عصر جديد لقوة المغناطيس المدمجة
لعقود من الزمن، كان توليد المجالات المغناطيسية الشديدة المطلوبة للتصوير الطبي والفيزياء الجسيمية وأبحاث الاندماج يعني بناء مغناطيسات فائقة الموصلية ضخمة وتستهلك الكثير من الطاقة مبردة بالقرب من الصفر المطلق. يمكن لهذه الآلات الضخمة أن تملأ غرفًا بأكملها وتكلف ملايين الدولارات وتتطلب صيانة تبريدية مستمرة. الآن، كسر فريق من الباحثين هذا النموذج بإنشاء مغناطيس مصغر يتسع في راحة اليد ولكنه ينتج قوى مجال تضاهي سلفه على نطاق صناعي.
يمثل الاختراق تحولًا جذريًا في كيفية تفكير العلماء والمهندسين حول توليد المجالات المغناطيسية. بدلاً من مجرد تكبير التصاميم الموجودة، اتخذ الفريق نهجًا مختلفًا تمامًا لهندسة المغناطيس، مستفيدًا من التطورات في علم المواد والنمذجة الحسابية لتحقيق ما كان يعتبر مستحيلًا فيزيائيًا في نطاق صغير.
كيفية عمل التصميم الجديد
تعتمد المغناطيسات عالية المجال التقليدية على ملفات من الأسلاك الفائقة الموصلية — عادة سبائك نيوبيوم-تيتانيوم أو نيوبيوم-قصدير — ملفوفة في ملفات لولبية وغارقة في الهيليوم السائل عند 4.2 كلفن. الحجم الهائل من السلك اللازم لتوليد مجالات فوق 20 تسلا يعني أن هذه المغناطيسات تزن مئات الكيلوجرامات وتتطلب بنية تحتية تبريد معقدة.
يتخذ المغناطيس المصغر الجديد نهجًا مختلفًا تمامًا. باستخدام شريط فائق التوصيل درجة الحرارة العالية (HTS) مصنوع من أكسيد النحاس والباريوم الأرضي النادر (REBCO)، تمكن الباحثون من إنشاء هندسة ملف مدمجة تزيد من قوة المجال لكل وحدة حجم. يمكن لشريط REBCO أن ينقل تيارًا أكثر بكثير من السلك الفائق الموصلية التقليدي عند درجات حرارة قابلة للمقارنة، ويبقى فائق الموصلية في درجات حرارة أعلى، مما يقلل متطلبات التبريد.
تكمن الابتكارات الرئيسية في نمط لف الملف. باستخدام خوارزميات التحسين الحسابية، صمم الفريق هندسة لف غير مستوية تركز التدفق المغناطيسي في فتحة المركز بكفاءة أكبر بكثير من تصاميم الملف اللولبي التقليدية. هذا يعني أن هناك حاجة إلى عدد أقل من لفات الشريط لتحقيق نفس قوة المجال، مما يقلل بشكل كبير من حجم المغناطيس الكلي.
الآثار المترتبة على الطب والبحث
التطبيق الأكثر مباشرة هو في التصوير الطبي. تتطلب آلات التصوير بالرنين المغناطيسي الحالية مغناطيسات فائقة الموصلية تزن عدة أطنان وتكلف أكثر من مليون دولار للمغناطيس وحده. يمكن لمغناطيس مدمج ينتج قوى مجال متكافئة أن يقلل من التكلفة والحجم المادي لأنظمة التصوير بالرنين المغناطيسي، مما قد يجلب التصوير عالي الدقة إلى العيادات والمستشفيات التي لا تستطيع حاليًا تحمل تكاليف أو إيواء الجهاز.
بعيدًا عن الرعاية الصحية، يمكن للمغناطيسات عالية المجال المدمجة أن تحول تجارب فيزياء الجسيمات. تعتمد منشآت المسرع مثل CERN على آلاف المغناطيسات الفائقة الموصلية لتوجيه شعاع جسيمات حول حلقات بطول كيلومترات. يمكن للمغناطيسات الأصغر والأرخص أن تمكن من تصاميم مسرع أكثر إحكاما، مما يجعل أبحاث فيزياء الجسيمات في متناول نطاق أوسع من المؤسسات.
سيستفيد قطاع الطاقة الاندماجية أيضًا. تتطلب مفاعلات توكاماك مغناطيسات قوية لحبس البلازما المفرطة الحرارة، وأظهرت التصاميم الحديثة من Commonwealth Fusion Systems وشركات ناشئة أخرى بالفعل أن المغناطيسات HTS يمكن أن تقلل بشكل كبير من حجم المفاعل. يمكن للاختراق الجديد في المصغرة أن يدفع هذا الاتجاه إلى أبعد من ذلك، مما قد يجعل مفاعلات الاندماج صغيرة بما يكفي لتوليد الطاقة الموزعة.
التحديات الهندسية تبقى
على الرغم من الإثارة، هناك عقبات كبيرة بين مظاهرة المختبر والنشر على نطاق واسع. لا يزال شريط REBCO مكلفًا في التصنيع، على الرغم من أن التكاليف تنخفض بشكل مطرد مع توسع الإنتاج. الضغوط الميكانيكية على مغناطيس مدمج ينتج مجالات مكثفة ضخمة — قوى لورنتز التي تحاول تمزيق الملف تتناسب مع قوة المجال، وإدارة هذه القوى في حزمة صغيرة تتطلب هندسة هيكلية متطورة.
إدارة الحرارة تقدم تحديًا آخر. على الرغم من أن مواد HTS تعمل في درجات حرارة أعلى من الموصلات الفائقة التقليدية، فإنها لا تزال تتطلب تبريدًا تبريديًا، عادة ما يكون حول 20-40 كلفن باستخدام أجهزة تبريد حلقات مغلقة. إن ضمان التبريد المنتظم في جميع أنحاء ملف مدمج دون إنشاء نقاط ساخنة قد تطفئ الموصل الفائق مشكلة هندسية دقيقة.
يعترف الباحثون بهذه التحديات لكنهم يعبرون عن ثقتهم في أن التحسينات التكرارية في تكنولوجيا التصنيع والتبريد ستعالجها خلال السنوات القادمة. أعرب عدة شركاء صناعيين بالفعل عن اهتمامهم برخصة التصميم للتطوير التجاري.
اتجاه أوسع في المصغرة
يناسب اختراق المغناطيس هذا نمطًا أكبر من التصغير التكنولوجي الذي عرّف أوائل القرن الحادي والعشرين. تمامًا كما تقلصت الترانزستورات من أنابيب مفرغة بحجم الغرفة إلى ميزات بحجم نانومتر على شرائح السيليكون، تمر تكنولوجيا المجال المغناطيسي الآن بضغطها الخاص. تتجاوز الآثار المترتبة أي تطبيق واحد — يمكن للمغناطيسات الأرخص والأصغر والأكثر سهولة في الوصول أن تمكن من التقنيات الجديدة تماما واتجاهات البحث التي يصعب التنبؤ بها اليوم.
في الوقت الحالي، المغناطيس بحجم كف اليد يقف كإثبات الفهوم بأن قوانين الفيزياء لا تتطلب أن تأتي القوة المغناطيسية في حزم حجم مفرط. لقد بدأت السباق لتسويق هذه التكنولوجيا بالفعل.
يعتمد هذا المقال على التقارير من New Scientist. اقرأ المقال الأصلي.
