تعمل الصين على بناء مغناطيس قياسي ــ ولكن ليس بدون ثمن

تعمل الصين على بناء مغناطيس قياسي ــ ولكن ليس بدون ثمن

أصبحت الصين الآن موطنًا لأقوى مغناطيس مقاوم في العالم، والذي أنتج مجالًا مغناطيسيًا أقوى بأكثر من 800 ألف مرة من مجال الأرض.

في 22 سبتمبر، حافظ المغناطيس على مجال مغناطيسي ثابت قدره 42.02 تسلا في منشأة المجال المغناطيسي العالي الثابت (SHMFF) في معاهد خفي للعلوم الفيزيائية التابعة للأكاديمية الصينية للعلوم. يفوق هذا الإنجاز بفارق ضئيل الرقم القياسي البالغ 41.4 تسلا الذي تم تسجيله في عام 2017 بواسطة مغناطيس مقاوم في المختبر الوطني الأمريكي للمجال المغناطيسي العالي (NHMFL) في تالاهاسي، فلوريدا. تتكون المغناطيسات المقاومة من أسلاك معدنية ملفوفة وتستخدم في أنظمة المغناطيس في جميع أنحاء العالم.

يضع صاحب الرقم القياسي من الصين الأساس لبناء مغناطيسات موثوقة يمكنها الحفاظ على مجالات مغناطيسية أقوى من أي وقت مضى. وهذا من شأنه أن يسمح للباحثين بالحصول على رؤى فيزيائية جديدة مفاجئة، كما يقول يواكيم ووسنيتزا، الفيزيائي في مختبر دريسدن العالي الميداني في ألمانيا.

ويعد المغناطيس المقاوم، المفتوح للمستخدمين الدوليين، ثاني مساهمة رئيسية للصين في الدفع العالمي لتوليد مجالات مغناطيسية أعلى من أي وقت مضى. في عام 2022، أنتج المغناطيس الهجين الخاص بـ SHMFF، والذي يجمع بين مغناطيس مقاوم ومغناطيس فائق التوصيل، مجالًا بقوة 45.22 تسلا ويعتبر أقوى مغناطيس دائم عامل في العالم.

أداة البحث

تعد المغناطيسات ذات المجال العالي أدوات مفيدة للكشف عن الخصائص المخفية للمواد المتقدمة مثل الموصلات الفائقة – المواد التي توصل الكهرباء عند درجات حرارة منخفضة جداً دون فقدان الحرارة. توفر الحقول المرتفعة أيضًا الفرصة لاكتشاف ظواهر فيزيائية جديدة تمامًا، كما يقول مارك هنري جوليان، عالم فيزياء الحالة الصلبة في المختبر الوطني للمجالات المغناطيسية الشديدة في جرينوبل بفرنسا. يوضح جوليان: "يمكنك إنشاء حالات جديدة للمادة أو معالجتها".

تعتبر الحقول العالية مفيدة أيضًا للتجارب التي تعتمد على قياسات حساسة للغاية، لأنها تزيد من الدقة، وتسهل اكتشاف الظواهر الخافتة، كما يقول ألكسندر إيتون، عالم فيزياء الحالة الصلبة بجامعة كامبريدج بالمملكة المتحدة. ويضيف: "كل سيارة تسلا إضافية أفضل بشكل كبير من سابقتها".

يوضح جوانجلي كوانج، عالم الفيزياء المتخصص في المجالات المغناطيسية العالية في SHMFF، أن الفريق قضى سنوات في تعديل المغناطيس لتحقيق أحدث رقم قياسي. ويقول: "لم يكن من السهل تحقيق ذلك".

موثوقة ولكنها مكلفة

تشرح ووسنيتزا أن المغناطيسات المقاومة هي تقنية قديمة، ولكن يمكنها الحفاظ على المجالات المغناطيسية لفترات زمنية أطول من نظيراتها الهجينة الأحدث وفائقة التوصيل تمامًا. ويمكن أيضًا زيادة مجالاتها المغناطيسية بسرعة أكبر، مما يجعلها أدوات تجريبية متعددة الاستخدامات. يقول: "يمكنك فقط تشغيل المفتاح والانتقال من مستوى صفر تسلا إلى الحقول العالية في دقائق".

يقول إيتون إن العيب الكبير للمغناطيسات المقاومة هو استهلاكها العالي للطاقة، مما يجعلها باهظة الثمن. لذا، اجتذب المغناطيس المقاوم لـ SHMFF 32.3 ميجاوات من الكهرباء لإنشاء مجاله القياسي. يوضح إيتون: "يجب أن يكون لديك سبب علمي جيد جدًا لتبرير هذا المورد".

يقود هذا التحدي السباق لتطوير مغناطيسات هجينة وفائقة التوصيل بالكامل يمكنها توليد مجالات عالية بطاقة أقل. في عام 2019، قام الباحثون في NHMFL ببناء مغناطيس فائق التوصيل مصغر وإثبات للمفهوم والذي يمكنه لفترة وجيزة مجال 45.5 تسلا تمت صيانتها، وتعمل حاليًا على تطوير مغناطيس أكبر بقدرة 40 تسلا فائق التوصيل لإجراء التجارب. يقوم فريق SHMFF ببناء مغناطيس هجين بقوة 55 تسلا. على الرغم من أنه من المتوقع أن تكون هذه المغناطيسات الجديدة أقل تكلفة في التشغيل من أسلافها المقاومة، إلا أنها تأتي مع تحدياتها الخاصة: فهي أكثر تكلفة في التصنيع وتتطلب أنظمة تبريد معقدة، كما يوضح المهندس مارك بيرد، الرئيس المشارك للعلوم والتكنولوجيا المغناطيسية في NHMFL. يقول بيرد: "لا تزال التكنولوجيا قيد التطوير، والتكاليف ليست واضحة بعد".