البحث عن الكأس المقدسة للطاقة
حسنًا، دعوني أضع هذا الأمر في سياقه الصحيح. طاقة الاندماج هي ببساطة "الكأس المقدسة" للطاقة النظيفة؛ فهي التي تغذي الشمس، ولا تنتج أي انبعاثات كربونية، وتخلق حدًا أدنى من النفايات المشعة، وتستخدم وقودًا غير محدود تقريبًا (الهيدروجين، الذي يمكنك الحصول عليه من الماء). إذا تمكنا من تسخير الاندماج على الأرض، فسنمتلك أساسًا مصدر طاقة نظيفًا وغير محدود يمكنه تشغيل الحضارة لآلاف السنين.
إذًا، لماذا لا نملك محطات طاقة تعمل بالاندماج حتى الآن؟ لأن الأمر، يا رفاق، صعب للغاية بشكل لا يصدق.
لأكثر من 70 عامًا، يعمل العلماء على ما يسمى "معيار لوسون" (Lawson criterion) — وهو قاعدة رياضية تخبرهم ما إذا كان البلازما (حالة المادة شديدة الحرارة حيث يحدث الاندماج) يمكن أن تظل ساخنة وكثيفة بما يكفي، ولفترة كافية، للحفاظ على تفاعلات الاندماج دون الحاجة إلى تسخين خارجي مستمر. فكر في الأمر كأنك تحاول إبقاء نار المخيم مشتعلة في ظل ظروف قاسية للغاية؛ الهدف هو جعل النار ساخنة بما يكفي لتغذي نفسها بنفسها.
لكن المشكلة هي: أن هذا المعيار أخبر العلماء بماهية الظروف التي يحتاجونها، ولكن ليس كيفية الوصول إليها بأكبر قدر من الكفاءة.
تشبيه الجبل الذي يساعد حقًا
هنا يصبح الأمر مثيرًا للاهتمام. فقد قرر علماء مختبر برينستون لفيزياء البلازما — الذين أعتقد بصدق أنهم يستحقون اهتمامًا أكبر بكثير مما يتلقونه — النظر إلى هذه المشكلة من منظور مختلف.
تخيل أن الطريق إلى "إشعال الاندماج" يشبه سلسلة جبال، والوجهة (الاندماج المستدام) تقع على الجانب الآخر. النهج التقليدي كان يعتمد أساسًا على محاولة تسلق أعلى قمة مباشرة: جعل البلازما شديدة الكثافة أولًا، ثم ضخ كميات هائلة من الحرارة حتى يحدث الإشعال.
لكن هؤلاء الباحثين قالوا: "ماذا لو كان هناك ممر جبلي؟ طريق للالتفاف حول الجبل؟"
تشير حساباتهم الجديدة إلى أن هذا الممر موجود بالتأكيد. فبدلاً من زيادة الكثافة أولًا، ماذا لو قمنا بتسخين البلازما قبل ضغطها؟ الأمر يشبه اختيار القيادة عبر ممر جبلي بدلاً من تسلق القمة؛ ستصل إلى نفس الوجهة، لكنك ستستهلك طاقة أقل بكثير للوصول إلى هناك.
لقد صاغ الدكتور لويس ديلجادو-أباريسيو ذلك بشكل رائع: "تريد الكثير من الشركات تسلق الجبل مباشرة وإنفاق طاقة هائلة للوصول إلى هناك. بدلاً من ذلك، التفت حول القمة؛ ستصل إلى نفس المكان بطريقة أذكى بكثير، وستستخدم طاقة أقل بكثير".
ما هو "سرج كوردي" (Cordey saddle) بحق الجحيم؟
الآن، يجب أن أتحدث عن هذا لأنه أمر رائع حقًا. فقد حدد الباحثون شيئًا يسمى "سرج كوردي" في مشهدهم الرياضي.
في الجغرافيا، "السرج" هو نقطة منخفضة بين قمتين جبليتين — وهو أساسًا ممر طبيعي عبر الجبال. أما في فيزياء الاندماج، فيمثل "سرج كوردي" المسار الأكثر كفاءة عبر الحد الفاصل بين البلازما التي تحتاج إلى تسخين خارجي والبلازما التي يمكنها الحفاظ على نفسها من خلال الاندماج.
إليك طريقة مفيدة للتفكير في الأمر: يقيس العلماء كفاءة الاندماج باستخدام ما يسمى "Q". قيمة Q التي تساوي 5 تعني أن تفاعلات الاندماج تنتج طاقة تزيد بخمس مرات عما تضخه أنت. يقع "سرج كوردي" في نظام مثالي عند قيمة Q=5 تقريبًا — وهو ما قد يبدو رقمًا كبيرًا، لكنه في الواقع المسار "السهل" للعبور. المشكلة هي أن أنظمة الاندماج الحقيقية بها تعقيدات (شوائب، مجالات مغناطيسية مكثفة) تؤدي إلى إزاحة مكان وجود هذا السرج.
إن فهم مكان وجود هذا السرج فعليًا لأي تصميم مفاعل معين هو أمر بالغ الأهمية لمعرفة ما إذا كان المشروع برمته قابلًا للتطبيق أم لا.
لماذا يهم هذا المستقبل؟
يمكن أن يكون لهذا البحث تداعيات هائلة على تصميم مفاعلات الاندماج المستقبلية، وخاصة أجهزة "توكاماك" (tokamaks) و"ستيلاراتور" (stellarators) — وهي الأجهزة التي تشبه شكل الدونات وتستخدم مجالات مغناطيسية قوية لاحتواء البلازما في درجات حرارة أعلى من لب الشمس.
إليك ما يحمسني: نحن نعيش في وقت استثنائي حقًا لأبحاث الاندماج. فبين اكتشاف برينستون هذا، والتقدم التاريخي في الاندماج بالليزر في "مرفق الإشعال الوطني"، والمليارات التي تتدفق على شركات الاندماج الخاصة، نحن أقرب من أي وقت مضى إلى طاقة الاندماج العملية.
هل سينقذنا الاندماج من تغير المناخ غدًا؟ لا. فلا تزال هذه تقنيات معقدة ومكلفة وتستغرق سنوات لتنضج. لكن اكتشافات مثل "اختصار برينستون" هذا قد تجعل المرحلة الأخيرة من الرحلة أقصر وأرخص بكثير.
بعد سبعة عقود من محاولة تسلق الجبل، تبين أنه قد يكون هناك طريق ذو مناظر طبيعية طوال الوقت. وشخصيًا؟ أنا متحمس جدًا لهذا الأمر.
المصدر: ScienceDaily