نقطة طاقة نظيفة بطاريات نووية آمنة وطويلة العمر يمكن أن تصبح حقيقة واقعة قريبًا

بطاريات نووية آمنة وطويلة العمر يمكن أن تصبح حقيقة واقعة قريبًا

في عام 1977 انطلق المسباران فوياجر Voyager لبدء ما سيثبت أنه أطول الرحلات التي قطعتها أجسام من الأرض على الإطلاق. حاليا، غادرت المركبتان المجموعة الشمسية والمسبار فوياجر 2 يرسل إلينا قياسات الفضاء بين النجوم.

ومع تقدم الإنجازات، فإنها تُصنف من بين أعمق الإنجازات البشرية. ولكن نادرًا ما يُحتفى بأحد الجوانب الحاسمة لهذا النجاح: فمن المؤكد أن لدى هذين المسبارين بطاريات جيدة.

في ظل ظروف الحياة اليومية، لا يبدو أن البطاريات تدوم طويلاً بما يكفي، حيث يتعين علينا شحن هواتفنا كل يوم، ويبدو أن أجهزة الكمبيوتر المحمولة متعطشة باستمرار لكابلات الطاقة الخاصة بها، كما أن السيارات الكهربائية لا تقطع مسافات طويلة قبل أن تتطلب الشحن، وكل هذا يجعلنا نرغب في الحصول على نوع جديد من إمدادات الطاقة.

بطاريات جديدة قريبا

تستخدم مجسات فوييجر مصدرا ضعيفا للطاقة النووية، نظرًا لكونها مشعة، فإنها تعتبر خطيرة للاستخدام على الأرض.

ولكن هناك شكل من أشكال الطاقة وثيق الصلة به، وهو أكثر قوة ويمكن أن يعمل بأمان في سيارتك العادية.

انه بعيد المنال، ففي المرة الأخيرة التي تم فيها التفكير بجدية في هذه التكنولوجيا الباهظة، قبل 20 عامًا، انتهت بإثارة الجدل، ومع ذلك، فإن الجيش الأمريكي أصبح يضعه في عين الاعتبار وقد أجرى تجربة قد تمنحه فرصة جديدة للحياة.

تشمل معظم طرق تخزين الطاقة الكيمياء، فعندما نحرق البنزين في محرك السيارة، فإننا نطلق الطاقة المخزنة في روابط كيميائية.

وبالمثل، تعمل البطاريات القائمة على الليثيوم في أجهزة مثل الهواتف المحمولة من خلال السماح بتدفق الأيونات المشحونة، لكن هناك قوة أكبر يمكن الحصول عليها إذا نظرنا إلى ما وراء الكيمياء، داخل الذرة نفسها.

تتكون كل ذرة من نواة مكونة من جسيمات تسمى البروتونات والنيوترونات التي تدور حول سحابة من الإلكترونات، وعادة ما يتم دمج هذه البروتونات والنيوترونات معًا في درجات الحرارة والضغط الشديدين داخل النجم، وإذا تعمقت في نواة الذرة بالطريقة الصحيحة، يمكنك استخراج بعض هذه القوة الهائلة.

الطريقة الرئيسية للقيام بذلك هي الانشطار النووي، حيث تطلق النواة النيوترونات التي يمكنها بعد ذلك تقسيم المزيد من الذرات، مما يتسبب في تفاعل متسلسل يطلق كميات هائلة من الطاقة.

هذه الطريقة هي التي تعمل بها محطات الطاقة النووية في العالم البالغ عددها 440 محطة، وهناك أيضا اندماج نووي، والذي من المحتمل أن يكون أقوى بكثير، لكنه يعتمد على دمج النوى معا بطريقة مضبوطة لم نتقنها بعد.

تحصل مجسات فوييجر على قوتها بطريقة مختلفة: فهي تستخدم النشاط الإشعاعي الطبيعي.

بعض الذرات غير مستقرة وتطلق جزءًا من المادة والطاقة بين الحين والآخر، يمكن أن تكون مجموعة من بروتونين واثنين من النيوترون (إشعاع ألفا)، أو إلكترون (إشعاع بيتا)، أو طاقة خام على شكل أشعة جاما.

لا يمكننا التنبؤ بموعد تحلل ذرة معينة بهذه الطريقة، ولكن يمكننا تحديد المدة التي سيستغرقها نصف الذرات في كتلة من المادة المشعة للقيام بذلك.

إنه نصف عمرها ويمكن أن يختلف الرقم بشكل كبير، حيث تختفي بعض المواد المشعة في غضون ثوان، ويبلغ متوسط عمر البلوتونيوم 238 87.7 عامًا، ولهذا السبب تم اختياره كمصدر للطاقة لـ Voyager 2.

يقطر البلوتونيوم تيارًا من جسيمات ألفا، ويولد الحرارة التي تحولت إلى كهرباء بواسطة حقائب المسبار الثلاثة تقريبًا- مولدات كهروحرارية للنظائر المشعة.

النشاط الإشعاعي له سمعة سيئة، ولكن ليست كل الأنواع متساوية.

تخترق أشعة جاما الأنسجة البشرية بشكل أعمق وهو خطير، بينما إشعاع بيتا ليس بهذا السوء، كما أن إشعاع ألفا لا يخترق الجلد، لذلك فهو ضار فقط إذا تم استنشاقه أو ابتلاعه أو دخوله إلى الجسم، فقد تم تزويد أجهزة تنظيم ضربات القلب بالطاقة بمولدات كهروحرارية بالنويدات المشعة جيدة الاحتواء حتى أوائل السبعينيات.

المفهوم الذي يتطلع إليه الجيش الأمريكي هو نوع من الطاقة النووية التي تمزج بين بعض أفضل الأجزاء من الأنواع الأخرى – يمكن أن تكون قوية وآمنة وطويلة الأمد.

ويعتمد ذلك على حقيقة أن البروتونات والنيوترونات لعنصر معين يمكن أن تتجمع معًا في ترتيبات مختلفة في نواة الذرة، وهذه تسمى أيزومرات ولكل منها طاقة مختلفة.

تتواجد الذرات عادةً في أكثر الأيزومرات استقرارًا، وهي الحالة الأساسية، وتميل أيزومرات الطاقة الأعلى إلى إعادة ترتيب نفسها بسرعة إلى هذه الحالة. ولكن هناك عدد قليل من الايزومرات عالية الطاقة التي تبقى لفترة طويلة.

مقالات شبيهة:

بطاريات تسلا تستخدم لتحلية المياه في أفريقيا

شركات تخزين الطاقة تعمل على تحويل السيارات والمنازل إلى شبكات “التزويد بالكهرباء”

الطاقة المكبوتة

في عام 1998 ، استخدم كارل كولينز من جامعة تكساس مسرّع الجسيمات لتحضير أحد هذه الأيزومرات المستقرة عالية الطاقة، والتي تسمى الهافنيوم 178m2 (تعني كلمة m2 أن هذا هو الأيزومر الثاني للهافنيوم 178).

ثم أطلق أشعة سينية على نواتها وادعى أن هذا قد حول النواة إلى حالتها الأساسية، وأطلق موجة من أشعة جاما، ورغم أن الاستفادة منها كمصدر للطاقة ستكون صعبة لأنها خطيرة جدا، لكن كولينز رأى أنها دليل على مبدأ أن الأيزومرات النووية يمكن أن تكون مصادر طاقة مفيدة، وكان يعتقد أنه يمكن حتى استخدامها كنوع جديد من القنبلة النووية.

سخر العديد من العلماء من ادعاءات كولينز، بحجة أنه اضطر إلى بذل المزيد من الطاقة لتحريك تحول الأيزومر أكثر مما خرج، كما أن حقيقة أنك بحاجة إلى معجل جسيمات لصنع أيزومر الهافنيوم يعني أنه لا يمكن إنتاجه إلا بكميات صغيرة وبتكلفة كبيرة، وقد عُرفت الحلقة باسم “جدل الهافنيوم”.

قد تتغلب أيزومرات أخرى عالية الطاقة على المشاكل، فعلى سبيل المثال، يحدث التنتالوم 180 م بشكل طبيعي، في رواسب التنتالوم القابلة للتعدين، وينتج Silver-108m إشعاع بيتا، وهو أقل خطورة.

لا شيء من هذا يجعل قوة الأيزومر رهانًا آمنًا، لكن العائد من إنشاء مصدر طاقة غير محدود بشكل فعال قد يجعله مفيدًا، وينطبق نفس المنطق على 11.6 مليار جنيه إسترليني يتم إنفاقها على مفاعل الاندماج ITER في فرنسا، على الرغم من أن الغرض منه هو مجرد عرض تقني ولن يولد طاقة.

كان نهج كولينز هو الحصول على كل القوة المكبوتة للأيزومر دفعة واحدة، ولكن هناك، من حيث المبدأ، طريقة مختلفة ويمكن القول إنها أكثر فائدة، وقد عرفناها منذ عقود، ولم يتم اتباعها بشكل صحيح.

تخيل أن لديك كتلة من الأيزومر المشع والتي، مثل الهافنيوم 178m2، ذات طاقة عالية لكنها مستقرة، يمكنك الجلوس بأمان في وعاء لفترة طويلة لأنه بالكاد يصدر أي إشعاع.

وعندما تحتاج إلى بعض الطاقة، فإنك تقوم بتحويل كمية صغيرة منها إلى حالتها الأساسية، والتي تكون أقل استقرارًا وتبدأ بالتحلل الإشعاعي بسرعة، وهذا يمنحك مولدًا مشابهًا للمولد الموجود في Voyager 2، ولكن يمكن تشغيله بالطاقة حسب الرغبة.

كان جيمس كارول في مختبر أبحاث الجيش الأمريكي في أديلفي بولاية ماريلاند يحقق في إمكانية تحويل الأيزومرات بهذه الطريقة.

وإحدى الطرق المحتملة للقيام بذلك، والتي تم اقتراحها لأول مرة في عام 1976، تتضمن إطلاق إلكترون على أيزومر وامتصاصه في مدار حول النواة، وهذا يدفع البروتونات والنيوترونات إلى إعادة الترتيب، ويطلق عليه الإثارة النووية عن طريق التقاط الإلكترون (NEEC).

استخدم كارول وفريقه مسرع الجسيمات في مختبر أرغون الوطني بالقرب من شيكاغو لإنشاء شعاع من ذرات الموليبدينوم 93 م، مع متوسط عمر يبلغ حوالي 7 ساعات.

كان هذا الشعاع يسافر بنحو 10 في المائة من سرعة الضوء، بسرعة كافية لتجريد بعض إلكترونات الذرات، ثم تم تحطيمه في الهدف، والذي قام بحقن الإلكترونات مرة أخرى في النواة، مع دفعها إلى أيزومر أقل استقرارًا.

هذا الايزومر تحلل بسرعة لدرجة أن الباحثين لم يتمكنوا من ملاحظته، لكنهم استنتجوا أنه تم إنشاؤه بواسطة أشعة جاما التي أنتجها، وهذا العمل، الذي نُشر في 2018 ، هو المرة الأولى التي يُعرض فيها NEEC.

يقول فيليب ووكر، الذي يدرس فيزياء الأيزومرات النووية في جامعة ساري بالمملكة المتحدة: “كانت التجربة خطوة مهمة إلى الأمام، لكن لا يمكن الحكم بشأن ما إذا كانت تمثل إنجازًا أم لا بالنسبة لـ NEEC”.

وهذا إلى حد كبير بسبب وجود خلاف حول مقدار الطاقة التي يمكن استخلاصها من الأيزومرات، وتشير أرقام كارول إلى أن العملية يمكن أن تنتج 5 جول من الطاقة لكل جول يتم إدخاله، بافتراض أن 1 في المائة من الذرات تخضع لـ NEEC.

أدريانا بالفي في معهد ماكس بلانك للفيزياء النووية في هايدلبرغ بألمانيا ليست متأكدة تمامًان وتشير حساباتها إلى أنه يجب استنفاد عدد أقل من الذرات بمليار مرة من خلال الاضمحلال الإشعاعي.

إذا كان هذا صحيحًا، فإن هذا يثير أسئلة حول مصدر الطاقة التي رآها كارول، ويقول بالفي: “قد تكون النتائج التجريبية صحيحة، لكن تفسيرهم لما حدث في العملية لا يمكن أن يكون صحيحا”.

يعترف كارول بأن الأيزومرات أبعد ما تكون عن الاستخدام العملي كبطاريات، لكن الحجج التي طُبقت بعد عمل كولينز ما زالت سارية: هناك أيزومرات أخرى يمكن الوصول إليها واستخدامها بسهولة، وتكمن المشكلة في صعوبة حساب الخصائص الدقيقة للأيزومرات، ولن نعرف مدى ملاءمتها حتى نجربها.

هذا بالضبط ما يريده الجيش الأمريكي

يرعى مختبر أبحاث الجيش قسم التقنيات والمعدات النووية في بولندا لاستكشاف علم استنفاد الأيزومر.

يقود الفريق Jacek Rzadkiewicz ولديه إمكانية الوصول إلى مفاعل MARIA النووي التجريبي البولندي، والذي يمكنه إنتاج مجموعة متنوعة من الأيزومرات المختلفة.

يقول Rzadkiewicz: “إن الهدف من المشروع هو معرفة طبيعة عملية شحن الأيزومرات وتفريغها عند الطلب”، أو بعبارة أخرى، اكتشاف أي الايزومرات ستصنع بطارية جيدة، ويبحث الفريق البولندي عن أيزومرات أخرى مثل الرنيوم 186 م وأمريسيوم 242 م.

في الوقت الحالي، لا يوجد أي إحساس بكيفية إجراء إزاحة الأيزومر على نطاق أصغر من مسرع الجسيمات، ومع ذلك، لا يزال هناك دافع كبير لتشغيل بطاريات الأيزومر لأنها ستجمع كميات هائلة من الطاقة في حجم صغير.

ويقول Rzadkiewicz: “يمكن للأيزومرات تخزين الطاقة بسعة تصل إلى أكثر من جيجا جول لكل جرام”. هذا يزيد بمليون مرة عن بطاريات الليثيوم أيون، وعشرات الآلاف من المرات أكثر من البنزين.

المخاطر والمكافأة

يقول كارول إن مركبة عسكرية غير مأهولة تعرف باسم SMET ، تستخدم لنقل معدات الجنود، يمكن أن تعمل لمدة 163 يومًا على كيلوغرام واحد من الأمريسيوم -242 م.

ويعمل الإصدار الحالي لمدة ثلاثة أيام على 20 لترًا من البنزين، ويمكن أيضًا إعطاء الطائرات بدون طيار أو الغواصات الروبوتية مصادر طاقة أيزومرية، لذلك من السهل معرفة سبب اهتمام الجيش الأمريكي.

ستكون السلامة مصدر قلق لأي شيء يحمل اسم “نووي”، وإذا كانت طاقة الأيزومر تنتج أشعة جاما، فإن ذلك سيحول دون استخدامها، ولكن إذا تم العثور على أيزومرات تنبعث منها جسيمات بيتا أو ألفا، فقد يكون ذلك ممكنًا.

يعمل الكثير من الناس بالقرب من مخازن المواد المستخدمة في العلاج الإشعاعي والتشخيص، ويقول باتريك ريجان من جامعة سوري: “ربما تكون كميات المواد المشعة اللازمة لبطارية أقل من المواد التي يتم استخدامها بشكل روتيني في المستشفيات”.


المصدر: https://www.newscientist.com/article/mg24733010-700-safe-extra-long-life-nuclear-batteries-could-soon-be-a-reality/

Avatar
محمد
مترجم من اللغة الإنجليزية والفرنسية والإسبانية، متخصص في المقالات العلمية والسياحية والطبية والتقنية، أفخر بكوني ضمن فريق مجلة نقطة العلمية