تخزين الهيدروجين

داخل فولاذ مفاعل الاندماج المستقبلي تتشكل فقاعات هيليوم متناهية الصغر، وعلى جدرانها تدور دراما كيميائية. ذرات الكروم والتنتالوم، كحرّاس، تحتل مواقع عند حدود التجويف وتغيّر قواعد اللعبة بالنسبة للهيدروجين.

هدف الغاز يشبه القمع: كلما كانت جدرانه أكثر انحدارًا، كان التدفق أقوى. فقط في هذا القمع لا يتدفق الماء، بل الضوء فوق البنفسجي، الذي يولد عندما تمر نبضة ليزر قوية عبر سحابة من الأرجون. كفاءة هذا التحويل عادة ما تكون ضئيلة، حوالي 0.001%: من بين ألف فوتون ليزر، يتحول واحد فقط إلى أشعة فوق بنفسجية مفيدة.

الماء الساخن بعد الاستحمام، والهواء الدافئ من التهوية، وجدران المحرك الساخنة — كلها حرارة منخفضة الجهد بدرجة حرارة أقل من 100 درجة مئوية. عادةً ما تتبدد في البيئة دون أن تؤدي عملًا مفيدًا. الآن ظهرت تقنية تسمح بالتقاط هذه الحرارة وتحويلها إلى كهرباء. داخل الجهاز الجديد يوجد سلك من سبيكة النيكل-تيتانيوم. هذه المادة تمتلك تأثير ذاكرة الشكل: عند التسخين تنكمش، وعند التبريد تعود إلى طولها الأصلي.

أسطوانة فولاذية احتوت الهيدروجين لفترة طويلة قد تنكسر أحيانًا ليس على حدود الحبيبات المعتادة، بل مباشرة عبر الحبيبات البلورية، تاركة نمطًا غريبًا — وكأن الشق اختار طريقًا خاطئًا.

تستخدم البطاريات الكمومية التأثيرات الكمومية لتجاوز الحدود التي تواجهها الأجهزة التقليدية والمرتبطة بـ الإنتروبيا — أي مقياس الفوضى وفقدان الطاقة. يمكن تشبيه ذلك بدلوٍ تحت تيار ماء قوي: يمتلئ بسرعة هائلة. لكنّ الدلو مثقوب: فالبيئة المحيطة تمتص الطاقة باستمرار. أدرك العلماء أنه بدلاً من سد الثقوب، يمكن جعل الماء غير مرئي لها.

يبرد إبريق الشاي على الطاولة. تتبدد الحرارة في الهواء — وتضيع هباءً. لكن كان يمكن استخراج القليل من الكهرباء منها. الأجهزة التي تستطيع فعل ذلك تُسمى المولّدات الحرارية المغناطيسية (thermomagnetic generators). لا تحتوي داخلها على مكابس أو توربينات — فقط مادة تغيّر خصائصها المغناطيسية عند التسخين والتبريد. لكن حتى الآن تعمل هذه المولّدات ببطء وتفقد الكثير من الطاقة.

كان يُعتقد سابقًا أن الهيدروجين لا يمتزج تقريبًا مع الحديد السائل تحت ضغط منخفض، لذا لم يكن متوقعًا وجوده في نواة القمر. قلبت التجارب الجديدة هذا الرأي رأسًا على عقب.

الهيدروجين هو وقود مثالي: عند استخدامه ينتج فقط ماء، وليس ثاني أكسيد الكربون. المشكلة هي أن الهيدروجين هو أخف غاز، وجزيئاته تتسرب من أي حاوية. حاليًا، يُحفظ الهيدروجين في السيارات في أسطوانات ثقيلة تحت ضغط هائل، مما يلغي مزايا الوزن. تغلب الباحثون على المشكلة بدون ضغط عالٍ.

المريخ صحراء جليدية بمتوسط حرارة يبلغ سالب 60 درجة مئوية. ولتدفئته دون تدخل بيولوجي، يقترح العلماء ثلاثة أساليب تجمعها فكرة واحدة: إنشاء «بطانية» كثيفة تحبس الحرارة بالقرب من السطح. النهج الأول: نشر أغشية شفافة فوق القواعد المأهولة. تسمح هذه الأغشية بمرور ضوء الشمس وتحجب الإشعاع الحراري العائد الإشعاع، وتعمل وفق مبدأ الاحتباس الحراري المصغر.

الألواح الشمسية العادية تحول الضوء إلى كهرباء، أما هنا فالضوء يفكك الماء إلى هيدروجين وأكسجين. الهيدروجين وقود نظيف، لكن العملية بطيئة. لتسريعها، تُضاف مواد مساعدة تمنح الإلكترونات. غالبًا ما يكون الكحول هو هذه المادة، لكن من المؤسف إهداره. في الدراسة الجديدة، لعبت الطحالب الدقيقة دور المساعد — كائنات صغيرة تعيش أصلًا في الماء وتمتص ثاني أكسيد الكربون.

عندما تعمل الخوادم في مراكز البيانات بكامل طاقتها، فإنها تسخن مثل مكواة تُركت دون مراقبة. هذه الحرارة تذهب سدى، ويُستهلك المزيد من الطاقة للتبريد. اقترح مهندسون من ألمانيا توظيف هذه الحرارة: دعها تدفع السائل عبر أنابيب رفيعة بنفسها، دون أي محركات أو مضخات. جهازهم يشبه صندوقًا مسطحًا بقاع غير متماثل. نصف القاع مصنوع من مادة موصلة جيدة للحرارة، والنصف الآخر من مادة رديئة التوصيل.

في سيرن، في مصنع المادة المضادة، تولد البروتونات المضادة بطاقة تعادل طاقة رصاصة من بندقية. لا يمكن ببساطة وضعها في صندوق: فهي تختفي فورًا عند ملامستها للمادة العادية. لذلك ابتكر الفيزيائيون طريقة لاصطيادها في مصائد كهرومغناطيسية — أقفاص غير مرئية من الحقول. سابقًا، كانت حزمة البروتونات المضادة تُبطَّأ بتمريرها عبر رقاقة معدنية رقيقة.

الهيدروجين هو أخف الغازات، لكنه يستطيع التسلل إلى المعادن. إذا ضُخّ الهيدروجين في أسطوانة فولاذية تحت ضغط كبير، فإن بعض الذرات ستتسلل بين ذرات المعدن. وقد يصبح المعدن هشًا كالكسرة الجافة. ويمكن أيضًا استغلال هذه الخاصية في الاتجاه المعاكس — لتخزين الهيدروجين داخل إسفنجة معدنية. في الدراسة الجديدة، أخذ الباحثون سبيكتين من الألومنيوم والكوبالت والكروم والحديد والنيكل.

الهيدروجين بطل في الطاقة لكل كيلوغرام، لكن تخزينه متعب. في حالته الغازية يشغل حجمًا هائلًا، وإذا تم ضغطه أو تبريده إلى سائل، نحتاج إلى أسطوانات ثقيلة وطاقة كبيرة. هناك طريق ثالث: بعض المواد الصلبة تمتص الهيدروجين مثلما تمتص الإسفنجة الماء، وتحتفظ به داخلها. سخّن المادة — يخرج الهيدروجين، برّدها — يُمتص مرة أخرى.

المحرك الحراري العادي يشبه طاحونة بين ضفتي نهر: إحداهما حارة والأخرى باردة، وكلما زاد الفارق، زادت قوة التيار. هنا الفارق ضئيل، درجة أو درجتان فقط، لكن الماء ما زال قادرًا على إدارة العجلة. السر يكمن في جعل الماء يغلي ليس بالتسخين، بل بالانخفاض الحاد في الضغط — هكذا يندفع البخار حتى من سائل فاتر.

مسحوق الحديد المسخن إلى 650–800 درجة مئوية يمتص الهيدروجين كما تمتص الإسفنجة الجافة الماء. لكن بعد عدة دورات، تلتصق الجزيئات ببعضها في كتلة كثيفة، وتتوقف الإسفنجة عن العمل. إضافة التنغستن تغير الصورة: عند كل تسخين، يخفق المسحوق نفسه بنفسه، فيبقى فضفاضًا ومساميًا.

تم溶解 قميص قديم في قلوي للحصول على هلام، وأصبح هذا الهلام قلب مخزن الطاقة. أما المكون الثاني فصُنع من الشيتوزان، وهي مادة مستخلصة من قشور الجمبري. لا معادن هنا: فقط قطن معاد تدويره ومأكولات بحرية. تم نقع الهلام في ملح الأمونيوم، فارتفعت موصليته بنحو الضعف: من 17.1 إلى 37.8 ملي سيمنز لكل سنتيمتر. الأمر أشبه باستبدال مسار ضيق للأيونات بطريق واسع — فالشحنات تتحرك أسرع.

لمعرفة ما إذا كان هناك ماء في صخرة من المريخ دون كسرها، استخدم العلماء التصوير بالنيوترونات والأشعة السينية - على غرار ما يحدث في المستشفيات عند التقاط الصور. تلتقط النيوترونات الهيدروجين، الذي هو أساس الماء، مما يسمح برسم خريطة للرطوبة داخل العينة. في النيزك NWA 7034، وهو قطعة من قشرة المريخ، عُثر على معادن تشبه الصدأ ولكنها مشبعة بالماء.

الطريقة المعتادة لتجميد خلية حية تشبه محاولة ارتداء بدلة فضاء: يجب أولًا إدخال مادة واقية إلى الداخل، ولكن بينما تخترق الغشاء، قد تنفجر الخلية بسبب اختلاف الأملاح أو تتسمم بالمواد الكيميائية.