بالون سهلة للغاية؟ تستخدم تجربة البالون خدعة رائعة مع الماء لجعلها مقاومة للنار. دعنا نبدأ [3].

الخطوات

1. نفخ بالون بالهواء.
2. اشعل شمعة وضعها على طبق.
3. اجعل البالون قريبًا من اللهب قدر الإمكان حتى ينفجر.
4. املأ بالونًا آخر بقليل من الماء من الصنبور ثم انفخه بالهواء ليصبح في حجم البالون الأول.
5. اخفض البالون المملوء بالماء والهواء باتجاه اللهب وانظر ماذا سيحدث!
6. أزل البالون من اللهب ولاحظ البقعة المحترقة من البالون، لكنها لم تنفجر! لماذا؟

الملاحظات

تأكد من أن طفلك قد لاحظ انفجر البالون الأول عند وضعه بالقرب من مصدر حرارة، وأنه يتساءل من عدم انفجار البالون الآخر الذي يحتوي الماء قبل أن تكشف عن السبب، فعملية التساؤل ضرورية للتعلم.

اعتمادًا على كمية الماء الموجودة في البالون الثاني، يسخن الماء بدرجة كافية (عادةً في غضون 30 ثانية إلى دقيقة واحدة)، وسينفجر في النهاية كالبالون الأول، لكنه انتظر كثيرًا قبل الانفجار، أليس كذلك؟

يمكنك إخراج البالون من اللهب قبل الانفجار والنظر إلى المكان الذي تعرض للنار. قد تشعر بالدهشة لأنه على الرغم من أن البالون الخاص بك يبدو محترقًا من اللهب في ذلك المكان الملامس للنار، إلا أنه لم ينفجر بالماء في كل مكان. في الواقع، إذا نظرت عن كثب إلى الجزء السفلي من البالون حيث لامس اللهب اللاتكس ، فستكون هناك بقعة سوداء. هذه البقعة السوداء ليست البالون الذي يحترق في الواقع ، لكنه رواسب الكربون التي تُركت على البالون بينما حرق اللهب الأكسجين وأطلق ثاني أكسيد الكربون. يمكنك بالفعل انتزاع منشفة مبللة أو قطعة قماش ومسح برفق السخام الكربوني الأسود من البالون، ليبدو وكأنه جديد.

لماذا لا ينفجر بالون الماء بنفس سرعة البالون الهوائي؟

السر وراء تجربة البالون والشمعة موجود حقًا في الماء. حيث يتمتع الماء بسعة حرارية أعلى بكثير من الهواء، مما يعني أنه يستهلك طاقة لتسخين المياه أكثر بكثير مما يتطلبه تسخين الهواء. فالماء قادر على امتصاص الكثير من الحرارة من اللهب وسحبها بعيدًا عن اللاتكس، مما يمنع مادة اللاتكس الخاص بالبالون من الذوبان، ولا يسمح للبالون بالانفجار لوقت أطول. في النهاية، سيصبح الماء ساخنًا بدرجة كافية بحيث لا يحافظ على مادة اللاتكس باردة بدرجة كافية وسينفجر البالون، لكن الأمر سيستغرق وقتًا أطول بكثير عن البالون الذي كان به هواء فقط.

ما العوامل المؤثرة على السعة الحرارية؟

السعة الحرارية خاصية مادية، تعتمد على عدة عوامل كالآتي:

1. الكتلة: تتناسب السعة لمادة ما طرديا مع كتلتها. مما يعني أن الكتلة الأكبر ستتطلب مزيدًا من الحرارة لرفع درجة حرارتها مقارنةً بالحرارة التي تتطلبها كتلة أصغر لترتفع حرارتها بنفس المقدار.
2. حالة المادة: يمكن أن تتغير السعة الحرارية للمادة اعتمادًا على حالتها. على سبيل المثال، للماء مقدار أعلى كسائل منه كغاز. وذلك لأن الجزيئات الموجودة في السائل تكون أقرب من بعضها البعض ولديها قدرة أكبر لامتصاص الحرارة من الجزيئات الموجودة في الغاز.
3. القوى بين الجزيئات: يمكن أيضًا أن تتأثر السعة الحرارية لمادة ما بقوة الربط بين جزيئات المادة. على سبيل المثال، للماء سعة حرارية أعلى من الكحول لأن جزيئات الماء لها قوة ربط أقوى بين الجزيئات من الكحول.

• 6 أشياء غريبة تحدث في الفضاء
• اختلاف أرسطو وديكارت في تفسير الظواهر
• الاحتمالات في ميكانيكا الكم

ما هي التطبيقات اليومية للسعة الحرارية في الحياة الواقعية؟

نتيجة لأهمية هذه الخاصية في علوم المواد، تُستخدم لدراسة مدى ملائمة واختيار المواد المختلفة للعديد من التطبيقات في الحياة الواقعية اليومية مثل الطهي وتدفئة المباني. كذلك على المستوى الصناعي تستخدم الخاصية في تصميم المحركات وتشغيلها في السكك الحديدية [4].

تطبيقات في حياتنا اليومية

1. الطهي: تُستخدم هذه الخاصية في الطهي لتحديد المدة التي يستغرقها طهي الطعام. على سبيل المثال، يتمتع الماء بسعة حرارية عالية، لذلك يستغرق تسخينه وقتًا أطول من الزيت. نتيجة لذلك يتم طهي الطعام بشكل أسرع عند طهيه بالزيت بدلاً من الماء.

2. المواد المستخدمة في صنع أواني الطهي: أواني طهي الخضروات وما إلى ذلك مصنوعة من مواد منخفضة الحرارة ذات قاع مصقول. لذلك، تسخن بشكل أسرع مثل النحاس والألمنيوم والجرانيت وما إلى ذلك.

3. مقابض الأواني في المنزل مصنوعة من مواد توفر العزل الحراري. وتؤثر الحرارة النوعية أيضًا على قدرة العزل والموصلية.

4. استخدام مواد حرارية عالية الجودة كعوازل: الخشب على سبيل المثال لديه حرارة نوعية عالية. خلال فصل الصيف، تحافظ البيوت الخشبية على برودة الداخل. ويمكن للبناة اختيار مواد البناء المناسبة بناءً على الموقع والارتفاع. مما يتيح بناء منازل أكثر دفئًا أو برودة.

تطبيقات في الصناعة

1. تصميم أنظمة الحماية من الحرائق: تُستخدم السعة الحرارية في تصميم أنظمة الحماية من الحرائق لتحديد مقدار الحرارة التي يمكن أن يمتصها نظام الحماية من الحرائق دون ارتفاع درجة الحرارة. لذلك تُستخدم المواد عالية السعة الحرارية، مثل الماء كي تمتص الطاقة الحرارية دون ارتفاع درجة الحرارة، مما يساعد على حماية الأشخاص والممتلكات من الحرائق.
2. تصميم المحركات: تستخدم السعة الحرارية في تصميم المحركات لتحديد مقدار الحرارة التي يمكن أن يمتصها المحرك دون ارتفاع درجة حرارته. على سبيل المثال، يمكن للمواد ذات السعات الحرارية العالية، مثل المعادن، أن تمتص الطاقة الحرارية دون ارتفاع درجة الحرارة، مما يساعد على حماية المحركات من التلف.
3. تصميم العزل الحراري: تستخدم السعة الحرارية في تصميم العزل الحراري لتحديد مقدار الحرارة التي يمكن نقلها عبر المادة. على سبيل المثال، يمكن للمواد ذات السعات الحرارية العالية، مثل الرغوة إبطاء نقل الحرارة، مما يساعد على إبقاء الأشياء دافئة أو باردة.
4. تشغيل محركات السكك الحديدية أو الدوارات في مولدات التيار المتردد: يستخدم البخار لنقل الكثير من الطاقة الحرارية عند ضغوط عالية  للبخار حرارة نوعية عالية (أكثر من الماء)

المصادر

1. Heat capacity | Britannica
2. Heat capacity and calorimetry | Khan Academy
3. Heating water in a experiment | Physics Demo
4. Applications of Specific Heat Capacity | Heat | myhometuition Youtube Channel

للكهرباء استخدامات عديدة في حياتنا اليومية. فقد جعلت الكهرباء حياتنا أسهل حين وظّفناها واخترعنا الأجهزة الكهربائية المختلفة في المنزل مثل المكنسة الكهربية، التلفاز، الراديو، وغيرهم من الأجهزة. كذلك أصبح بإمكاننا تخزين الطاقة وتحويلها من صور مختلفة لطاقة كهربائية عن طريق البطاريات والمكثفات. بذلك تداخلت علوم الكيمياء والفيزياء وتوصلنا لعلم الكيمياء الكهربائية والكيمياء الكهروتحليلية. لكن هل تسائلت يومًا عما إذا كان بإمكاننا الاستفادة من الكهرباء في علوم الأحياء والعقاقير بطريقة سلمية لعلاج مرض ما مثل التعرق المفرط؟ سوف نتناول في هذا المقال تقنية الإرحال الأيوني المُستخدمة كوسيلة علاج حديثة فعالة.

الإرحال الأيوني – Iontophoresis :

يعتبر الإرحال الأيوني هو إجراء يتم فيه تمرير تيار كهربائي عبر الجلد حيث يتم نقعه في ماء الصنبور للسماح للجسيمات المتأينة أو المشحونة بعبور حاجز الجلد الطبيعي. بذلك تعتبر هذه الطريقة بمثابة تقنية غير جراحية لتوصيل الأدوية محليًا عبر الجلد، وتعتمد على نقل الجزيئات المشحونة باستخدام تيار كهربائي منخفض الكثافة يتم التحكم به عن طريق جهاز الإرحال الأيويي. فإنه يعزز وصول الأدوية والجزيئات الكبيرة إلى الجلد ويقلل التعرق في جميع أنحاء الجلد. كما إنه آمن وفعال وغير مكلف ومفيد للغاية.  [1]

آلية عمل الإرحال الأيوني:

المبدأ الأساسي هو وضع العلاج الأيوني تحت القطب الكهربي بنفس الشحنة. حيث يتم وضع أيون سالب تحت القطب السالب. وحينئذ يُعرف هذا القطب بعد ذلك باسم “القطب النشط“. يعتمد الإرحال الأيوني على التنافر الكهربي. فعند وضع الأدوية سالبة الشحنة على القطب السالب تتنافر هذه الأيونات عن القطب بمجرد تمرير التيار وتتجه لاختراق الجلد. من ثم يتم تمرير تيار مستمر ودفع الأيونات الكهربائية إلى المريض. وبالمثل، يتم إدخال الأدوية موجبة الشحتة عبر الجلد عن طريق وضعها تحت القطب الموجب. 

مما سبق نستنج أن العقاقير المُستخدمة في تقنية الإرحال الأيوني يجب أن تكون متأينة (موجبة أو سالبة الشحنة). وكذلك يجب وضع العقار تحت القطب المشابه له في الشحنة ويُسمى حينها “القطب النشط”. بينما يكون القطب الآخر المعاكس في الشحنة معروفًا باسم “القطب المشتت”  [2].

كيف تطورت تقنية الإرحال الأيوني بتطور التكنولوجيا؟

يرجع الاقتراح الأول لاستخدام التيار الكهربائي في توصيل الدواء إلى منتصف القرن الثامن عشر. بعد ذلك تم إحراز تقدم كبير في القرن التاسع عشر. تمت تجربة استخدام أيونات المعادن وكذلك القلويات في ذلك الوقت. حتى أوائل القرن العشرين، كان توصيل الأدوية يُعرف باسم “الإرحال المهبطي”. لكن حديثًا يتحدث الباحثون عن “توصيل الأدوية عبر الجلد بمساعدة كهربائية”. لم يتم تبني هذه التقنية على نطاق واسع حتى الآن ولكن ثبت دائمًا أنها مفيدة إلى حد ما في حل مشاكل توصيل الدواء.

منذ اثنين وعشرين عامًا، تم تقديم أول نظام لتوصيل الأدوية عبر الجلد في الولايات المتحدة، مما حقق طفرة تاريخية واعدًا بإمكانية توصيل مركبات جديدة بطريقة آمنة ومريحة من خلال الجلد. ومع ذلك، خلال العقدين الماضيين، كان النجاح التجاري للتسليم عبر الجلد بطيئًا في التطور. ولكن مع انتقال مجموعة من المنتجات والتقنيات الجديدة نحو السوق ، يبدو أن توصيل الأدوية عبر الجلد أصبح متاحًا وفعالًا.

استخدمت أول رقعة عبر الجلد يتم تسويقها تجاريًا في أمريكا لإيصال الدواء يسمح للدواء بالانتشار عبر الأدمة اللاوعائية إلى الأدمة العميقة، مما يسمح بالتأثير الموضعي أو الاختراق إلى الشعيرات الدموية لإحداث تأثير نظامي. فقد اعتمد هذا النهج على خصائص الدواء لتسهيل النقل عبر الجلد باستخدام تدرج تركيز بسيط كقوة دافعة. حيث أن هناك عدد قليل من الأدوية المتاحة مع الخصائص الفيزيائية والكيميائية المناسبة لتكون مرشحة جيدة للانتقال عبر الجلد. لكن التقدم في البحث أدى إلى فهم أفضل لفسيولوجيا الجلد ومزيد من الإلمام بخصائص نقل الدواء [2].

كيف يُستخدم الإرحال الأيوني لعلاج فرط التعرق؟

يجلس المريض بكلتا يديه أو قدميه، أو يد واحدة وقدم واحدة، مغمورة في صواني ضحلة مملوءة بماء الصنبور لفترة قصيرة من الزمن مضافًا إليه بعض المواد العلاجية الأيونية. سوف يرسل الجهاز تيارًا كهربائيًا صغيرًا عبر الماء. أولًا يجب تكرار الإجراء ثلاث مرات في الأسبوع حتى يتم تحقيق النتائج المرجوة. بمجرد الوصول إلى الجفاف أو النتيجة المرضية، يتم عادة تزويد المرضى بالعلاج مرة واحدة في الأسبوع. سوف يستغرق العلاج حوالي 15 إلى 40 دقيقة حسب الجهاز. بعض الحالات يجب أن تتحسن لأشهر بعد علاج واحد وبعض الحالات تتطلب تكرار العلاج في أقل من أربعة إلى ستة أسابيع [3].

ما هي مميزات الإرحال الأيوني؟

1.      عند مقارنتها بالحقن:

• ألم أقل ولا غزو.
• يقلل من حوادث الإبرة.
• يسمح بتوصيل الدواء عن طريق ملامسة الجلد فقط.
• يمكن استخدامها خارج المستشفى

2.      عند مقارنتها بالحبوب

• يقلل الوقت المحدد.
• التخفيف من الآثار الثانوية.
• كما أن في العلاج بالحبوب، من الممكن أن تفقد الأدوية فعاليتها في الجهاز الهضمي.

3.      عند المقارنة باللاصقات الطبية

• تقصير الوقت المحدد.
• يمكن توصيل الأدوية بشكل كمي.
• يقلل من كمية الدواء المتبقية.

هكذا ثبت أن العديد من العوامل تؤثر على نتائج الإرحال الأيوني. وتشمل هذه الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمركب (الحجم الجزيئي ، الشحنة ، التركيز) ، تركيب الدواء (أنواع المركبات ، المخزن المؤقت ، الأس الهيدروجيني ، اللزوجة ، وجود أيونات أخرى) ، المعدات المستخدمة (النطاق الحالي المتاح ، التيار الثابت مقابل التيار النبضي ، نوع القطب الكهربائي)، والتغيرات البيولوجية (موقع الجلد ، وتدفق الدم الإقليمي ، والعمر ، والجنس)، ودرجة حرارة الجلد ومدة الإرحال الأيوني. فبالرغم من تقدم العلوم والتكنولوجيا، ما زالت تقنية الإرحال الأيوني محل دراسة ويسعى العلماء حثيثًا لتطويرها لما لها من مميزات مقارنة بالطرق العلاجية الأخرى [2].

تتوفر اللاصقات التقليدية عبر الجلد منذ أكثر من 20 عامًا لكن مع هذه التقنيات الجديدة، سيزداد عدد وتعقيد أنظمة توصيل الأدوية عبر الجلد في المستقبل القريب. سيكون الصيادلة الذين أصبحوا على دراية بهذه التقنيات أكثر قدرة على معالجة أسئلة المرضى ومخاوفهم.

المصادر:

1. Basics of Iontophoresis [+ Example Calculations] | Catalyst University

2. Transdermal Delivery by Iontophoresis | Indian J Pharm Sci

3. Iontophoresis | physio-pedia

تُستخدم العديد من التقنيات الكهروكيميائية لقياس النشاط الكهروكيميائي للمواد المختلفة. قد تكون التجارب لقياس التيار الناتج عند تطبيق مدى واسعة من الجهد الكهربي أو قياس الجهد الكهربي الناتج من تطبيق تيار كهربي على القطب. في هذا المقال، سنناقش الخلية المستخدمة لمثل هذه التقنيات، ألا وهي الخلية الكهروكيميائية ثلاثية القطب The 3-electrode cell.

مم تتكون الخلية الكهروكيميائية ثلاثية الأقطاب؟

الخلية الكهروكيميائية ثلاثية القطب هي عبارة عن دائرة كهربية من ثلاثة أقطاب متصلة معًا حيث يتم التحكم بها من خلال جهاز التحكم في الجهد -potentiostat. ولذلك تُستخدم لقياس النشاط الكهروكيميائي للأقطاب (نصف خلية). تتكون الخلية من ثلاثة أقطاب:

 1. قطب العمل- Working Electrode (WE)

قطب العمل هو القطب المستخدم لدراسة المادة النشطة كهروكيميائيًا. يتم تطبيق جهد ثابت أو مدى واسع من الجهد الكهربي على قطب العمل للتحاليل الكهروكيميائية المختلفة لدراسة نشاط وتفاعلات المادة محل الدراسة. نتيجة لذلك تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال عند تطبيق الجهد/ التيار الكهربي. يتكون قطب العمل غالبًا من طبقات من المواد الصلبة مُرسبة على ألواح معدنية مثل النحاس أو الألمونيوم–  Al or Cu sheet أو الكربون الزجاجي- Glassy Carbon (GC) أو قطب الزئبق المتساقط – Dropping Mercury Electrode (DME) لدراسة المحاليل السائلة.

2. القطب المرجعي- Reference Electrode (RE)

يلعب القطب المرجعي دورًا هامًا كمرجع في القياس والتحكم في الجهد الكهربي للقطب العامل، دون تمرير أي تيار حيث أن القطب المرجعي له جهد ثبات. لذلك يتم قياس وتطبيق الجهد الكهربي في الدائرة الكهربية بناء على جهد القطب المرجعي. علاوة على ذلك، تختلف قيمة جهد القطب المرجعي باختلاف المادة المكونة للقطب لذا من الضروري أن تكون الأقطاب المرجعية مستقرة كيميائيًا مما يحافظ على قيمة الجهد لفترة طويلة في الأوساط المختلفة. على سبيل المثال، من أهم الأقطاب المرجعية المُستخدمة في الكيمياء الكهربية:

القطب المرجعي		قيمة الجهد
قطب الهيدروجين القياسي	Saturated Hydrogen Electrode (SHE)	0.000 V
قطب كلوريد الفضة المشبع	Ag/AgCl (Sat. KCl)	+0.197 V
قطب الكالوميل المشبع	Saturated Calomel Electrode (SCE)	+V 0.241
قطب أكسيد الزئبق	Hg/HgO (1M KOH)	+0.1634 V

3. القطب المساعد- Counter Electrode (CE)

تتركز أهمية القطب المساعد في الخلية ثلاثية الأقطاب في غلق الدائرة الكهربية وذلك عن طريق تطبيق جهد معاكس للجهد المُطبَّق على جهد قطب العمل. بينما يتم أكسدة القطب العامل، يحدث اختزال على القطب المساعد والعكس صحيح. هكذا يتم غلق الدائرة الكهربية وغلق مسار حركة الإلكترونات مما يسبب مرور تيار كهربي يمكن قياسه وتحليله لدراسة المادة الفعالة. لذلك يكون الدور الأهم للقطب المساعد هو تمرير كل التيار اللازم لموازنة التيار الذي لوحظ في القطب العامل.

من الجدير بالذكر أنه يتم استخدام أقطاب مساعدة مصنوعة من مواد موصلة للكهرباء لكنها خاملة كهروكيميائيًا كالذهب والبلاتينوم حتى لا يحدث أي تداخل للتفاعلات الكهروكيميائية الخاصة بالمادة الفعالة. كما من الضروري استخدام قطب مساعد بمساحة سطح كبيرة نسبيًا مقارنة بمساحة سطح قطب العمل للتأكد من تكافؤ سرعات التفاعلات الكهروكيميائية على القطبين.

ما أهمية الخلية الكهروكيميائية ثلاثية الأقطاب؟

تتمثل أهمية الخلية المُعدة من ثلاثة أقطاب في إمكانية عزل التفاعل الحادث عند القطب الكهربي العامل فقط. من أجل دراسة تفاعلات المادة الفعالة، يلزم عزل التفاعل عند القطب الكهربي العامل، وذلك عن طريق إدخال القطب المرجعي، أي القطب الثالث. لذلك يحتوي هذا القطب على جهد كهربي محدد ولا يمر أي تيار من خلال القطب المرجعي أثناء القياسات بحيث يكون الجهد ثابتًا. من خلال هذا الإعداد، يمكن للمرء ضبط الجهد بين قطب العمل والقطب المرجعي مع ترك التيار يمر بين القطب العامل والقطب المساعد. نتيجة لذلك، يكون قادرًا على دراسة التفاعل فقط عند القطب العامل دون أي تأثير من تفاعل القطب الكهربي المضاد.

عم تختلف الخلية الكهروكيميائية ثلاثية القطب عن ثنائية القطب؟

لدراسة سلوك المادة على سطح القطب/الإلكتروليت، نحتاج إلى مراقبة كل من الجهد والتيار. وذلك عن طريق وضع القطب العامل في محلول إلكتروليتي وإخراج النظام من توازنه. يمكن القيام بذلك عن طريق استقطاب القطب إما كاثوديًا أو أنوديًا عن طريق تطبيق الجهد أو التيار على القطب العامل. من أجل تطبيق الجهد، نحتاج إلى قطب مرجعي ذي جهد كهربي ثابت. بعد تطبيق الجهد، يتعين علينا تسجيل تأثير اضطراب النظام الكهربي. للقيام بذلك، يتعين علينا تسجيل التيار الذي تطور عبر القطب العامل وبعض الأقطاب الكهربائية الأخرى. لذلك نحن بحاجة إلى قطب كهربي ثالث يسمى القطب المساعد. أهم دور للقطب المساعد هو إكمال الدائرة لحمل التيار. لذا من أجل دراسة السلوك الكهروكيميائي للتحليل باستخدام تقنيات كهروكيميائية مثل التقنيات الفولتمترية وما إلى ذلك، يجب أن نستخدم نظام الأقطاب الثلاثة بدلاً من نظام ثنائي القطب.

إذا قمت بتشغيل إعداد ثنائي القطب، فأنت تقوم بتعيين جهد أو تيار بين قطب العمل والمساعد. في هذا الإعداد، تكون الاستجابة المُقاسة عبارة عن مزيج من الاستجابة على قطب العمل القطب المساعد.

المصادر

1.  Gamry | Two, Three and Four Electrode Experiments
2. Zensor |  Electrochemical System

على الرغم من أن السعة التخزينة للبطاريات تفوق سعة المكثفات إلا أن تلك الميزة هي سلاح ذو حدين. لا يمكن استخدام البطاريات في الأجهزة التي تتطلب كمية كبيرة من الطاقة لحظيًا كما أنها تمتلك فترة عمر أقصر. وعلى صعيد آخر، تتميز المكثفات بمعدل عالٍ لتفريغ الطاقة لحظيًا لكنها تفتقر للسعة التخزينية الهائلة كما في البطاريات. أيضًا من أهم ما يميز المكثفات هي طول فترة عمرها وإمكانية إعادة الشحن والتفريغ لمرات عديدة بكفاءة عالية. لملء الفجوة بين المكثفات والبطاريات والوصول لمعدل تفريغ طاقة عالٍ بسعة تخزينة كبيرة توصل العلماء لاختراع المكثفات فائقة التوصيل الكهربي-[1] Supercapacitor or Ultracapacitor. في هذا المقال سنتعرف ماهية المكثفات فائقة التوصيل وأنواعها وتطبيقاتها وكذلك التحديات التى تواجهها كجيل جديد لتخزين الطاقة.

ما هي المكثفات الفائقة؟

المكثفات الفائقة هي أحد أجهزة تخزين الطاقة. إنه جهاز يجمع بعض صفات المكثفات التقليدية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن. يخزن الطاقة من خلال تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات على قطبي المكثف الفائق أو من خلال التفاعلات الكهروكيميائية للمواد الفعّالة المكونة للأقطاب[1,2] .

يختلف المكثف الفائق من حيث السعة التخزينية العالية جدًا مقارنة بالمكثف العادي. يخزن المكثف العادي الطاقة عن طريق تخزين شحنة ثابتة بدلاً من تفاعل كهروكيميائي. وذلك عن طريق تطبيق فرق الجهد على قطبي موصلي الكهرباء الموجب والسالب إلى شحن المكثف. هذا مشابه لتراكم الشحنات الكهربائية عند المشي على السجادة أو الاحتكاك بجسم خشن. فيحتفظ جسدك بكهرباء إلكتروستاتيكية. ممايؤدي في حالة لمس جسم ما إلى إطلاق الطاقة من خلال الإصبع مثلًا.

كيف تطورت المكثفات الفائقة؟

اقترح الفيزيائي الألماني هيلمهولتز عام 1879 مكثفًا فائقًا يخزن الطاقة عن طريق استقطاب الإلكتروليتات. بحلول عام 1957، تقدم أمريكي يدعى بيكر بطلب للحصول على براءة اختراع لمكثف كهروكيميائي. قام باستخدام الكربون المُنشط مع مساحة سطح محددة عالية كمواد قطب كهربائي.

ثم في عام 1962، أنتجت شركة Standard Oil Company (SOHIO) مكثفًا فائقًا بقوة 6 فولت مع الكربون المنشط. ثم في عام 1979، بدأ إنتاج المكثفات الفائقة كتطبيق تجاري واسع النطاق. مع التقدم المستمر للتقنيات الرئيسية في المواد والعمليات، والتحسين المستمر لجودة المنتج وأدائه، بدأت المكثفات الفائقة في دخول فترة التطوير. وتستخدم حاليًا على نطاق واسع في الصناعة وفي مجال الأجهزة المنزلية. مما أدى إلى تكثيف جهود العديد من الباحثين لأكثر من 100 عام. حتى الآن، تم تحسين الأداء باستمرار. ونتطلع إلى استخدام المكثفات الفائقة بأداء أفضل في المستقبل [2].

ما هي أنواع المكثفات الفائقة تبعًا لآليات تخزين الطاقة ؟

1. مكثفات الطبقة المزدوجة الكهربية Electrical Double Layer Capacitor (EDLC)

تعتمد على تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات. الطبقة الأولى هي شحنة الجسم. والطبقة الثانية تكونت نتيجة تجاذب الأيونات المخالفة للجسم في الشنحة كما يحدث في شكل 1A الذي يمثل مادة كربونية. وكذلك شكل 1B الذي يمثل مادة كربونية مسامية كما يحدث في المكثفات. وتُعتبر المواد الكربونية (جرافين، أنابيب الكربون النانوية، مشتقات كربيد الكربون، الكربون النشط، إلخ) من أهم المواد التي تعتمد على هذه الآلية في تخزين الطاقة[1].

2. مكثفات كاذبة Pseudocapacitor (PC)

يتم تخزين الطاقة من خلال تفاعلات كهروكيميائية بين المواد المكونة للقطب والالكتروليت المحيط به كما في الشكل1C  والذي يفسر تخزين الطاقة في البطاريات. وهناك أيضا آلية حركة/إقحام أيونات المحلول الإلكتروليتي  في مسامات الأقطاب الكهربية. ينشأ عن ذلك تيار كهربي نتيجة حركة الأيونات/الإلكترونات من وإلى المحلول الإلكتروليتي والمادة النشطة للقطبين (شكل 1D). وتُعد هذه أحد أشهر آليات التخزين عند استخدام موصلات مسامية كفوم المعادن الانتقالية. وأيضًا مركبات العناصر الانتقالية (أكاسيد، نيترات، فوسفات، نتريد، كربيد العناصر الانتقالية) مواد نشطة كهروكيميائيًا يمكنها إنتاج كمية كبيرة من الطاقة عن طريق عمليات الأكسدة والاختزال الانعكاسية Reversible redox reactions [1].

3. مكثفات هجينة Hybrid Supercapacitors:

تعتمد المكثفات الهجينة على آليات التخزين المختلفة معًا. فيقوم أحد القطبين بتخزين الطاقة عن طريق تكوين طبقة مزودجة من الشحنات بينما القطب الآخر يعتمد على آلية التفاعلات الكهروكيميائية. تتميز هذه المكثفات بأنها تعمل في مدى أوسع من جهد التشغيل من النوعين السابقين. كما أنها تعتمد على آليات تخزين مختلفة مما يزيد من فترة عمرها [1].

شكل 1:  (A) مادة كربونية، (B) مادة كربونية مسامية، (C)  مادة نشطة للتفاعلات الكهروكيميائية، (D) إقحام الأيونات المحلول الإلكتروليتي في مادة القطب [1]

ما أهم مميزات المكثفات فائقة التوصيل الكهربي؟

ما يميز المكثفات الفائقة هو قدرتها على تخزين الطاقة بكل الآليات الممكنة مما يجعلها الجيل الجديد من أجهزة تخزين الطاقة. فيمكن تعديد مميزات المكثفات فائقة التوصيل عن البطاريات والمكثفات العادية، في النقاط التالية [3,4]:

1. سعة تخزين أعلى بمئات المرات من المكثفات العادية. وذلك لقدرتها على تخزين الطاقة بالطرق المختلفة السابقة وليس عن طريق تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات أو التفاعلات الكهروكيميائية فقط.
2. القدرة على تفريغ الطاقة بمعدل أعلى من البطاريات حيث أن طبقة الشحنات المزدوجة تعمل على تفريغ طاقتها في وقت قصير. وأيضًا آلية إقحام الأيونات والإلكترونات تولد تيار كهربي نتيجة حركة الجسيمات السريعة. تلك من أهم مميزات المكثفات الفائقة مما جعل العلماء يعملون على تطويرها لاستخدامها في مكابح السيارات الكهربية وغيرها من الأجهزة الكهربية الحديثة.
3. يمكن إعادة شحن الأجهزة آلاف المرات دون أي فقد في السعة التخزينة أو معدل التفريغ.

ما تطبيقات المكثفات الفائقة؟

يمكن استخدام المكثفات فائقة التوصيل في التطبيقات التي تتطلب شحن/تفريغ سريع للطاقة كمكابح السيارات الكهربية وأجهزة توليد الطاقة المتجددة ورادارات الطرق. بينما تُستخدم البطاريات في الأجهزة التي تتطلب توليد الطاقة على المدى الطويل كبطارية الهاتف المحمول والبطاريات المنزلية. وأيضا تُستخدم المكثفات الفائقة في التحكم في ضغط الكهرباء القطارات الكهربية  أثناء تخفيض سرعتها لتقليل استهلاك الطاقة [5].

ما التحديات التي تواجه المكثفات فائقة التوصيل؟

تستخدم المكثفات الفائقة على نطاق واسع في النقل والصناعة والجيش والإلكترونيات الاستهلاكية وغيرها من المجالات بسبب خصائصها الممتازة. ومع ذلك، فإن هذه الأجهزة بها بعض أوجه القصور. يتم وصف المشكلات الحالية التي تحتاج إلى حل بشكل أساسي في الجوانب الأربعة التالية [6] :

1. المشاكل الفنية للمكثفات الفائقة:

كثافة الطاقة للمكثفات الفائقة ليست عالية جدًا. في الوقت الحالي، لا تزال هناك فجوة معينة بين المكثفات الفائقة والبطاريات من حيث كثافات الطاقة. ولا تزال كيفية تحسين كثافة الطاقة هي محور البحث وصعوبته. يمكن تعزيز كثافة الطاقة عن طريق زيادة مساحة السطح الفعالة لمواد الأقطاب في المكثفات ذات الطبقة المزدوجة أو زيادة نافذة جهد التشغيل أو كليهما. يتم إجراء المزيد من الأبحاث لتطوير مواد جديدة ذات مساحة سطح عالية واستخدام إلكتروليتات عضوية مناسبة يمكن أن تتحمل نافذة جهد أكبر. إذا تمت معالجة هذه الامتدادات بشكل صحيح ، يمكن أن تصبح كثافة الطاقة للمكثفات الفائقة مماثلة للبطاريات.

2. كشف الثبات والاتساق:

نافذة الجهد للمكثف الفائق منخفض (أقل من 2.7 فولت)، الأمر الذي يتطلب الكثير من التوصيلات المتسلسلة للتطبيقات العملية. نظرًا للحاجة إلى شحن وتفريغ عاليين في التطبيقات، فإن الشحن الزائد له تأثير خطير على عمر المكثفات. فمن المهم جدًا ما إذا كانت الفولتية على المكثفات الفردية في السلسلة متسقة أم لا.

3.المعيار الصناعي:

كجهاز جديد لتخزين الطاقة، لا يمكن فصل التطوير الصحي للمكثفات الفائقة عن الصناعة والإشراف على السوق. تهدف مجموعة من الأنظمة القياسية التقنية إلى صياغة معايير الصناعة العملية، والمعايير الوطنية، وحتى المعايير الدولية. على سبيل المثال، المصطلحات وطريقة تسمية نموذج التصنيف وطريقة اختبار الأداء الكهربائي والمتطلبات الفنية للسلامة والمواصفات العامة ومواصفات مادة القطب الكهربائي ومواصفات الإلكتروليت وسلسلة مواصفات الشاحن والمتطلبات الفنية للإنتاج ومتطلبات النقل والاسترداد ويجب وضع متطلبات تدمير المكثفات الفائقة. وأيضًا معايير أخرى تهدف إلى توجيه وتوحيد صناعة المكثفات الفائقة لتحقيق هدف التخلص من إعادة التدوير الأخضر بتكلفة منخفضة. إنها وسيلة ضرورية لتعزيز التنمية الصحية للصناعة.

المراجع:

1. Science | Where Do Batteries End and Supercapacitors Begin? .
2. JEC| The History Of Supercapacitors
3. Chemical Reviews | Pseudocapacitance: From Fundamental Understanding to High Power Energy Storage Materials
4. Batteryuniversity | How does a Supercapacitor Work?
5. Encyclopedia | Supercapacitor Applications and Developments
6. APL Materials | Challenges and opportunities for supercapacitors

منذ اكتشاف النشاط الإشعاعي على يد هنري بيكيريل سنة 1896، بدأت تتولى تطبيقات هذا الاكتشاف. وقد استغل العلماء المواد المشعة الموجودة في الطبيعة في عملية التأريخ، حيث ظهرت عدة طرق لتأريخ مختلف أنواع الأجسام في الطبيعة. فما هو التأريخ الإشعاعي؟ وماهي أهم الطرق المستخدمة فيه؟

ما هو التأريخ الإشعاعي؟

من أجل فهم تاريخ الحضارات الإنسانية الغابرة، يستعمل العلماء طرقا مختلفة في تقدير عمر الصخور والتحف التي تعود لهذه الحضارات. وتعتبر المواد المشعة من أدق الوسائل التي قد تستعمل لهذا الغرض. وهذا ما يعرف بالتأريخ الإشعاعي، حيث تُستغَلُّ ظاهرة النشاط الإشعاعي لبعض المواد من أجل تحديد عمر الصخور والعظام والخشب وغيرها [1].

ومن أجل تأريخ عمر أحد الأجسام إشعاعيًا، يُشترط أن يحتفظ هذا الجسم بمادة مشعة داخله منذ تشكله إلى لحظة القيام بعملية التأريخ. وبحساب نسبة المادة المشعة التي تحللت إلى تلك التي لم تتحلل، يمكن تحديد عمر الجسم الذي يختزن هذه المادة المشعة [1].

حيث تمثل p₁ كمية المادة المشعة لحظة تشكل الجسم وتمثل p₂ كمية المادة المشعة عند لحظة التأريخ. أما λ فتمثل ثابت الانحلال الإشعاعي لهذه المادة المشعة.

كيف يعمل التأريخ الإشعاعي؟

يُؤرَّخ عمر الأشياء إشعاعيًا بحساب نسب النظائر المشعة فيها. فمن أجل تقدير عمر صخرة بركانية مثلًا، ننتقي مجموعة النظائر المشعة التي نجحت الصخرة في تخزينها، منذ تشكلها إلى وقتنا الحالي. ونقيس نسبة النظائر، التي لم تتحلل إشعاعيًا بعد، إلى العدد الأصلي، الذي كان أثناء تشكل الصخرة. وتمثل هذه النسبة عمر الصخرة [1].

وتختزن الأجسام الموجودة في الطبيعة المواد المشعة داخلها بعدة طرق. فمن المواد المشعة من يدخل في تركيبة جسم ما عن طريق التفاعلات النووية الطبيعية، التي تحدث بين الأشعة الكونية الآتية من الفضاء الخارجي وهذا الجسم. ومن المواد المشعة ما ينتج عن تحلل مادة مشعة إلى أخرى. ومنها ما يتسلل داخل الجسم  بتوغل عنصر كيميائي مع نظائره المشعة داخل بنية الجسم [1].

وتعد تركيبة النظائر المشعة داخل عينة طبيعية ما (صخرة أو عظم أوغيرها) لسانًا يتكلم بالأحداث التي مرت بها هذه العينة منذ تشكلها. فاختلال أحد النسب في أحد الصخور مثلا، يمَكن  من التنبأ بالظروف المناخية التي مرت بها الصخرة [1].      

أهم طرق الـتأريخ الإشعاعي

تختلف طرق التأريخ الإشعاعي حسب العنصر المشع المستعمل في عملية التأريخ. ومن بين أشهر هذه الطرق، نجد طريقة البوتاسيوم-أرجون وطريقة اليورانيوم-الرصاص وطريقة الكربون المشع. ويحدد العلماء نوع الطريقة الذي سيستعمل في عملية التأريخ حسب نوع العينة. فالمعادن الغنية بالبوتاسيوم تعتمد طريقة البوتاسيوم-أرجون. وتُؤرَّخ بقايا الكائنات الحية (الخشب والعظام) بطريقة الكربون المشع. بينما، تحتاج الصخور، التي تشكلت مع تشكل النظام الشمسي في تحديد عمرها إلى استعمال طريقة اليورانيوم-الرصاص [2].

1- طريقة البوتاسيوم-أرغون في التأريخ الإشعاعي

تعتمد طريقة البوتاسيوم-أرجون على تحلل البوتاسيوم-40 المشع إلى الأرغون-40. ويستعمل في تأريخ المعادن القديمة التي تحتوي على البوتاسيوم، والتي تتميز بوجود فائض من الأرغون-40.  يتحلل البوتاسيوم-40 إلى الأرغون-40 بشكل أساسي عن طريق ظاهرة «التقاط الإلكترون-Electron capture». وبفضل قانون النشاط الإشعاعي، يمكن استنتاج المدة الزمنية التي بدأت عملية التحلل، وبالتالي عمر المعدن المراد تأريخه [2].

حيث تمثل كل من [⁴⁰Ar] و[⁴⁰K] كميتي الأرغون-40 والبوتاسيوم-40 في اللحظة t. وتمثل λ_EC ثابت التحلل الإشعاعي لتحلل البوتاسيوم-40 إلى الأرغون-40، وتمثل λ ثابت التحلل الإشعاعي الكلي لتحلل البوتاسيوم-40.

ويقوم استعمال هذه الطريقة على فرضيتين. أولاهما، أن العينة المراد تأريخها عبارة عن نظام مغلق، أي أن العينة لم تستقبل أو تُسرب أيا من المادة المشعة (البوتاسيوم-40) أوالمادة الناتجة عن التحلل (الأرغون-40) بعد تشكلها. وأخراهما، أن العينة لا تحتوي أي كمية من الأرغون-40 بعد تشكلها. ونظرا لصعوبة تحقق هاتين النظريتين بشكل كامل، فإن وضع بعض التصحيحات ضروري للحصول على عمر العينة بدقة كافية [2].

وعلى الرغم من التصحيحات، فإن التغيرات الطقسية، من ضغط وحرارة، قد تؤدي إلى فقدان أو زيادة في الأرغون-40 داخل العينة، وبالتالي تقديرات خاطئة لعمرها. لذلك، تُؤرَّخ بهذه الطريقة الصخور القادرة على تحمل الظروف المناخية القاسية، كالصخور البركانية مثلًا [2].

2- طريقة الكربون المشع في التأريخ الإشعاعي

تستعمل طريقة الكربون المشعة في تأريخ عمر بقايا الكائنات الحية. وتقوم على تحلل الكربون المشع الموجود في هذه الكائنات. ينتج الكربون المشع عن تفاعل الأشعة الكونية، الآتية من الفضاء الخارجي، مع ذرات النيتروجين الموجودة في الهواء. ويدخل في تركيب ثنائي أكسيد الكربون، الذي يدخل بدوره في تركيب الكائنات الحية. يظل الكربون المشع يتراكم داخل الكائنات الحية حتى يصل إلى حد ثابت. يمثل هذا الحد حالة تكافؤ بين الكربون المشع الداخل إلى الجسم وذلك المتحلل إشعاعيًا. عند موت الكائن الحي، يتوقف دخول الكربون إلى الجسم، فيختل التوازن بين الكربون المتكون والمختفي. هكذا، يبدأ الكربون المشع، داخل الكائن، يتناقص تدريجيا بالتحلل الإشعاعي. ويحدد عمر الكائن من  النسبة بين كمية الكربون المشع عند موت الكائن وكميته أثناء عملية التأريخ [2].

حيث تمثل λ ثابت التحلل الإشعاعي للكربون المشع، وتمثل A₀ النشاط الإشعاعي للكربون المشع في العينة لحظة موتها، وتمثل A النشاط الإشعاعي للكربون المشعي في اللحظة  t، أي لحظة القيام بالتأريخ.

وللتأريخ بطريقة الكربون المشع، نفترض أن العينة غير ملوثة بالكربون المشعة الناتج عن التجارب النووية أو غيرها من المصادر للصناعية للكربون المشع. ويتم إدخال بعض التصحيحات للحصول على نتائج أكثر دقة، حيث يجب الأخذ بعين الاعتبار تغير نسبة الكربون المشع في الغلاف الجوي عبر الزمن. وتتنوع المواد التي يمكن تأريخها بهذه الطريقة من الفحم والخشب إلى الحبوب والبذور وغيرها[2].

وقد استعملت طريقة الكربون المشع في تأريخ أثاث الفرعون زوسر الموجود في مدينة سقارة المصرية. من أجل القيام عملية القياس، أخذ العلماء 20 غراما من خشب الأثاث الفرعوني. ثم قاسوا كمية الكربون الموجود في قطعة الخشب باستخدام عداد لقياس النشاط الإشعاعي. فكان العمر المقدَّر هو 2330 سنة قبل الميلاد بهامش خطأ يقدر بـ 350 سنة. بعد تطور أدوات القياس، تم تأريخ القطعة مجددًا يشكل أكثر دقة، فقُدِّر عمرها بـ 4115 سنة قبل الميلاد مع هامش خطأ بحوالي 34 سنة [2].  

3- طريقة اليورانيوم-الثوريوم-الرصاص في التأريخ الإشعاعي

تستخدم طريقة اليورانيوم-الثوريوم-الرصاص نظائر اليورانيوم والثوريوم المشعة، التي تتحول بعد سلسلة من التحللات الإشعاعية إلى نظائر مستقرة للرصاص، في عملية التأريخ الإشعاعي. وتتميز هذه الطريقة بوجود ثلاث سلاسل للتحلل، حيث يتحول كل من اليورانيوم-238 واليورانيوم-235 والثوريوم-232 إلى الرصاص-206 والرصاص-207 والرصاص-208، على التوالي. وهكذا، يمكننا من حساب عمر نفس الصخرة بثلاث سلاسل مختلفة، والتي يجب أن تعطي نفس العمر في الحالة المثلى. بالإضافة إلى هذا، تسمح هذه الطريقة بحساب عمر الصخرة دون الحاجة إلى معرفة كمية نظيري اليورانيوم ²³⁵U و²³⁸U، حيث يتم الاستعاضة عنها بنسبة اليورانيوم-235 إلى اليورانيوم-238 (تساوي 1/137.88).  لهذا، تعتبر هذه الطريقة أكثر الطرق دقة، حيث يصل مستوى الدقة فيها إلى (1/10,000) من عمر العينة. لكن هذا، لا يعني أن النتائج تكون دائمًا دقيقة، فقد يؤثر تسرب الرصاص خارج العينة على القياسات [2][3].

ورغم وجود نظائر اليورانيوم والثوريوم في كثير من المعادن، إلا أنه لا يمكن تطبيق طريقة اليورانيوم-الثوريوم-الرصاص إلا على تلك القادرة على الاحتفاظ بهذه نظائر. بالإضافة إلى هذا، يجب ألا يقل عمر العينة عن المليون سنة [2][3].

المصادر

[1] Radioactivity and Radiometric Dating

[2] Radioactive Dating Methods

[3] Uranium–Lead Dating 

منذ الثورة الصناعية، اعتمد العالم على الوقود الأحفوري رغم ما يسببه من انبعاثات لغاز ثاني أكسيد الكربون، المعروف كأحد أخطر الغازات الحبيسة. ومن المتوقع نضوب الوقود الأحفوري بحلول عام 2050، لذا يتجه العلماء لتوفير طاقة نظيفة مثل الخلايا الشمسية أو وقود الهيدروجين. ولضمان استمرارية وتطوير إنتاج الطاقة النظيفة، نحتاج إلى أجهزة تخزين الطاقة ومن أشهرها البطاريات والمكثفات. البطارية تخزن الطاقة عن طريق تحويل الطاقة الكيميائية لكهربية بواسطة عمليات الأكسدة والاختزال مما يوفر مرور تيار كهربي يُستخدم في تشغيل مختلف الأجهزة الكهربائية. ولكن ما هو المكثف وكيف يعمل؟

يعمل المكثف على تخزين الطاقة في صورة مجال كهربي. والاختلاف الجوهري بين المكثفات والبطاريات يكمن في آلية تخزين الطاقة، وما يترتب على ذلك من خصائص لكل منهما [1] .

اختراع المكثف الكهربي

يعتبر أول من اخترع المكثف هو «بيتر فان موشنبروك- Pieter van Musschenbroek» عام 1746 في جامعة ليدن في هولندا باستخدام «جرة ليدن-Leyden jar».  وجرة ليدن هي عبارة عن جرة زجاجية ملفوفة من الداخل والخارج بورق معدني رفيع. تم توصيل الرقاقة الخارجية بالأرض، وتم توصيل الرقاقة الداخلية بمصدر للكهرباء [2].

صورة جرة ليدن من موقع متحف الفيزياء لجامعة كوينزلاند الأسترالية

على الرغم من عدم فهم كيفية عملها في ذلك الوقت، اكتشف بيتر أن الجرة تخزن شحنة كهربائية حتى بعد فصلها عن المولد. ومثل العديد من الأجهزة الكهربائية المبكرة، لم يكن هناك استخدام خاص لجرة ليدن في البداية. لكن اليوم ومع تطور العلوم والتكنولوجيا أصبحت المكثفات وما ترتب عليها من تطورات جزء لا يتجزأ من اختيارات تخزين الطاقة.

مم يتكون المكثف؟

المكثف هو جهاز يتكون من موصلين للكهرباء بينهما مادة عازلة. يقوم المكثف بتخزين الطاقة الكهربية الساكنة في صورة مجال كهربي. ويعتمد المكثف على المجال الكهربي الناتج عن اختلاف الشحنات على الموصلين. وبسبب الاعتماد الكلي على التجاذب الكهربي بين الشحنات، تُستخدم المكثفات في مواضع كثيرة تحتاج التفريغ السريع اللحظي لكمية ما من الطاقة مثل وامض الهاتف المحمول (فلاش الكاميرات) [3].

تصميم تخطيطي لأول مكثف (جرة ليدن)            

  

صورة توضيحية لأبسط مكونات المكثف

آلية تخزين المكثفات للطاقة

تخزن المكثفات الطاقة الكهربائية على شكل شحنة كهربائية متراكمة على ألواحها. وعندما يتصل المكثف بمصدر طاقة، تتراكم الشحنات على الألواح ومن ثم يمكن إطلاقها عند فصل المكثف عن مصدر الشحن عند الحاجة. ويمكنك شحن مكثف ببساطة عن طريق توصيله بدائرة كهربائية. وعند تشغيل الطاقة، تتراكم الشحنة الكهربائية مجددًا تدريجياً على الألواح. ويكتسب إحدى اللوحين شحنة موجبة، بينما يكتسب اللوح الآخر شحنة متساوية ومعاكسة (سالبة).

إذا فصلت الطاقة، فسيحتفظ المكثف بشحنته لكنه سيفقدها ببطء مع مرور الوقت، لكن إذا قمت بتوصيل المكثف بدائرة ثانية تحتوي على شيء مثل محرك كهربائي أو مصباح، ستتدفق الشحنة من المكثف عبر المحرك أو المصباح حتى لا يتبقى أي شيء على الألواح. على هذا النحو، تصبح المكثفات قادرة على إطلاق الطاقة المخزنة بمعدل أعلى بكثير من البطاريات، لأن العمليات الكيميائية في البطاريات تحتاج إلى مزيد من الوقت لتحدث[3] .

أوجه الاختلاف بين البطاريات والمكثفات

1. تعتمد البطاريات في تخزينها على التفاعلات الكهروكيميائية الحادثة داخل الخلية بينما تخزن المكثفات الطاقة في صورة مجال كهربي بين قطبي الجهاز.
2. تستطيع البطاريات تخزين أضعاف كمية الكهرباء المُخزنة في المكثفات. كما تقوم البطاريات بتفريغ الطاقة المخزنة بجهد ثابت لفترة طويلة، ولكن لا يمكن تفريغها لحظيًا.
3. تقوم البطاريات بتفريغ طاقتها في وقت أطول من المكثفات، حيث تستطيع البطاريات تخزين كمية هائلة من الطاقة مقارنة بالمكثفات وذلك بفضل العمليات الكهروكيميائية.

فيم تتميز المكثفات عن البطاريات؟

تتميز المكثفات بفترة عمر أطول كثيرًا -تُقدر بالسنين- من البطاريات. والأهم من ذلك أنه يمكن إعادة شحنها مرارًا وتكرارًا دون فقد أي طاقة مخزنة. وذلك لأن المكثف يعتمد على تخزين الطاقة في صورة مجال كهربي. على صعيد آخر يحدث تآكل للمواد الكيميائية المكونة للبطاريات، وبالتالي لا يمكن إعادة شحنها إلا مرات محدودة إذا أمكن ذلك، ولكن يوجد أنواع بطاريات لا يمكن إعادة شحنها [4].

 هل يوجد جهاز يدمج بين ميزات البطارية والمكثف؟

نعم، إنه الجيل الجديد من أجهزة تخزين الطاقة ويعرف بالمكثفات فائقة التوصيل. ويعتمد المكثف فائق التوصيل في تخزينه للكهرباء على آليتي التخزين: تحويل الطاقة الكيميائية لطاقة كهربية، وتخزين الطاقة الكهربية الساكنة بين القطبين في صورة مجال كهربي [4,5].

تطبيقات المكثفات

هناك العديد من التطبيقات التي تستخدم المكثفات كمصادر للطاقة. إذ تُستخدم المكثفات في أجهزة الراديو لضبط التردد المطلوب، وفي المنازل أيضا لتحويل التيار المتردد لتيار مستمر لتشغيل الأجهزة الكهربائية. كما يتم استخدامها في المعدات الصوتية، وإمدادات الطاقة غير المنقطعة، وومضات الكاميرا، والأحمال النبضية مثل الملفات المغناطيسية والليزر وما إلى ذلك [5]. وفي الآونة الأخيرة، يركز العلماء جهودهم على تطوير المكثفات لتخزين الطاقة واستخدامها في الدوائر الكهربائية المختلفة، ولملء الفجوة بين المكثفات والبطاريات، والوصول لمعدل تفريغ طاقة عالٍ بسعة تخزينة كبيرة. ويعتبر ذلك النوع هو الجيل الجديد من أجهزة تخزين الطاقة حيث تتميز بسعات تخزينية أعلى من المكثفات العادية. كما تعتمد في آلية تخزينها على تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات وكذلك التفاعلات الكهروكيميائية كما في البطاريات.

يمكن أن تخزن هذه المكثفات كميات كبيرة من الطاقة وتوفر إمكانيات جديدة، خاصة في مجالات السيارات الكهربائية، والمكابح المتجددة في صناعة السيارات. ويقصد بالكبح التجديدي تنشيط المكابح المتجددة، فتتباطأ السيارة مع تجديد بعض الكهرباء التي كانت تستخدم في الأصل لتسريعها. ثم يتم تغذية هذه الكهرباء مرة أخرى إلى البطاريات لتسريع السيارة مرة أخرى في المستقبل. يختلف الكبح التجديدي عن المكابح التقليدية التي لا تولد شيئا سوى الحرارة والضوضاء عند إبطاء السيارة. وعلى عكس مركبات ICE (Internal Combustion Engine- محرك الاحتراق الداخلي) التي تستخدم المكابح التقليدية فقط، تستخدم السيارات الكهربائية كلا من الكبح التقليدي والمتجدد [6].

ومن التطبيقات أيضًا المحركات الكهربائية الصناعية، وذاكرة الكمبيوتر الاحتياطية أثناء فقدان الطاقة وغيرها الكثير. وسيكون للمكثفات نصيب هائل في المستقبل لما تلبيه من حاجتنا إلى السرعة وندرة الموارد.

المصادر:

1. Science | Materials science. Where do batteries end and supercapacitors begin?
2. wired | the Physics of Leyden Jars
3. Science News Explores | Explainer: How batteries and capacitors differ
4. Encyclopedia | Supercapacitor Applications and Developments
5. Machine Design | What’s the Difference Between Batteries and Capacitors?
6. Auto Express | Regenerative braking: what is it and how does it work?

وضع العلماء عدة نماذج نووية لتفسير ظاهرة الإشعاع النووي التي تميز المواد المشعة عن غيرها من المواد المستقرة. وتصِف هذه النماذج الجسيمات، التي تكوِّن نواة الذرة، والتفاعلات التي تحدُث بينها. فما هي النماذج النووية؟ وإلى أي حد نجحت في تفسير ما يحدث داخل النواة؟

النماذج النووية

تساهم النماذج النووية في فهم وتبسيط ما يحدث داخل النواة من ظواهر. فمنها ما يُشبِّه النواة ونوياتها (مكونات النواة) بقطرة ماء تتفاعَل داخلها جزيئات الماء، كما هو الحال في «نموذج قطرة السائل-Liquid-Drop Model». ومنها ما يُصورها على شكل غاز مضغوط في كرة بحجم نواة الذرة كما في «نموذج غاز فيرمي-Fermi gas model». وأخرى تعتبرها مكوَّنة من طبقات تختزن داخلها النويات المكوِّنة للنواة كما في «نموذج القشرة-The shell model » [1]. فسنستعرض بعض تلك النماذج هنا في هذا المقال.

1. نموذج متوسط الجهد

يُعد «نموذج متوسط الجهد» أساسًا لبعض النماذج الأخرى. وتخضَع النويات في هذا النموذج لجهد ثابت يبقيها مرتبطة فيما بينها داخل النواة. ينشَأ الجهد عن مختلف النويات التي تكوِّن النواة. وتسبَح كل نوية في متوسط هذا الجهد دون أن يكون لها أي ارتباط بباقي النويات، حيث يُعوِّض هذا الجهد التفاعل بين النويات الذي تم إهماله في هذا النموذج [1].

في هذا النموذج، تخضع البروتونات والنيوترونات (النويات المكونة للنواة) لـ «مبدأ الاستبعاد لباولي-Pauli exclusion principle» كل على حدة. ويفرض هذا المبدأ عدم إمكانية وجود بروتونين أو نيوترونين في نفس الحالة الكمومية (يجب أن يكون اتجاه الأسهم متعاكسًا كما هو مبين في الشكل 2) [1].

مستويات الطاقة

تسعَى النواة للحصول على الوضعية الأكثر استقرارًا، أي ذات مستويات الطاقة الأدنى. و تتوزع كل من البروتونات والنيوترونات على مستويات الطاقة بدءًا بالمستويات الأدنى نحو الأعلى مع احترام مبدأ الاستبعاد لباولي. ونتيجة لهذا، فإن النوى، التي يفُوق فيها عدد النيوترونات عدد البروتونات أو العكس، تحتَاج مستويات أعلى طاقة مقارنة بتلك التي يكون فيها عدد النيوترونات والبروتونات متساويًا، حيث يسهِم التفاوت بين البروتونات والنيوترونات إلى امتلاء مستويات الطاقة الخاصة بإحداها بينما تبقَى المستويات الدنيا للأخرى فارغة (انظر الشكل 3). فعلى سبيل المثال، بالنسبة لنواة تملك سبع نويات، نجد أن نواة البورون-7 أقل استقرارًا من نواة البريليوم-7، نظرًا لأن هذه الأخيرة تملك عددًا متقاربًا من البروتونات والنيوترونات (انظر الشكل 3). وهذا ما يفسر تحلل نواة البورون-7 إلى البريليوم-7 عن طريق التحلل b⁺ الذي يحول بروتونًا إلى نيوترون [1].

استقرار النواة

وللوصول إلى حالة الاستقرار، تسعَى النوى إلى الحصول على عدد متماثل من البروتونات والنيوترونات من خلال تحلل β، الذي يحول البروتونات إلى نيوترونات أو العكس. وهذا ما يفسر استقرار النوى الخفيفة التي تملك عددًا متساويًا من النيوترونات والبروتونات. بالنسبة للنوى الثقيلة (التي تملك عددًا كبيرًا من النويات)، فإن التنافر الذي يحدث بين شحنات البروتونات يضعف استقرار النواة. وللتغلب على هذا التنافر، تحتاج النواة لمزيد من النيوترونات لزيادة القوة النووية التي تربط النويات بعضها ببعض. لهذا، تنحو النوى الثقيلة لامتلاك نيوترونات أكثر من البروتونات. وتكون النوى أكثر استقرارًا أيضًا حين يكون عدد البروتونات زوجيًا وعدد النيوترونات زوجيًا حيث إن معظم النوى المستقرة إشعاعيًا، والتي تملك عددًا زوجيًا من النويات، يكون فيها عدد النيوترونات والبروتونات زوجيًا (155 نواة من بين 160 نواة موجودة في الطبيعة) [1].

نموذج قطرة السائل

في نموذج قطرة السائل، تم تشبيه نواة الذرة بقطرة ماء تتفاعل داخلها جزيئات الماء. ويقوم هذا النموذج على أساس قصر مدى القوى النووية، حيث تتفاعل كل نوية مع النويات التي تجاورها فقط، كما يحدث لجزيئات الماء مع بعضها البعض. بالإضافة إلى هذا، فإن النواة، كما قطرة الماء، غير قابلة للضغط، حيث تملك كثافة ثابتة. وتحافظ النواة على استقرارها بفضل طاقة الربط التي تبقي النويات مجتمعة داخل النواة، حيث تقابل طاقة الربط هذه حرارة التبخر عند قطرة الماء. فمن أجل تفكيك النواة، يجب منحها طاقة أكبر من طاقة الربط، وكذلك من أجل تفكيك قطرة الماء، يجب إعطاؤها طاقة تساوي حرارة التبخر [2].

صيغة الكتلة شبه التجريبية

ويستعمَل نموذج قطرة السائل في حساب طاقة الربط لكل نوية -وهي طاقة الربط الكلية مقسومة على عدد نويات النواة، حيث قام «بيته-Bethe » و«فايزيكر-Weizsäcker» بوضع «صيغة الكتلة شبه التجريبية-semi-empirical mass formula » التي تُمَكِّن من حساب طاقة الربط. وتتكون هذه الصيغة من عدة معاملات تم تحديدها بحيث تكون طاقة الربط المحصل عليها بهذه الصيغة مساوية لتلك المأخوذة تجريبيا [1]. وتنقسم الصيغة إلى خمسة حدود:

• «طاقة الحجم- Volume Energy»، وتمثل تفاعل كل نوية مع ما يجاورها من نويات. وتتعلق هذه الطاقة بحجم النواة [1][2].
• «طاقة السطح-Surface Energy »، حيث تكون النويات الموجودة في سطح النواة أقل ارتباطًا من تلك التي تكون في المركز. ويرجع هذا لكون عدد النويات التي تجاور نويات السطح أقل من ذلك الذي عند نويات المركز، مما يسهم في إنقاص طاقة الربط. وهذا ما يفسر إشارة الناقص المرافقة لها [1][2].
• «طاقة كولوم-Coulomb Energy »، وتنتج عن تنافر البروتونات فيما بينها. مما يؤدي إلى إنقاص طاقة الربط.
• «طاقة عدم التناظر-Asymmetry Energy»، تفسر هذه الطاقة ارتفاع طاقة الربط عند النوى التي تملك عددا متماثلا من البروتونات والنيوترونات. ويكون هذا الحد مهما عند النوى الخفيفة. أما بالنسبة للنوى الثقيلة، فإن طاقة كولوم تطغى على هذه الطاقة. مما يؤدي إلى زيادة عدد النيوترونات في هذه النوى مقارنة بعدد البروتونات [1][2].
• «طاقة الازدواج-Pairing Energy»، وتعكس كون النوى ذات عدد بروتونات وعدد نيوترونات زوجي أكثر استقرارًا من غيرها [1][2].

• ما هي مكونات نواة الذرة؟ وكيف تحافظ النواة على استقرارها؟
• كيف يمكن للنماذج المناخية أن تخبرنا بمستقبل المناخ؟
• هل سيعتبر العلم الحديث الفيروسات كائنات حية؟
• أدلة المادة المظلمة، أعظم ألغاز علم الكونيات
• كيف يتم إنتاج الإشعاعات المستعملة في العلاج الإشعاعي؟

نموذج غاز فيرمي

يعتمِد نموذج غاز فيرمي نموذج الجهد الثابت أساسا له، حيث يُشَبِّه النواة بكرة تحبس داخلها نوعين من الغازات: غاز البروتونات وغاز النيوترونات. وعلى عكس نموذج قطرة السائل التي ترتبط فيها طاقة النواة بخصائصها الهندسية، يعتمد نموذج غاز فيرمي على ميكانيكا الإحصاء الكمومي في حساب العوامل a_v وa_s وa_a. ويعاني هذا النموذج من عدم دقته في تحديد طاقة الربط لدى النوى الخفيفة، حيث تكون أقل من تلك المقاسة تجريبيا [1].

نموذج القشرة

يتأسس نموذج القشرة، كما نموذج غاز فيرمي، على نموذج الجهد الثابت، حيث تخضع النويات لجهد ثابت. وتتموضع في هذا الجهد مستويات الطاقة التي تحتلها البروتونات والنيوترونات. وعلى عكس باقي النماذج، نجح نموذج القشرة في تفسير ظاهرة «الأعداد السحرية-magic numbers»، التي تكون فيها طاقة الربط في أقصى مستوياتها. وتعتبر النوى التي يكون عدد نيوتروناتها أو بروتوناتها مساويا لأحد هذه الأرقام (2،8،14،20،28،50،86،126) الأكثر استقرارا مقارنة ببقية النوى. وعلى غرار الفيزياء الذرية، حيث تكون الذرات في أقصى حالات الاستقرارعندما يكتمل عدد الإلكترونات في المدار الخارجي للذرة، فإن النوى الأكثر استقرارا هي تلك التي تملك مدارات ممتلئة، وهو ما يوافق الأعداد السحرية للبروتونات والنيوترونات [1].

في الختام، تبقَى هذه النماذج محاولات لتفسير ظاهرة النشاط الإشعاعي لبعض النوى. ولا يزال نموذج القشرة الأكثر نجاحا في ذلك.

المصادر

[1] Nuclear models and stability
[2] Principles of Radiation Interaction in Matter and Detection

على عكس مفاعلات الانشطار النووي، لا تزال مفاعلات الاندماج النووي في مرحلة التطوير. ويرجع التحدي الأكبر في مفاعلات الاندماج، كونها تحتاج درجات عالية من الحرارة –تتجاوز المئة مليون درجة– من أجل خلق الاندماج النووي. وبسبب انعدام أية مادة قادرة على تحمل هذه الحرارة، فقد تم تطوير عدة طرق لحصر الوقود النووي في الفراغ. فما هي الطرق التي تم استعمالها في توليد الاندماج النووي؟ وهل اقترب العلماء من بناء مفاعل اندماج نووي يولد الكهرباء؟

تفاعلات الاندماج النووي

من بين أهم تفاعلات الاندماج النووي التي يمكن توظيفها في مفاعلات الاندماج النووي، نجد اندماج نظيري الهيدروجين الديوتيريوم (D) والتريتيوم (T) واندماج ذرتي ديوتيريوم مع بعضهما. ولكل نوع من الاندماج إيجابيات ومساوئ. فالأول يتميز بكونه ينتج طاقة كبيرة (14.1MeV) مقارنة بالتفاعل الثاني (4.03MeV)، بالإضافة إلى أن احتمالية حدوث التفاعل الأول أكبر من فرص حدوث التفاعل الثاني. و في المقابل، تتواجد ذرة  الديوتيريوم بشكل طبيعي في الماء، على عكس ذرة التريتيوم التي تحتاج إلى التصنيع من أجل استخدامها كوقود نووي. وعلى مستوى البناء، فإن النيوترونات ذات الطاقة العالية التي تتحرر عند اندماج  الديوتيريوم والتريتيوم تلحق الضرر بجدار الوعاء الذي يضم الوقود النووي، مما يستلزم استبداله دوريًا، وبالتالي يزيد من حجم النفايات المشعة لهذا النوع من المفاعلات. ورغم هذا يبقى تفاعل نظيري الهيدروجين D و T المُرشَّح الأقوى للاستخدام في مفاعلات الاندماج النووي [1].

مراحل تطوير مفاعل اندماج نووي

يتطلب بناء مفاعل اندماج نووي المرور بأربعة مراحل، تبدأ بأداء تجارب على مستوى الجسيمات الفردية للتحقق من التفاعل ومن مدى إنتاجه للطاقة. تليها مرحلة إحداث أنظمة قادرة على جعل الطاقة المتولدة من التفاعل تفوق تلك التي يستهلكها. بعدها، يتوجب تصميم جهاز قادر على إنتاج قدرة عالية (في حدود الميغاوات) حتى يتسنى استغلالها في تطبيقات عماية. وفي النهاية، تأتي ضرورة تحسين تصميم المفاعل لجعل المنشأة ملائمة للأغراض التجارية. وقد حقق العلماء المستوى الأول. بينما، نشهد عدة تطورات واعدة بالنجاح في المستوى الثاني. أما المستويان الثالث والرابع، فلا يزالان في قيد الإنجاز مع آمال بأن يتحققا خلال هذا القرن [1].

طرق توليد الاندماج النووي

من أجل توليد اندماج نووي فعال، يجب أن تفوق الطاقة التي ينتجها التفاعل الطاقة التي يستهلكها –وهو ما يعرف بظاهرة الإشعال [2]. ولتحقيق الإشعال طور العلماء طريقتين مختلفتين هما «الحصر المغناطيسي-magnetic confinement fusion» و«الحصر بالقصور الذاتي-inertial confinement fusion». تتمثل الأولى في حجز البلازما المسؤولة عن توليد تفاعل الاندماج بواسطة مجالين كهربائي ومغناطيسي قويين. وفي المفاعلات التي تعتمد هذه الطريقة، يتم تسخين البلازما (الحالة الربعة للمادة، حيث تتفكك فيها المادة إلى أيونات وإلكترونات حرة) إلى درجات عالية من الحرارة إلى أن تصل مرحلة الإشعال. أما في الطريقة الثانية، فتُقذف كرية من الوقود النووي بأشعة الليزر أو بجسيمات مشحونة، وذلك بهدف تسخين ورفع كثافة الوقود النووي بضغطه نحو المركزإلى أن يصل إلى الإشعال[1][3].

آلات الحصر المغناطيسي

صُمِّمت ألات الحصر المغناطيسي من أجل إنتاج البلازما وحصرها في موضعها. تتم هذه العملية اعتمادًا على المجالين الكهربائي والمغناطيسي، حيث يسهمان في إنتاج الشحن المكونة للبلازما والحفاظ عليها. وتُسخن البلازما من خلال تمرير تيار كهربائي عبرها، أو من خلال طرق أخرى كاستخدام موجات المايكرويف التي تتلاشى داخل البلازما مُمِدة إياها بالطاقة اللازمة لتسخينها [1].

ومن أبرز آلات الحصر المغناطيسي، نذكر جهاز «التوماك-tokamak » المستخدم في المفاعل التجريبي الحراري (ITER) المتواجد بمدينة كاداراش جنوبي فرنسا، والذي تم بنائه بشراكة عدة دول من بينها الولايات المتحدة وروسيا والإتحاد الأوروبي. بالإضافة إلى الحلقة الأوروبية المشتركة (JET) الموجودة بمركز كولهام للطاقة الاندماجية في أوكسفوردشاير[4].

آلات القصور الذاتي

تعتمد آلات القصور الذاتي على الضغط الداخلي للوقود النووي من أجل إنتاج الطاقة اللازمة للاندماج النووي. وتشبه طريقة عمل هذه الآلات مبدأ عمل القنبلة الهيدروجينية، حيث يؤدي تسليط الليزرنحو  الطبقة الخارجية لكرية صغيرة من الوقود النووي إلى تفجيرهذه الطبقة. وتعمل قوة الانفجار على ضغط الوقود النووي نحو الداخل فترتفع كثافة الوقود وحرارته إلى أن يتحقق الاندماج النووي [5].

وقد سبقت هذه التقنية في الوصول إلى ظاهرة الإشعال. حيث نجحت منشأة الإشعال الوطنية الأمريكية (ولأول مرة في التاريخ) في الوصول إلى مرحلة الإشعال في بداية هذا الشهر. واستعملت لهذا الغرض 192 جهاز ليزر، من أجل قذف أسطوانة ذهبية بحجم حبة البازلاء، تحتوي كرة مجمدة من نظيري الهيدروجين الديوتيريوم (D) والتريتيوم (T).  تم إرسال 2.05 ميغاجول من الطاقة نحو الأسطوانة التي انهارت بفعل التردد المصاحب لهذه الطاقة. وحررت بذلك الحرارة اللازمة لتفعيل عملية الاندماج النووي. وقد ولّد هذا الأخير ما يعادل 3.15 ميغاجول من الطاقة وهو ما يفوق الطاقة المحفزة للتفاعل بما يقارب 54%. ورغم أن أجهزة الليزر استهلكت 322 ميغاجول من الطاقة خلال العملية، فإن الوصول إلى مرحلة الإشعال يعد دفعة مهمة في طريق الوصول إلى مفاعل اندماج نووي [6].

المصادر

[1] Nuclear energy: An introduction to the concepts, systems, and applications of nuclear processes

[2] Fusion and Ignition

[3] Plasma Physics

[4] اﻻﻨدﻤﺎج اﻟﻨووي ﻫل ﻫو اﻟﻤﺴﺘﻘﺒل ؟

[5] Inertial Confinement Fusion

[6] مختبر اندماج نووي يحقق تفاعل “إشعال”: ما دلالة هذا الإنجاز؟

معنى العدم هو واحد من أهم الأسالة التي عجزت الفيزياء عن تفسيرها حتى الآن. حتى الفلاسفة اختلفوا على وضع معنى واضح وصريح يفسر طبيعة العدم. فما هو العدم من وجهة نظر الفيزياء والفلسفة؟

الفراغ لا يعني العدم

حاول أن تغلق عينيك لمدة دقيقة وتفكر في العدم. تحاول بصعوبة منع مخيلتك من تخيل أي شيء مادي، ولكنك تفشل في النهاية. فعند التفكير في الأمر ترى نفسك تتخيل أما كلمة “اللاشيء” أو اللون الأسود، وهما في الواقع شيء. محاولتك أيضًا لتخيل الفراغ بين النجوم أو الكواكب محاولة خاطئة، فما بينهم ليس لاشيء بل هو فضاء يحتوي على إشعاع وعلى قوى مختلفة مثل الجاذبية. وبالتالي مفهوم العدم لا يعني الفراغ الذي تراه. ولتخيل الفرق العدم وما تراه بشكل أوضح، حاول أن تتخيل صندوق خالي. بتفريغ الهواء من داخل الصندوق أيضًا أصبح لديك صندوق فارغ من أي شيء قد تراه أو تشعر بوجوده. ولكن كيف يرتكز الصندوق في مكانه؟ من خلال قوة الجاذبية التي تؤثر عليه وبالتالي الصندوق يحتوي على شيء، ولكنك ليس بالضرورة أن تراه.

وبالتفكير في الجاذبية من خلال نظرية النسبية العامة لأينشتاين، نجد أن الجاذبية هي تغير في الزمان والمكان. وبالتالي فلتفريغ الصندوق من الجاذبية يجب أن نزيل الزمان والمكان. وكما قال عالم الفيزياء النظرية الأمريكي «شون كارول – Sean Carroll» “ربما يكون من الأفضل التفكير في لا شيء على أنه غياب حتى للمكان والزمان، بدلاً من المكان والزمان بدون أي شيء فيهما”. [1]

المراحل الفيزيائية للعدم

نشر الفيلسوف الأمريكي «روبرت كون – Robert Kuhn» مقال عام 2013 بعنوان «مراحل اللاشيء – Levels of nothing». عبر كون عن العدم بشكل بعيد عن التخيل أو الفرضيات ووضع له مراحل فقط ليجعل التفكير له ترتيب معين. وقسم كون مراحل العدم إلى مراحل للأشياء الملموسة والغير ملموسة والمنطقية عند البعض والغير منطقية عند غيرهم. وبالتالي، وحد كون مراحل العدم لتشمل الفكر الإنساني ككل. ويمكننا ترتيب أول 6 مراحل عند كون بالشكل الفيزيائي التالي: [2]

تعتبر أبسط المراحل هي المرحلة الأولى أو كما أطلق عليها كون “اللاشيءالأول”. ولا يطلب اللاشيء الأول أي معرفة علمية أو فيزيائية مسبقة لمحاولة تخيله. فالمرحلةالأولى عبارة عن إزالة الأشياء البسيطة التي تراها بعينك. فمثلًا في مثال الصندوق الذي يحوي طعام، نصل للاشيء الأول بإزالة الطعام الذي بداخل الصندوق. ولكن بالطبع اللاشيءالأول ليس اللاشيء المطلق الذي نبحث عنه، وإن كان لك خلفية علمية بسيطة ستقول: ماذا عن الهواء بداخل الصندوق؟ وهنا تأتي المرحلة الثانية وهي المرحلة التي ندرك عندها وجود هواء بداخل الصندوق يجب إزالته. ولكن بنظرة فيزيائية حديثة أعمق سترى وجود العديد الجسيمات التي تتدفق من خلالنا أو من حولنا كالنيوترينو مثلًا. وإزالة ذلك النوع من الجسيمات هي المرحلة الثالثة. المرحلة الرابعة هي ببساطة إزالة جميع الطاقات أو الإشعاعات من حولك أو المجالات كالمجال المغناطيسي. وحتى الآن فلا وجود للمادة ولا الطاقة ولا الإشعاع، فما الذي تبقى؟

في ميكانيكا الكم حتى الفراغ له طاقة تسمى بطاقة تقلبات الفراغ. الفراغ أيضًا يحتوي على جسيمات افتراضية تتكون وتلاشي بعضها البعض مرة أخرى. ولكن على الرغم من عدم قدرتنا على اكتشاف تلك الجسيمات مباشرة إلا أن تأثيرها على المواد حولها يمكن ملاحظته. وبإزالة تلك الجسيمات وطاقة الفراغ من الصندوق نحصل على المرحلة الخامسة. ويتبقى لنا المرحلة الأخيرة من المراحل الفيزيائية للعدم، وهي إزالة الزمان والمكان. في تلك المرحلة وباختفاء الزمان والمكان، تختفي قوانين الفيزياء كلها تبعًا لهم. وبالتالي فمرحلة السادسة هي المرحلة التي تختفي عندها كل قوانين الفيزياء.

عند تلك اللحظة لا يوجد مادة، ولا إشعاعات، ولا طاقة، ولا جسيمات افتراضية، ولا زمان، ولا مكان، ولا حتى قوانين الطبيعة. فما الذي تبقى لنا في الصندوق من وجهة نظر روبرت كون؟

.

لماذا يوجد شيء بدلًا من عدم وجود أي شيء

لم يكتف روبرت كون بإزالة كل العناصر الفزيائية من الصندوق، ولكنه قرر ضم المعتقدات الإنسانية لهم. على سبيل المثال، إن كنت تؤمن بأي معتقد ديني فيجب أن تزيل كل المخلوقات التي يمكن أن تكون موجودة، الملائكة مثلًا. وتلك هي مرحلة اللاشيء السابعة لكون. أما المرحلة الثامنة نصل لها بإزالة كل العلاقات الرياضية من منطق وأعداد وقيم. ولكنها ليست النهاية، فمازال يوجد أخر مرحلة عند كون. مرحلة اللاشيء التاسعة هي عند إزالة أي احتمال لوجود أو خلق أي شيء من جديد، حتى لو لم يكن هناك شيء. وبالتالي لكي يصل روبرت كون لترتيب صحيح للاشيءفقد أزال كل الأشياء الفيزيائية حتى قوانين الطبيعة، ثم المعتقدات والراضيات وحتى أي احتمال لوجود أي شيء

واتجه الفلاسفة، عوضًا عن سؤال “ما هو العدم؟”، للبحث عن سبب عدم وجود العدم. لماذا يوجد شيء بدلًا من عدم وجود أي شيء؟ واختلفت إجابات الفلاسفة على ذلك السؤال. فأحد أشهر الإجابات هو أن العدم شيء سخيف وطبيعي أكثر أن يتواجد شيء عوضًا عن عدم وجود أي شيء على الأطلاق. أما الإجابة الثانية هي أنه لا يوجد تفسير، أو بشكل أخر هو أن الرد على ذلك السؤال غير ضروري. والإجابة الأخيرة هي أن ذلك هو أفضل اختيار موجود، فالعدم لن يصل بالكون لشيء جيد.[3]  وفي النهاية فلا يوجد معنى واضح للعدم المطلق وأنه شيء نسبي يختلف تعريفه حسب تعريف الشيء نفسه. فمن رأيك هل يوجد أي إجابة أخرى يمكن أن تُعرف بها معنى العدم؟

المصادر

[1] What Is Nothing?

[2] Levels of Nothing by Robert Lawrence Kuhn

[3] Nothingness

يبدأ مسار اكتشاف الفيزياء النووية بمعرفة نواة الذرة ومدى استقرارها. فما هي مختلف مكونات النواة؟ وكيف تستطيع النواة الحفاظ على تماسكها دون أن تتفتت إلى الجسيمات التي تكونها؟

النواة ومكوناتها

مكونات النواة

تتكون نواة الذرة من نوعين من الجسيمات: البروتونات وهي موجبة الشحنة، و النيوترونات وهي منعدمة الشحنة. وتتشكَّل البرتونات والنيوترونات بدورها من جسيمات أولية (غير قابلة للتقسيم) سمِّيت الكوارك. يحدِّد نوع الكواركات المكونة للجسيم نوعه والشحنة التي يحملُها. ويتكون البروتون من ثلاثة كوارك، اثنان من النوع العلوي («الكوارك العلوي- up quark ») وواحد من النوع السفلي ((«الكوارك السفلي-down quark»). بينما يتكون النيوترون من كوارك علوي واحد و كواركين سفليين. وتأخذ شحنة كل من النيوترون والبروتون مجموع شحن الكوارك التي تكونها. وبما أن شحنة الكوارك العلوي u هي +2/3  وشحنة الكوارك السفلي  dهي -1/3، فإن شحنة البرتون هي +1 [1].

                               

النويدات وخصائصها

تسمَّى نواة الذرة في الفيزياء النووية نويدُا أو نيكليدًا. ويرمز لها عادة ب ، حيث يمثل X  رمز العنصر (كربون أو هيدروجين أو غيره)، ويرمز A  لعدد البروتونات والنيوترونات الموجودة في النواة، ويسمى عدد الكتلة،  بينما يرمز Z  للعدد الذري وهو عدد البروتونات المكونة للنواة. وتدعَى النويدات التي تملك نفس العدد الذري Z بـ «النظائر-Isotopes». بينما، تسمَى تلك التي تملِك نفس عدد الكتلة بـ «المتكتلات- Isobars ». وتسمَى النويدات التي تملك نفس عدد النيوترونات N بـ «متساويات النيوترونات-isotone » [1].

ويتم حساب كتلة نواة الذرة بوحدة الكتلة الذرية التي يرمز لها ب u. وتساوي هذه الوحدة 1/12 من كتلة ذرة الكربون ¹²C [2].

استقرار النواة وحالاتها

تحافظ النواة على استقرارها بفضل القوة النووية التي تجمع نوياتها (البروتونات والنيوترونات)، والتي تعرف أيضًا بـ «التفاعل القوي-strong interaction». وتتميَّز هذه القوة بكونها قصيرة المدى، أي أن كل نوية لا تؤثِر إلا في قريباتها التي تجاورها. وعلى الرغم من قصر مداها. فإن هذه القوة قادرة على التغلب على تنافر البروتونات الذي ينتج عن التفاعل بين شحنها الموجبة. وتتعلق درجة استقرار النواة بالطاقة التي تربط نوياتها. وتختلف طاقة الربط النووية عن المستوى الطاقي التي تتواجد فيه النواة. إذ يحدد هذا الأخير ما إذا كانت النواة مثارة أو في حالتها الدنيا [1].

طاقة الربط النووية

تميز «طاقة الربط النووية B(A,Z) -nuclear binding energy» درجة استقرار النواة. وتتعلق هذه الطاقة بفرق كتلة النواة ككل و مجموع كتل مكوناتها، أو ما يعرف بـ «النقص الكتلي -mass defect » [2].

حيث يمثل N عدد النيوترونات و m_nكتلة كل نيوترون.  ويمثل Z  عدد البروتونات و m_pكتلة كل بروتون. أما m(A,Z) فتمثل كتلة النواة ككل.
و تمثل B(A,Z)  طاقة الربط النووية. ويمثل   النقص الكتلي. بينما تمثل c² سرعة الضوء في الفراغ.

وتعرَّف B(A,Z)/A على أنها طاقة الربط لكل نوية، حيث تتزايد درجة استقرار النواة مع تزايد هذه الطاقة. وحسب منحنى الطاقة الممثل في الشكل 3. يمكن أن نلاحظ أن طاقة الربط لكل نوية (وبالتالي درجة استقرار النواة)  تتزايد مع ارتفاع عدد النويات A إلى أن تصل إلى قيمة قصوى (عند A بين 55 و60 ). ثم تعود بعدها فتتراجع مجددًا. ومن هذا التغير، يمكنُنا تفسير سبب اندماج النوى الخفيفة و انشطار النوى الثقيلة. حيث تسعَى النواة في كلتا الحالتين إلى بلوغ الدرجة القصوى لطاقة الربط لكل نوية [1][2].

حالات النواة

يمكن أن تتواجد النواة في حالة إثارة أو في «الحالة الدنيا-ground state ». في الحالة الأولى، تملك النواة  فائضا من الطاقة يجعلها في وضع غير مستقر. حيث تتخلص من هذه الطاقة بإصدار فوتون أو بضعة فوتونات. أما في الحالة الثانية، فتكون النواة في وضعها الأكثر استقرارًا، حيث تملك الحد الأدنى من الطاقة [1].

ولا تتعلق حالة الإثارة والحالة الدنيا بكون النواة مشعة أو مستقرة. حيث يمكن أن نجد نواة في الحالة الدنيا لكنها غير مستقرة (مشعة). أما حالة الاستقرار لنواة ما (أي كونها مشعة أم لا)، فإنه يعتمد على طاقة الربط لدى النواة.

ختاما، اقترِحت عدة نماذج في الفيزياء النووية من أجل تفسير استقرار العناصر الموجودة في الطبيعة. فقد حاول كل نموذج تفسير سبب القيمة العالية لطاقة الربط لدى هذه العناصر المستقرة طبيعيًا. وسيكون هذا مدار المقال اللاحق.

اقترحت

المصادر
[1] Basic concepts in nuclear physics
[2] Principles of Radiation Interaction in Matter and Detection