طاقة

النار من الماء؟

حقيقة الاندماج البارد

في باطن النجوم وتحت ظروف قاسية، تتَّحد أنوية الهيدروجين متحوِّلة إلى الهيليوم، وتتحرَّر طاقة هائلة في ما يعرف بـ “الاندماج النووي الساخن” في ظاهرة يسيل لها لعاب الباحثين عن مصادر طاقة جديدة، وكثيراً ما تبنَّاها كتّاب الخيال العلمي في تصوراتهم لمدن المستقبل.

ولأن استنساخ هذه العملية على سطح الأرض صعبٌ جداً لتعذُّر توفير ذات الظروف الفيزيائية، التي تتطلَّب خلق شمس صغيرة في مختبر ما مع ما يصاحب ذلك من مخاطر، فقد تم توجيه الجهود نحو فكرة بديلة وسهلة لتلك العملية المضنية، تتمثل في دمج أنوية ذرات الهيدروجين عنوة إنما في الظروف العادية، ضمن درجة الحرارة والضغط الاعتياديين في ما يعرف بـ “الاندماج البارد”.

الإعلان عن الاندماج البارد
في23 من شهر مارس لعام 1989م، أعلن الكيميائيان البارزان مارتن فليشمان وستانلي بونز، من جامعة يوتا بالولايات المتحدة الأمريكية، عن اكتشافهما الذي هزّ الأوساط العلمية، وسبَّب صدمة كبيرة للعالم، وهو حصولهما على مصدر للطاقة المجانية النظيفة وغير المحدودة بواسطة تقنية “الاندماج النووي البارد”، حيث تمكَّنا من تحقيق اندماج نووي في درجة حرارة الغرفة، أي في ظروف عادية وبطريقة بسيطة جداً.
وكانت تجربتهما مثيرة للجدل، حيث قاما بتمرير تيار كهربائي في خلية كهروكيميائية تحتوي على أوكسيد الديتريوم(D2O)(المياه الثقيلة)، ذات قطبين يتكونان من معدني البالاديوم (الكاثود) والبلاتين (الأنود)، وقاما بعملية تحليل كهربائي بسيطة جداً (كما يتعلَّم طلاب الكيمياء في المرحلة الثانوية)، حيث تم فصل ذرات الديتريوم (الهيدروجين الثقيل) بواسطة التيار الكهربائي.
وتكتّلت حول قطب عنصر البالاديوم(الشبيه بالبلاتين) السالب، وتحرَّرت طاقة حرارية هائلة تفوق التفاعلات الكيميائية، وكان الاندماج النووي بين أنوية ذرات الديتريوم الموجودة في المياه الثقيلة هي التفسير الوحيد لهذه الطاقة المتحرِّرة، التي تفوق بكثير الطاقة المستهلكة، حيث إنَّ ذرات الديتريوم تتوزَّع على شبكة عنصر البالاديوم البلورية في مسافة ضيقة جداً تقع ضمن القوة النــووية فيحدث الاندماج النووي.
لماذا عنصر البالاديوم؟

عنصر البالاديوم من المعادن النبيلة والثمينة ويقترب سعره اليوم من أسعار البلاتين والذهب، إذ يبلغ سعر الأونصة منه 800 دولار، ويصنَّف ضمن مجموعة البلاتينات، وهو شبيه بالبلاتين من الناحية الكيميائية، ويقع في المجموعة العاشرة في الجدول الدوري التي تضم العناصر الثلاثة الطبيعية التالية (النيكل، البالاديوم، البلاتين). وقد تم اختياره تحديداً لقدرته الفائقة على امتصاص الهيدروجين بشراهة، وقدرته على امتصاص الهيدروجين تصل إلى 900 مرة من حجمه، ذلك أن ذرات الهيدروجين تنضغط بين ذرات البالاديوم في توزيع مكعب شبكي بلوري، وعلى مسافات ضيقة جداً برتبة الانجستروم(جزء من عشرة مليارات جزء من المتر)، ويكون معدن البالاديوم مشبعاً بها. ويمكن تشبيه هذه القدرة العجيبة بقطعة الأسفنج التي تمتص الماء بشراهة. وهذا القدرة التخزينية تجعله مناسباً لصناعة بطارية هيدروجينية، لكن مشكلة تكلفته غالية جداً كما أشرنا سلفاً. وقد تم ملاحظة هذه القدرة الاستثنائية في عام 1886م، على يد العالم الكيميائي توماس غراهام. وفي عام 1926م، استطاع عالمان نمساويان هما فريدريش بانيث وكورت بيترز الحصول على الهيليوم بصهر الهيدروجين في خلية كهروكيميائية بواسطة البالاديوم، لكنهما تراجعا فيما بعد عن ذلك لاشتباههما بين الهواء والهيليوم. وبعد عام واحد، ذكر العالم السويدي تون تاندبيرج أنه قام بصهر الهيدروجين في خلية كهروكيميائية والحصول على الهيليوم بواسطة البالاديوم، وتقدَّم بطلب براءة اختراع سويدية في إنتاج الهيليوم وطريقة التفاعل، وتم رفضها نتيجة تراجع بانيث وبيترز وعدم قدرته على شرح العملية بشكل علمي، وبعدما اكتشف الماء الثقيل في عام 1932م واصل تاندبيرج تجاربه وكانت تجاربه النهائية شبيهة بما قام به فليشمان وبونز، قبل إعلانهما بأكثر من خمسين سنة، ومن الطرائف العلمية أنه بعد الإعلان عن الاندماج البارد في عام 1989م ارتفع سعر البالاديوم كثيراً!

المياه الثقيلة طاقة المستقبل
الهيدروجين أخف العناصر، وأشهر نظائره ثلاثة:
الهيدروجين العادي ويسمى البروتيوم وتحتوي نواته على بروتون واحد فقط. والنظير الثاني يسمى الديتريوم وتحتوي نواته على بروتون واحد ونيترون واحد، والماء الغني بالديتريوم يسمى بالماء الثقيل. وقد تم اكتشاف الماء الثقيل في عام 1932م، من قبل العالم الأمريكي الكيميائي هارولد يوري الذي حاز جائزة نوبل في الكيمياء في عام 1934م نظير هذا الاكتشاف. وكثافة الماء الثقيل تزيد على كثافة الماء العادي بنسبة (%11). ونلاحظ أن الفرق في الكثافة ليس كثيراً ذلك أن كتلة جزئي الماء تتركَّز في عنصر الأوكسجين حيث إن ثقل ذرة الأوكسجين يزيد 16 مرة على ذرة الهيدروجين، وكتلة البروتون والنيترون متساوية تقريباً، أي إن النسبة بين الماء الثقيل والماء العادي (20/18) وهذه النسبية هي الوزن الجزيئي لكليهما. وفي الماء الثقيل يتم استبدال ذرات الهيدروجين العادي من جزئ الماء بذرات الديتريوم ويرمز له بالرمز (D2O) وله استخدامات موسعة في المفاعلات النووية.

“كانت لنا تجربة قصيرة لكنها مبهجة عندما ظننا أننا قمنا بحل جميع مشكلات الوقود التي تواجه البشرية”.

أما النظير الثالث فيسمى التريتيوم وتحتوي نواته على بروتون واحد ونيترونين، وله استخدامات نووية أيضاً. فالهيدروجين العادي هو الأوفر في الطبيعة، إذ تبلغ نسبته (%99.985) من ذرات الهيدروجين، بينما لا تزيد نسبة الديتريوم على %0.015، أما بالنسبة إلى التريتيوم فهو مشع وغير مستقر، ويبلغ عمره النصفي 12.3 سنة، وينحل إلى الهيليوم عن طريق إطلاق جسيمات بيتا السالبة، ونسبته ضئيلة جداً وشبه معدومة، ويحضّر صناعياً عن طريق التفاعلات النووية، ويوجد الديتريوم في مياه البحار والمحيطات، ويمكن استخراجه منهما بواسطة سلسلة من التفاعلات الكيميائية، وهناك طرق عديدة
منها: التحليل الكهربائي، التقطير الجزيئي للماء، التبادل الأيوني بين الهيدروجين والماء. ولأن الديتريوم نسبته ضئيلة كما ذكرنا، فإننا نحتاج إلى مئة ألف جالون من الماء العادي كي نحصل منها على جالون واحد من الماء الثقيل. يمتلك الماء الثقيل طاقة هائلة تفوق مصادر الطاقة المعروفة لدينا! ففي الميل المكعب الواحد من المياه الثقيلة طاقة تزيد على كل احتياطي النفط في العالم! وهذا يعني أننا بالمياه الثقيلة نستطيع إمداد العالم بالطاقة لآلاف السنوات! وهذا ما يرجوه العلماء في المستقبل البعيد. ولتقريب الصورة فإن سائق السيارة يستطيع أن يقطع 55 مليون ميل، بواسطة جالون واحد فقط من المياه الثقيلة عن طريق الاندماج البارد بين أنوية الديتريوم!

عندما يحدث الاندماج النووي بين نواتين خفيفتين من الديتريوم، تتكوَّن عندنا نواة ثقيلة من الهيليوم وتنفرج طاقة هائلة نتيجة النقص الكتلي، حيث إن كتلة النواة المتشكَّلة أقل من كتلة مكوّناتها، وهذا النقص الكتلي يتحوَّل إلى طاقة هائلة، طبقاً لمعادلة أينشتاين الشهيرة (الطاقة = الكتلة × مربع سرعة الضوء)، وهذا يعني أن النقص الكتلي القليل يولد طاقة هائلة، وهذا ما يجعل من عنصر الديتريوم أحد أحلام العلماء في إنتاج الطاقة في المستقبل.

تضارب مواقف العلماء بين مؤيد ومعارض
لم تكن الحرارة الشاذة ذات أهمية، فالعلماء المعارضون للاندماج البارد حاربوا التجربة ووصفوها بالفشل، ذلك أنها لم تسلك السلوك العلمي الجيد، وحاولوا تكرار التجربة دون جدوى واكتشفوا وجود أخطاء حسابية في التجربة الأصلية، ولا توجد أدلة تجريبية على تشكل أي شيء ناتج عن اندماج نووي مثل الهيليوم، التريتيوم، النيترونات، البروتونات، أشعة جاما. ذلك أن العلم يقوم على أساس تكرار التجربة واستنساخها، ومن المعروف نووياً أن الاندماج النووي بين نواتي ديتريوم يولد الأشياء السابقة من خلال التفاعلات النووية الممكنة التي تنتج لنا الهيليوم إضافة إلى النيترونات أو البروتونات أو التريتيوم أو أشعة جاما. ووجود هذه النواتج يقدِّم لنا دليلاً علمياً مباشراً على أن العملية نووية، فضلاً عن أن الاندماج النووي البارد لا يتفق مع المبادئ العلمية المعروفة والمتفق عليها في الفيزياء النووية. إذ إن الاندماج النووي يحتاج إلى حرارة تقاس بملايين الدرجات المئوية. فدرجة حرارة نواة الشمس تصل إلى 15 مليون درجة مئوية! كذلك القنبلة الهيدروجينية يتم تحفيزها بقنبلة انشطارية للتغلب على قوة التنافر بين أنوية الذرات المشحونة (حاجز كولوم).

ظل الأمر محل جدل ونقاش لفترة طويلة، وتحوّل إلى مأساة علمية. فهناك من العلماء من كانوا مقتنعين بالفعل أن العملية كانت نووية وقاموا بتجربة فليشمان وبونز في مختبرات عالمية، وشاهدوا في بعض هذه التجارب نتائج نووية وكشفوا عن وجود النيترونات ووجود التريتيوم وتحرر طاقة حرارية زائدة تتولَّد داخل شبكة البالاديوم البلورية وتتحرّر بعد ذلك منها، وهذه الحرارة أكبر بكثير من أن تنتج بواسطة تفاعل كيميائي، وهذا يعني أن هناك عملية نووية تحدث داخل الشبكة البلورية للبالاديوم بمعدل أبطأ.

وفي عام 1991م، قام العالم الأمريكي والمحرِّر العلمي لمجلة “إنفينيت إنرجي” يوجين مالوف بجمع الأدلة التي تدعم الاندماج البارد على أنه من العلوم الحقيقية في كتاب سماه “النار من الجليد”. وفي المقابل، رفض القسم الآخر الفكرة من أساسها، نتيجة التجارب العلمية التي أجريت أيضاً، والتي مفادها أنه لا توجد أدلة علمية تدعم فرضية الاندماج البارد ولا توجد نظرية علمية واضحة لهذه الفرضية، بل هناك كثير من النظريات التي تدعي وصفه. ففي العام نفسه أعلن العالم النووي الأمريكي والحائز جائزة نوبل في الكيمياء غلن سيبورج أن العملية التي قام بها فليشمان وبونز ليست عملية نووية. كما أدانت وزارة الطاقة الأمريكية ذلك، وصنفت الأوساط العلمية الاندماج البارد بين العلوم غير الحقيقية وغير المرغوبة، وفقدت فرضية الاندماج البارد صدقيتها. وعلى الرغم من هذه الحرب الشرسة ضد الاندماج البارد فإن التجارب المخبرية قد أثبتت حقيقة هذه الظاهرة وأنه يمكن إحداث الاندماج النووي في ظروف غير متطرفة وبطاقة منخفضة في ظل وجود محفزات تساعد على حدوث ذلك، مما يعطي الاندماج النووي البارد قابلية للحياة في الأوساط العلمية.

الاندماج المحفز بالميون
بعد نهاية الحرب العالمية الثانية، قام عدد قليل من الباحثين بابتكار طريقة جديدة للاندماج النووي عرفت باسم “الاندماج المحفز بالميون”، وتمت زراعة بذورها الأولى بجامعة بريستول في عام 1947م من قِبل عالم الفيزياء البريطاني فردريك فرانك، وتبعه بعد ذلك العالم النووي الروسي أندريه ساخروف، وتوصل العالمان إلى أن الميونات قادرة على دمج أنوية الديتريوم والإفراج عن الطاقة. وفي عام 1956م، تم التأكد من هذه الفرضية في بيركلي بجامعة كاليفورنيا، من قبل عالم الفيزياء الأمريكي لويس ألفاريز ومجموعة من الباحثين، حيث تمت ملاحظة الاندماج النووي المحفز بالميون بشكل عملي، وتم التعبير عن هذه السعادة من قبل(لويس ألفاريز) عندما حاز جائزة نوبل في عام 1968م، لمساهمته في دراسة الجسيمات الأساسية دون الذرية، حيث قال: (كانت لنا تجربة قصيرة لكنها مبهجة عندما ظننا أننا قمنا بحل جميع مشكلات الوقود التي تواجه البشرية).

“أعتقد أن الماء سوف يستخدم كمصدر للطاقة، فالهيدروجين والأوكسجين اللذان يكونان الماء، سيستخدمان مجتمعين أو منفصلين، في مصدر لا ينضب من الحرارة والضوء”.

إن الميونات جسيمات أولية دون ذرية سالبة الشحنة تشبه الإلكترونات لكنها غير مستقرة، موجودة في الأشعة الكونية وهي ناتجة عن تصادم هذه الأشعة مع طبقات الجو العليا أي مناطق مرتفعة جداً من الغلاف الجوي، وكتلتها عالية جداً (207 مرة من كتلة الإلكترونات)، وحياتها قصيرة جداً (2.2 ميكرو ثانية)، وهي تعيش فترة أطول بسبب تمدد الزمن، وهذه الخاصية هي التي تجعلها تصل لسطح الأرض. ويمكن استخدام الميونات كمحفّز لعملية الاندماج النووي بين نظائر الهيدروجين، وذلك عن طريق حقنها بها فتعمل على تقريب أنوية الهيدروجين وحدوث الاندماج بينها وتحدث هذه العملية في درجات حرارة منخفضة تقل عن ألف درجة مئوية، وهذه من السهل الحصول عليها، بدلاً من ملايين الدرجات المئوية. فكتلة الميونات الضخمة تساعدها أن تنجذب إلى النواة وتكون في مدار قريب لها، أي إن الميون يدور في مدار أقرب إلى النواة من الإلكترونات بسبب كتلته الضخمة ونتيجة لقرب الميون من النواة فإنه يعمل على إزاحة الإلكترون من ذرة التريتيوم، وتتكوَّن الذرة الميونية للتريتيوم (tμ)، وهي أصغر من الذرة العادية، فيتشكَّل عندنا الجزيء الميوني (dtμ) وهو أصغر من الجزيء العادي، فتقترب النواتان من بعضهما فتحدث عملية الاندماج النووي بين نظائر الهيدروجين الديتريوم والتريتيوم طبقاً لمفعول نفق ميكانيكا الكم المعروف بــ(النفق الكمي)، ونتيجة لذلك، يتكوَّن عندنا الهيليوم (جسيمات ألفا)، مصحوباً الإفراج عن كمية هائلة من الطاقة. لكن المشكلة تكمن في إنتاج كمية كافية من الميونات، حيث يتطلَّب ذلك طاقة كبيرة جداً بواسطة مسرعات الجسيمات، إضافة إلى قصر عمرها مما يجعلها تتدهور بسرعة، والاندماج المحفز بالميون ما زال يمثل منطقة نشطة للبحث، كمصدر محتمل للطاقة في المستقبل.

الطريق قد يطول، ولكن..
حتى اليوم، ما زالت الأبحاث مستمرة في التفاعلات النووية ذات الطاقة المنخفضة/الاندماج البارد. ويتسابق الباحثون إلى إيجادها، ويعدّونها واحدة من القضايا الأكثر تحدياً في العالم العلمي، ذلك أنها طاقة واعدة، وتلبي حاجتنا المستقبلية من الطاقة. فعنصر الهيدروجين هو الأوفر في الكون، ويحتل المرتبة الثالثة على كوكب الأرض. وهناك أعمال واعدة تجعلنا نتفاءل بتحقيق هذا الحلم في يوم ما. فهناك أبحاث حول النيكل أو سبائك النيكل والبالاديوم والنحاس، ونتائجها جيدة، ولذا قد يكون مستقبل الاندماج البارد موجوداً في السبائك وليس في المعادن النقية، مثله مثل الجيل الثاني من الموصلات الفائقة التي تعمل في الدرجات المرتفعة ووجدناها عن طريق التجربة في المركبات السيراميكية ولم نجدها في المعادن النقية! إضافة إلى أن التقدُّم الذي أحرزناه في تقنية النانو يجعلنا أكثر تفاؤلاً من أي وقت مضى. وهناك أبحاث يابانية واعدة تسير في هذا الاتجاه. وإذا نجحنا في هذه التقنية، فسيتحوَّل الاندماج النووي البارد إلى علم حقيقي، وسيوفر مصدراً لا ينضب من الطاقة يكفي احتياجاتنا لمليارات السنين. ومعه قد تختفي أسلاك الكهرباء الممدة في الطرقات، وستكون هذه التقنية مصدراً محبباً للسيارات والطائرات وكافة وسائل النقل، وسوف تكون البطارية النووية النظيفة ملازمة لهواتفنا المتنقلة وحواسبنا المحمولة التي ستأتي مشحونة مسبقاً بكل الطاقة التي نستخدمها! وسيزول عنا هاجس الطاقة، وسيكون جهاز توليد الكهرباء في كل منزل، وقوده الماء وفضلاته الهيليوم! وهذا الجهاز مكوناته ستكون بسيطة جداً، البالاديوم والماء الثقيل والتيار الكهربائي، ونحقق حلم جول فيرن الذي كتب ضمن خيالاته العلمية، في روايته “الجزيرة الغامضة”، المنشورة في عام 1874م: “أعتقد أن الماء سوف يستخدم كمصدر للطاقة، فالهيدروجين والأوكسجين اللذان يكونان الماء، سيستخدمان مجتمعين أو منفصلين، في مصدر لا ينضب من الحرارة والضوء”، وربما يأتي ذلك اليوم الذي نحقق فيه حلم الاندماج النووي البارد، وتكون مياه البحار والمحيطات -التي تشكّل ثلثي الأرض- مصدر طاقة المستقبل، وتتحقق توقعات جول فيرن! ليزول عنا الخوف من الافتقار إلى الطاقة!

 

أضف تعليق

التعليقات

أكرم عباس الشرفاء

مقال علمي رائع ذا فائدة علمية قيمة تفتح الكثير من التساؤلات والتصور للمستقبل، رائع ما يطرحه الأستاذ حسن الخاطر من مواضيع علمية مميزة..

محمد السنان

مقال علمي جميل مليء بالمعلومات فبارك الله للكاتب هذا المقال