مواد 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.

كتاب بمشابك على صفحاته: لا يمكنك تقليب صفحة إلا إذا عرفت كيف تنقر على الحافة. هذا تقريبًا مبدأ عمل المادة الميتامواد الميكانيكية التي سنتحدث عنها. كل خلية فيها هي كتلة صغيرة داخل كتلة أكبر، متصلة بها عبر دعامة مرنة. يمكن للدعامة أن تتخذ وضعين مستقرين، مثل المفتاح الكهربائي. في أحد الوضعين، تكون الكتلة الداخلية شبه منفصلة عن الخارجية، ويستجيب الهيكل كله للدفعة بطريقة واحدة.

في كل ليلة مريخية، تمتص بلورات الملح على سطح الكوكب الرطوبة من الهواء الرقيق، مثلما تمتص الإسفنجة الماء من قطعة قماش مبللة. وبحلول الصباح، يتراكم بداخلها محلول ملحي مجهري، يجد نفسه خلال النهار، عندما ترتفع درجة الحرارة، محبوسًا في تجاويف صغيرة. يؤدي التمدد الحراري إلى إغلاق الشقوق التي دخلت منها الرطوبة، فتصبح البلورة ترموسًا صغيرًا بمحتوى سائل.

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.

المادة المظلمة هي المهندس الخفي للكون، الذي يمنع المجرات من التشتت. بفضل فريتز زفيكي وفيرا روبين، نعلم أن المادة العادية في الكون ليست سوى نسبة ضئيلة. ولكن ما الذي يخفيه هذا المادة المظلمة؟ إحدى أكثر الفرضيات جرأة هي الجسيمات الثقيلة المشحونة، أو CHAMP.

الكوكب الفرعي-نبتوني هو كوكب يقع حجمه بين الأرض ونبتون. توجد مثل هذه العوالم بكثرة في مجرتنا، لكن بنيتها الداخلية ما زالت موضع جدل. يُظهر بحث جديد أن هذه الكواكب في شبابها تتصرف مثل إسفنجة مشبعة بالماء. دور الماء يلعبه الهيدروجين - أخف غاز في الكون.

سطح المريخ مكان تموت فيه كل الكائنات الحية بسرعة. الأشعة الكونية والمؤكسدات المنتشرة في كل مكان تعقّم الطبقة العليا من التربة. ولكن بمجرد الحفر أعمق قليلاً، يتغير المشهد. هناك، حيث لا يصل الأشعة فوق البنفسجية، قد تختبئ منطقة صالحة للحياة. تعتمد هذه المنطقة على وقود غريب — الإشعاع.

ارمِ كرةً بموازاة الجدار تقريبًا — ستنزلق بمحاذاته قبل أن ترتد. مع شعاع الضوء الأمر سيان: عند الانعكاس بزاوية منخفضة ينزاح بضعة ميكرونات. لطالما اعتُبر انزياح غوس-هينشن هذا مجرد تناقض طريف. في تجربة جديدة، حُسّن الإعداد التقليدي الذي يستخدم منشورًا وغشاءً معدنيًا، باستبدال الفجوة الهوائية بسحابة من ذرات الروبيديوم المبرّدة. يجعل ليزر التحكم هذا الوسط شفافًا أو ماصًا — وكأن الجدار يُطلى بمادة زلقة حسب الرغبة.

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.

حبيبة ذهبية بحجم مئة ذرة تقع تحت شعاع ضوء فترتفع حرارتها. في الحياة العادية لا يشكل هذا الأمر خطراً، لكن في عالم تقنية النانو يمكن لهذا التسخين الضئيل أن يفسد مستشعراً حيوياً أو يحرق شريحة إلكترونية. لا يمكن وضع مروحة هنا: ففي هذه المقاييس الصغيرة، تحتبس الحرارة كما تحتبس في سترة شتوية سميكة.

الكوكب الأحمر محاط بحطام عوالم لم تكتمل — كتل صخرية محشوة بالمعادن. إرسال كيلوغرام من الفولاذ من الأرض إلى المريخ يكلف مثل عدة سيارات. والأرخص بكثير هو التقاط الخردة الفضائية مباشرة في المدار. مجرتنا المجرة مليئة بـالحطام الصخري — كويكبات غنية بـالحديد والنيكل، وهي مادة خام مثالية لبناء مستعمرة.

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.

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.

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.

الغشاء المستخدم في التحليل الكهربائي للماء يشبه إسفنجة مشبعة بالماء. يجب أن تتحرك داخله بحرية أيونات الهيدروكسيد — وهي جسيمات تحمل الشحنة الكهربائية. لكن كيف تتحرك بالضبط ظلّ لغزًا طويلًا: فمن الصعب تتبّع كل أيون في التجربة. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا يتتبّع آلاف الذرات على مدى عشرات النانوثواني.

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.

سطح المريخ اليوم هو منزل بارد يكاد يخلو من الهواء. يحلم الكثيرون بإعادة بنائه بالكامل: تدفئة الكوكب، وملء هوائه بغاز ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين. لكن الباحثين حسبوا أن هذا "التحول" سيتطلب مرايا في الفضاء تجمع ضوء الشمس وتمتد على مساحة بحجم أفريقيا لإذابة القمم الجليدية، ومصانع تطلق الغاز طوال ألف عام.

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.

الهيدروجين وقود نظيف: عند احتراقه لا ينتج سوى الماء. ولكن لاستخراجه من الماء، يجب كسر الرابطة القوية بين الهيدروجين والأكسجين. عادةً ما يتم ذلك باستخدام البلاتين، وهو معدن باهظ الثمن. ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS2) — معدن رخيص يشبه الجرافيت — يمكن أن يحل محل البلاتين إذا تم تحضيره بشكل صحيح.

البطاريات الحديثة ذات الإلكتروليت السائل قد تتسرب أو تشتعل. الإلكتروليتات البوليمرية — الصلبة مثل البلاستيك — تحل هذه المشكلة، لكن الأيونات فيها تتحرك ببطء أكبر، وتفقد البطارية قوتها. ابتكر الباحثون خط إنتاج افتراضيًا: برنامج حاسوبي يولّد تراكيب جديدة من البوليمرات، كما يجرب الطاهي وصفات جديدة للعجين. من بين 1.7 مليون خيار، انتقى الخوارزم 767 واعدًا وحسب كيف تتحرك فيها أيونات الليثيوم.

داخل خلية الوقود، يجب أن تندفع البروتونات بسرعة عبر المادة الصلبة، مثل الركاب عبر بوابات الدخول في ساعة الذروة. إذا كانت البوابات نادرة وضيقة، كان التيار ضعيفًا. سابقًا، للعثور على مادة ذات موصلية بروتونية جيدة، كان الكيميائيون يفحصون المركبات شبه عمياء، واحدًا تلو الآخر.

يسخن السلك العادي عندما يمر به تيار كهربائي. أما الموصل الفائق فلا يسخن. لكن几乎所有 الموصلات الفائقة المعروفة تعمل إما عند درجات حرارة منخفضة جدًا أو تحت ضغط هائل، كما في أعماق الكواكب. لطالما بحث العلماء عن مادة تستغني عن هذه الحالات القصوى. في الدراسة الجديدة، استُخدم مركب من الليثيوم والنحاس والهيدروجين — Li3CuH4. بداخله طبقتان بطبيعتين مختلفتين.

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.

في وعاء به سائل زيتي، تسبح ملايين الحبيبات المغناطيسية الدقيقة، كل منها بحجم بكتيريا. شغّل المغناطيس، فتصطف الحبيبات مثل جنود مطيعين في خيوط طويلة. لكن لماذا تشكل خيوطًا وليس كتلًا؟ اتضح أن الأمر لا يتعلق بالمغناطيسية فقط. كل جسيم، أثناء تحركه في السائل، يجر معه تدفقًا، مثلما يترك المجذاف دوامات خلفه في الماء.

المادة المظلمة غير مرئية، لكن يمكن الإمساك بها من خلال ارتدادها. الهيدروجين المدمج في غشاء كربوني يعمل مثل كرة بلياردو: عندما يصطدم به جسيم من المادة المظلمة، ينطلق البروتون إلى الخارج. هذا الانطلاق هو الإشارة المنشودة. يقترح أصحاب الفكرة تغطية الكاشف بالكربون المهدرج — وهي مادة يُتقن تصنيعها على شكل طبقات رقيقة.

طابعة لا تطبع بالحبر، بل بالمعادن والسيراميك — أصبحت حقيقة الآن. أخذ العلماء قطرة ماء عادية تحتوي على أملاح معدنية مذابة، وجعلوها ترسب على السطح تارة النحاس، وتارة أكسيد الزنك، وتارة هيدروكسيد النيكل. كل ذلك بدقة تصل إلى أجزاء من المليون من المتر. السر في الكهرباء. القطرة معلقة على طرف إبرة رفيعة، ويُمرر تيار ضعيف تحت السطح. تتحول أيونات المعدن من المحلول إلى مادة صلبة مباشرة عند نقطة التلامس.

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.

في مراكز العديد من المجرات تكمن ثقوب سوداء فائقة الكتلة، محاطة بأقراص من الغاز و الغبار الكوني و النجوم. تصادماتها قادرة على توليد موجات ثقالية — تموجات في نسيج الزمكان.

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.

يُشبه مفاعل الاندماج النووي مرجلًا عملاقًا يُطهى فيه الهيليوم من الهيدروجين. تصل حرارة البلازما فيه إلى 150 مليون درجة، أي أكثر سخونةً من نواة الشمس بعشر مرات. لكن، كما في أي مرجل، تتكون هنا ترسبات: شوائب ضارة تتراكم على الجدران وتُخمد البلازما. اقترح الفيزيائيون صنع الجدران من مادة إسفنجية تمتص الشوائب وتمنعها من العودة إلى الوقود.