أخيرًا، تمكن الفيزيائيون من تحويل الهدروجين إلى فلز عن طريق تعريضه لظروف قاسية من الضغط ودرجة الحرارة، مماثلة لتلك السائدة في قلب كوكب المشتري.
يبلغ طول مدفع الغاز ذي المرحلتين، الموجود في مختبر لورنس ليڤرمور القومي، طولَ حافلتين صغيرتين، وفيه كمية من غاز الهدروجين تعادل قوةُ انفجارها قوة عشر أصابع من الديناميت، ويطلق قذائفه بسرعة تبلغ نحو 7 كيلومترات في الثانية، وهو ما يعادل 20 ضعفا من سرعة الصوت أو 15 ضعفا من سرعة رصاصة منطلقة. إن هذا المدفع ليس سلاحا، بل هو وسيلة تجريب واختبار قوية وفعّالة، تهدف إلى صنع بضع قُطيرات من سائل.
وبالطبع، ليس هذا السائل سائلا عاديا، مع أنه من الهدروجين، الذي يُعدُّ أكثر العناصر شيوعا في الكون. وقد بدا هذا العنصر، ببنيته الذرية البسيطة ـ إذ تتشكل ذرته من پروتون واحد وإلكترون واحد ـ أكثر تعقيدا بكثير مما ظنه العلماء. فهو عنصر غازي يتشكل من جزيئات ثنائية الذرة (في كل جزيء ذرتان)، يمكن تبريده وتحويله إلى سائل فيما دون الدرجة 20 كلڤن، أي ما يعادل (253- درجة سيلزية) وإلى صلب فيما دون الدرجة 14 كلڤن (259- درجة سيلزية)، وهو في جميع حالاته هذه، عازل لا ينقل التيار الكهربائي. إلا أن الفيزيائيين كانوا قد تنبؤوا في الثلاثينات من القرن العشرين بأن تعريض الهدروجين لضغوط فائقة يمكن أن يؤدي إلى تفكك جزيئاته (أي انقسامها إلى ذرات) مما يحوِّله إلى فلز موصل.
وفي الستينات، بيّن [من جامعة كورنل] أن الهدروجين الفلزي الصلب ينقل الكهرباء من دون مقاومة؛ فإذا أمكن إبقاؤه على حالته الفلزية الصلبة هذه، في الشروط الاعتيادية من ضغط ودرجة حرارة، أمكن استخدامه مادةً ذات موصلية فائقة superconductor في درجة حرارة الغرفة، وهي ما كان يبحث عنه الفيزيائيون طوال عقود. إضافة إلى ذلك فإن هذا الفلز الصلب يمكن أن يستخدم مصدر طاقة مُدْمجا، كما يمكن أن يستخدم مادةَ بناء خفيفة الوزن.
وحديثا، قمت وزملائي بخطوة للتحقق من إمكانية تحقيق ذلك، حيث عمدنا، باستخدام مدفع الغاز في ليڤرمور، إلى ضغط الهدروجين السائل إلى الحد الذي سمح بتحويله إلى حالة فلز سائل، بقي فيها لأقل من جزء من مليون جزء من الثانية، وهو زمن أتاح الفرصة لنا لإجراء بعض القياسات عليه ولتحديد موصليته الكهربائية. وعلى الرغم من عدم تمكننا من تحقيق كل ما هدفنا إليه من صنع هدروجين فلزي صلب، فإن ما حصلنا عليه سمح لنا بإلقاء الضوء على سلوك الهدروجين في ضغوط ودرجات حرارة فائقة الارتفاع. وقد تساعد هذه المعرفة الباحثين على ابتكار وسائل أفضل لبدء تفاعلات الاندماج بغية توليد الطاقة، كما قد تزيد من فهمنا لما في باطن كوكب المشتري ذي الكتلة الهائلة، التي يعتقد معها أن الهدروجين السائل، في داخل العملاق الغازي، يتعرض إلى انضغاط شديد يحوِّله إلى حالة فلزية.
منذ نهاية القرن التاسع عشر، تنبأ عدد من العلماء بأن الهدروجين يمكن أن يصبح فلزيا عند تكاثفه. إذ إنه، وعلى الرغم من كل شيء، يحتل مكانا في العمود الأول من الجدول الدوري مع العناصر الفلزية القلوية. وقام الفيزيائي السكوتلندي في عام 1898، بإسالة الهدروجين، كما قام بعد ذلك بسنة واحدة بتجميده وتحويله إلى صلب. ولدهشة الكثيرين بدا الهدروجين في هاتين الحالتين المتكاثفتين، مادة عازلة، إذ ظلّت ذراته مرتبطة إحداها بالأخرى في جزيئات ثنائية الذرة، تسلك كما الهالوجينات الواقعة في العمود السابع من الجدول الدوري، مثل الكلور والفلور.
ومع بدء عهد الميكانيك الكمومي، الذي يهتم بدراسة فيزياء العالَم الذري، أجريت دراسات وتحاليل جديدة عن سلوك عنصر الهدروجين، فتوقع الباحث
[من جامعة پرنستون] في سنة 1935، أن الهدروجين الصلب العازل ذا البنية الجزيئية الثنائية الذرة، قد يتحول، بتأثير ضغوط شديدة الارتفاع، إلى هدروجين صلب فلزي أحادي الذرة. وتراوحت، عبر السنين، التقديرات النظرية لقيم الضغوط اللازمة لتحقيق ذلك بين 25 و2000 گيگاپاسكال، وهو ما يعادل 000 250 إلى 20 مليون ضغط جوي عند مستوى سطح البحر (گيگا = 109، پاسكال # 5-10 ضغط جوي). وتشير أحدث الحسابات المجراة إلى أن قيمة الضغط اللازم لتحويل الهدروجين الجزيئي الصلب إلى حالته الفلزية تبلغ 400 گيگاپاسكال (أي ما يعادل 4 ملايين ضغط جوي)؛ في حين تُظهِر حسابات حديثة أجريت بوساطة الأشعة السينية أن قيمة هذا الضغط تبلغ 620 گيگاپاسكال.
يمكن تحقيق مثل هذا الضغط الفائق الارتفاع، الذي تقرب قيمته من قيمة الضغط في مركز الأرض، بضغط عينة بين سطحين فائقي القساوة، كما في خلية السندان الماسي [انظر: "The Diamond Anvil High-Pressure Cell," by A. Jayarman; Scientific American, April 1984].
لقد تمكن باحثون باستخدام هذه الطريقة من تحقيق ضغوط تصل إلى 500 گيگاپاسكال.
حاول كل من و [من معهد كارنيگي في واشنطن] و [من جامعة هارڤارد] و [من كورنل] تحويل الهدروجين إلى فلز بإخضاعه لضغوط تصل إلى 340 گيگاپاسكال. وعلى الرغم من تصلب الهدروجين، مما يسمح بإجراء قياسات عليه لانعراج الأشعة السينية، ولإخضاعه لقياسات طيفية، فإن هؤلاء الباحثين لم يتمكنوا من كشف موصليته بصورة مباشرة، لأن أسلاك التوصيل الكهربائي المستخدمة في خلية السندان الماسي كانت تتكسر تحت تأثير هذا الضغط العالي. كما تعذر تحويل الهدروجين السائل إلى حالته الفلزية، في هذه الخلية، لأن المائع كان ينفُذ وينتشر بسرعة عبر جدرانها.
يؤمن الاصطدام الفجائي تحقيق ضغط الصدمة اللازم لانضغاط عينة من الهدروجين السائل وتحويلها إلى حالة فلزية. ففي مدفع الغاز (في الأعلى)، تُسرّع قذيفة (قرص فلزي بقياس ربع الدولار، مكسو بطبقة من البلاستيك) إلى سرعة عالية تبلغ نحو سبعة كيلومترات في الثانية؛ وعند ارتطام هذه القذيفة بحامل عينة الهدروجين تنشأ في طبقة الهدروجين السائل الرقيقة (اللون الأصفر) موجة صدم، لا تلبث أن تأخذ بالترداد بين صفيحتين قاسيتين من السفير (الياقوت الأزرق) (اللون الأزرق)، معرِّضة الهدروجين إلى ضغط يبلغ نحو 180 گيگاپاسكال. تعمل إبرة زناد (اللون الأرجواني) على تشغيل آلية تسجيل تسمح للمسارِي (اللون البرتقالي) بقياس موصلية الهدروجين لتحديد بدء تحوله إلى الحالة الفلزية.
إطلاق مدفع الهدروجين :
بدأت طريقة استخدام مدفع الغاز منذ نحو عشر سنوات، إثر اكتشاف الموصلات الفائقة في درجات الحرارة المرتفعة. إن هذه المواد الشبيهة بالسيراميك تنقل الكهرباء من دون مقاومة في درجات حرارة قريبة من درجة غليان النتروجين (البالغة 77 درجة كلڤن، أو 196 درجة سيلزية)، وهي أعلى بكثير من درجات الحرارة اللازمة لعمل الموصلات الفائقة التقليدية (القريبة من درجة غليان الهليوم البالغة 4 درجات كلڤن، أو - 269 درجة سيلزية). وبدأتُ في مطلع التسعينات باستخدام هذا المدفع لاختبار تلك المواد. كانت شركة جنرال موتورز قد طورت هذا المدفع منذ الستينات، لاستخدامه في أبحاث القذائف الباليستية الذاتية الدفع، وقد استُخدم نموذج كبير منه لتسريع أنواع من القذائف لمحاكاة تأثير عودتها إلى الجو الخارجي بسرعات كبيرة. وحديثا حصل مختبر ليڤرمور على نموذج صغير من هذا المدفع يمكن استخدامه في أبحاث الدفاع، وذلك لإمكانية تعريض المواد فيه لظروف قاسية جدا.
ومن معرفة قيم الضغوط التي يستطيع المدفع تحقيقها، اعتقدتُ أنه يمكن أن يكون مفيدا في دراسة موصلية الهدروجين المائع. ترتفع نقطة انصهار الهدروجين، عند تعريضه لضغوط مرتفعة، فتبلغ 1500 درجة كلڤن (أي ما يزيد على 1200 درجة سيلزية) عند تعريضه لضغط مقداره 100 گيگاپاسكال؛ لذا ينبغي تسخين المائع لمنعه من التجمد. إن الطريقة المثلى لضغط الهدروجين وتسخينه، هي تعريضه لموجة صدم shock wave. وموجة الصدم، المعروفة على نحو شائع بأنها انفجار الصوت الذي تحدثه الطائرات الأسرع من الصوت، هي تغير مفاجئ للضغط يُقسِر الجزيئات على الاقتراب، بعضها من بعض، بسرعة كبيرة مما يزيد من درجة حرارتها. وبدأتُ وزملائي و في عام 1991، باستخدام مدفع الغاز لإحداث موجة صدم تردادية reverberating في الهدروجين السائل.
يتكون المدفع من جزأين، أولهما مؤخرة فيها نحو 3.3 كيلوغرام من البارود الذي يدفع عند تفجيره مكبسا ثقيلا نحو أسفل أسطوانة يبلغ طولها عشرة أمتار وقطرها 90 مليمترا (انظر الشكل العلوي في الصفحة 49). تُملأ الأسطوانة بستين غراما من غاز الهدروجين (وهو غير الهدروجين المراد تحويله إلى الشكل الفلزي). يضغط المكبس الذي يزن نحو 6.8 كيلوغرام، الهدروجين نحو مقدمة الأسطوانة، وعندما يصبح ضغطه مساويا 0.1 گيگاپاسكال، يمزق صماما يسمح للغاز بدخول الجزء الثاني من المدفع، وهو أسطوانة مخلاة أضيق من سابقتها، يبلغ طولها تسعة أمتار وقطرها 28 مليمترا، ويؤدي تضيق الأسطوانة إلى زيادة سرعة الغاز فيها.
يدفع الهدروجين الغازي أمامه، بعد مروره عبر الصمام، صفيحة معدنية بقياس الكوارتر (وهو قطعة نقدية تعادل ربع الدولار) تسمى المِصْدَمة impactor (يسرِّع الهدروجين القذيفة على النحو الأفضل لأن له، من بين جميع الغازات، الوزن الجزيئي الأدنى وسرعة الصوت الأعلى). تزن المصدمة 20 غراما، وتنطلق نحو أسفل الأسطوانة بسرعة قد تبلغ 7 كيلومترات/ثانية (أي ما يعادل 000 16 ميل/ساعة)، فتصدم في نهايتها حاملا من الألمنيوم يحوي عينة الهدروجين السائل على شكل طبقة سماكتها 0.5 مليمتر، موضوعة بين صفيحتين من السَّفير (الياقوت الأزرق) sapphire القاسي، وقد تم سابقا تبريد الهدروجين المائع حتى الدرجة 20 كلڤن، لتأمين كثافة أولية مرتفعة له.
تبين نتائج التجارب التي جرت في مدفع الغاز أن المقاومية للهدروجين السائل تنخفض، ومن ثم ترتفع موصليته، عند زيادة الضغط الواقع على العينة، فعندما تراوح قيمة هذا الضغط بين 93 و120 گيگاپاسكال، يكون الهدروجين في حالة شبه موصلة، وعندما ترتفع قيمة هذا الضغط إلى 140 گيگاپاسكال، تنخفض المقاومية إلى نحو 0.0005 أوم-سنتيمتر، حيث يغدو في حالة فلزية. ويسلك الدوتيريوم، وهو نظير للهدروجين، السلوك ذاته.
يؤدي ارتطام المصدمة بحاوية الألمنيوم إلى إحداث موجة صدم قوية تعبُر، من خلال هذه الحاوية، نحو طبقة الهدروجين السائل وتنعكس بين صفيحتي السفير المحيطتين بهذه الطبقة، ويتكرر انعكاسها وارتدادها بينهما أكثر من عشر مرات، مما ينشئ ضغط صدم في طبقة الهدروجين، تقدر قيمته ب180 گيگاپاسكال، فتنضغط هذه الطبقة إلى عُشْر حجمها الأصلي وترتفع درجة حرارتها إلى نحو 3000 درجة كلڤن. يشكل ترداد reverberation موجة الصدم وتراكمها accumulation وضغطها أساس نجاح التجربة؛ فتعرّض الهدروجين المائع لموجة صدم وحيدة بالضغط ذاته، قد يرفع درجة حرارته بصورة أعلى كثيرا من المطلوب.
تعمل إبرة زناد trigger pin موضوعة في حامل العينة على تشغيل جهاز تسجيل فور كشفها وصول موجة الصدم الأولى إلى العينة. وعلى الرغم من تعرض هذه الأخيرة إلى الضغط الأعظمي الناشئ لمدة 100 نانوثانية فقط، (أي عُشر واحد من مليون جزء من الثانية)، فإن ذلك يكفي لبلوغ الهدروجين فيه مرحلة التوازن الحراري، كما يكفينا نحن لإجراء قياساتنا. ومن حسن الحظ أن زمن إجراء التجربة هذا صغير إلى الحد الذي لا يتيح المجال للهدروجين لكي ينفُذ وينتثر عبر حامله، أو أن يتفاعل معه كيميائيا.
لم تكن تجربتنا تخلو من الأخطار، فقد كان علينا أخذ الاحتياطات التي تؤمن عدم امتزاج غاز الهدروجين في المدفع بغاز الأكسجين في حجرة الهدف. ولما كان تفاعل كمية الهدروجين التي في المدفع مع الأكسجين، يحرر طاقة تكافئ في شدتها شدة انفجار كيلوغرامين من مادة ثلاثي نترو تولوئين (TNT)، فقد كان علينا أيضا التأكد من أن حجرة الهدف متينة وقادرة على تحمل شظايا الاصطدام لأن انثقابها سوف يتيح المجال أمام الهواء (والأكسجين) للدخول إليها. وراعينا في تصميمنا أن الهواء، حتى إذا تسرب إلى داخل الحجرة، لن يكون كافيا لإحداث انفجار فيها، فكنا نوقف فورا، بعد إطلاق المدفع، جميع مصادر التغذية الكهربائية اللازمة لتعرّف ما يجري في هذه الحجرة، مما يؤمن عدم حدوث شرارة كهربائية قد تفجر غاز الهدروجين فيها، كما كنا نعمل سريعا وبعد كل إطلاق على ضخ غاز النتروجين في الحجرة لتخميل الهدروجين الموجود فيها، وأخيرا لم يكن يُسمح لأحد بالدخول إلى الحجرة عند إطلاق المدفع.
يتكون مدفع الغاز ذو الطورين من مؤخرة متصلة بأنبوب مضخة، ومن أنبوب ضيق (أصغر قطرا). تعبأ المؤخرة ب3.3 كيلوغرام من البارود، الذي يوضع بعضه في أنبوب اللهب الأجوف، ويوضع بعضه الآخر في جيب أو حافظة حول الأسطوانة (في الأعلى). عند إطلاق المدفع وإشعال البارود، تدفع الغازات الساخنة الناتجة من الانفجار مكبسا يتحرك في أنبوب المضخة (في الأسفل)، دافعا أمامه غاز الهدروجين الذي يفتح في نهاية المضخة صماما يندفع الغاز منه نحو الأنبوب الضيق، فيدفع أمامه قذيفة نحو حجرة الهدف. تتكون القذيفة من صفيحة فلزية تدعى المِصْدمة، محفوظة في غلاف من البلاستيك، حيث ترتطم بحامل العينة (المصنوع من الألمنيوم) والذي يحوي الهدروجين السائل المراد تحويله إلى الحالة الفلزية (أقصى اليمين).
جاء اكتشافنا الهدروجين الفلزي مصادفة، إذ كنا نتوقع رؤية الهدروجين المائع يقترب من الحالة الفلزية من دون أن يبلغها. ولتحديد موصلية هذا الهدروجين فقد تم إرسال مقدار صغير من التيار الكهربائي في المسارِي التي في حامل العينة، وذلك بغية قياس مقاوميته الكهربائية electrical resistivity (إن مقاومة سلك لتيار كهربائي يمر فيه تساوي مقاوميته مضروبة في طوله وقسمة النتيجة على مساحة مقطعه)، حيث بلغت المقاومية نحو 1 أوم-سنتيمتر تحت ضغط مقداره 93 گيگاپاسكال، وانخفضت إلى 0.005 أوم-سنتيمتر عند زيادة الضغط الواقع على العينة إلى 120 گيگاپاسكال. تتوافق هذه القيم وحالة مادة شبه موصلة semiconductor، حيث تكون المقاومية أقل من مثيلتها في العوازل العادية وأعلى منها في الموصلات الفلزية metallic conductors.
وعند رفع قيمة الضغط إلى 140 گيگاپاسكال انخفضت مقاومية الهدروجين السائل إلى نحو 0.0005 أوم-سنتيمتر، دالّة على أنه أصبح في حالة فلزية موصلة تماما للكهرباء. وممّا أثار دهشتنا بقاء هذه المقاومية على هذه القيمة في ضغوط أعلى وصلت حتى 180 گيگاپاسكال. لقد فوجئت كثيرا بهذه النتائج، ولذا أحجمت عن نشرها، وأمضيت سنة كاملة أتمعن فيها، وأعيد التأكد من صحتها حتى استطعتُ فهم سبب وجوب بقاء المقاومية ثابتة في ضغوط شديدة الارتفاع.
إن ما يحدث، على المقياس الذري، أثناء تحول الهدروجين السائل إلى حالة فلزية هو أن بعض إلكتروناته تتحرر من جزيئاتها [انظر الشكل في الصفحة 51]. فذرتا الهدروجين تميلان بشدة في الضغوط المنخفضة إلى تشكيل جزيء، لذلك يحوي الهدروجين السائل جزيئات فقط، في كل واحد منها پروتونان محاطان بغيمة من شحنة سالبة (هي إلكترونان). ولما كان إبعاد إلكترون عن جزيء الهدروجين يحتاج إلى مقدار كبير نسبيا من الطاقة (15 إلكترون ڤلط)، فإن الهدروجين السائل، ذا البنية الجزيئية، لا يستطيع توصيل التيار الكهربائي، وهو لذلك عازل كهربائي.
تتغيّر هذه الصورة عند قسر جزيئات الهدروجين على الاقتراب بعضها من بعض وتسخينها بموجة الصدم التردادية، فتتناقص فرجة الحركية الإلكترونية electronic mobility gap ـ وهي الطاقة اللازمة لإبعاد إلكترون عن الجزيء بحيث يصبح موصلا ـ عند اقتراب الجزيئات بعضها من بعض؛ وأكثر من ذلك، فإن هذه الطاقة تتوفر من التسخين الذي يسببه الصدم، فيغدو الهدروجين السائل شبه موصل، تزداد موصليته الكهربائية ـ وتنخفض مقاوميته ـ بازدياد كثافته وارتفاع درجة حرارته.
وعندما رفعنا ضغط الصدمة shock pressure إلى 140 گيگاپاسكال، ارتفعت كثافة الهدروجين السائل إلى 0.32 مول/سنتيمتر مكعب، وارتفعت درجة حرارته إلى 2600 كلڤن، كما انخفضت فرجة الحركية الإلكترونية فيه إلى 0.22 إلكترون ڤلط. وعند هذه الكثافة تقترب جزيئات الهدروجين بعضها من بعض حتى تتراكب غماماتها الإلكترونية السالبة الشحنة، وهو ما يتيح لإلكتروناتها أن تقفز بحرية من جزيء إلى آخر بحيث تغدو متحركة. ولن تؤدي أي زيادة لاحقة في كثافة الهدروجين إلى زيادة تحرك إلكتروناته، مما يفسر سبب عدم استمرار انخفاض مقاوميته مع ازدياد قيمة الضغط الواقع عليه.
إضافة إلى ذلك، فإن نحو 10 في المئة من جزيئات الهدروجين تتفكك في هذه الشروط، إلى ذراتها؛ فيغدو الهدروجين السائل مزيجا معقدا من جزيئات ومن ذرات، وربما من حشود من مرتبة أعلى. يؤدي الاصطدام المستمر لهذه الجزيئات إلى تفككها إلى ذرات؛ ويمكن للذرات في نهاية الأمر أن تتحد ثانية لتشكل جزيئات جديدة. لذلك، وبسبب هذه الفوضى في حالة الهدروجين السائل، فإن إلكتروناته الموصلة تكون مشتتة ومتبعثرة عند كل جزيء فيه. تعرف هذه الحالة بالموصلية الدنيا لفلز غير منتظم disordered metal.
إن الضغط اللازم لتحويل الهدروجين الصلب إلى حالة فلزية أعلى مما يتطلبه الهدروجين السائل؛ وربما يُعزى السبب في ذلك إلى أن ذرات الهدروجين عند تصلبها تشغل مواقع ثابتة في شبكة بلورية، مما يعيق أو يثبط تحوُّله إلى الحالة الفلزية، بسبب زيادة قيمة فرجة الطاقة الإلكترونية، ولا وجود في الهدروجين السائل لمثل هذه البنية البلورية.
استخدامات جمّة للهدروجين الفلزي :
في التجارب التي أجريناها بقي الهدروجين أقل من ميكروثانية في الحالة الفلزية. لكن إذا استطاع الباحثون صنع هدروجين فلزي صلب وإبقاءه في هذه الحالة تحت الشروط العادية من الضغط ودرجة الحرارة، فإن الفوائد العلمية والتقانية المحتملة ستكون كبيرة جدا، ولما كنا نجهل كيفية صنع مثل هذا الهدروجين الذي يبقى في حالته الصلبة الفلزية في الشروط العادية، ولا نعرف إن كان هذا الصنع ممكنا، فإن الفقرات اللاحقة هي محض تخمينات. وعلى كل حال فإن الخصائص الميكانيكية والحرارية والضوئية والمغنطيسية والكهربائية لمثل هذه المادة ستكون غالبا خصائص غير اعتيادية أو مألوفة. ونبين فيما يلي بعض التطبيقات المحتملة للهدروجين الفلزي الصلب:
موصل فائق في درجة حرارة الغرفة :
تنبأ بعض الفيزيائيين بأن الهدروجين الفلزي الصلب قد يكون قادرا على توصيل الكهرباء، من دون مقاومة، في درجة حرارة الغرفة؛ ويمكن لمثل هذا الموصل الفائق superconductor أن يحدث ثورة في معظم مظاهر حياتنا المعاصرة: فخطوط نقل الطاقة لن تفقد شيئا مما تنقله، والحواسيب سوف تكون أسرع، والقطارات يمكن أن تُعوَّم على وسادات مغنطيسية، ويمكن أن تختزن مقادير هائلة من الطاقة في حقول مغنطيسية من دون أي خسارة تذكر. إن أفضل الموصلات الفائقة في درجات الحرارة المرتفعة تعمل حاليا في نحو الدرجة 150 كلڤن ( -123 درجة سيلزية)، ولذلك يجب تبريدها بالنتروجين السائل، مما يجعلها غير عملية في استخداماتنا اليومية.
إنشاءات أو هياكل خفيفة الوزن :
يمكن صنع هدروجين فلزي قوي ومتين باستخدام مضافات ترتبط بجزيئات الهدروجين وذراته، عندما تكون تحت ضغوط فائقة الارتفاع وتبقيها في مواقعها عند خفض درجة الحرارة والضغط المطبَّقين عليها بسرعة فائقة. وهناك احتمال كبير بأن يعطي هذا الخفض المفاجئ زجاجا فلزيا قد يشبه الزجاج الفلزي الپالاديومي الذي يصنع حاليا باستخدام مضافات من البور والفسفور. وقد تقترب كثافة الهدروجين الفلزي الصلب من كثافة قرينه السائل البالغة 0.7 غرام/سنتيمتر مكعب أو من كثافة الماء. وقد تكون هذه المادة أخف من الألمنيوم بثلاث مرات ومن الحديد بعشر مرات، ويستحيل مع ذلك التنبؤ بقوتها. وفي أكثر السيناريوهات تفاؤلا، يمكن أن يستخدم الهدروجين الفلزي الصلب في صنع سيارات خفيفة الوزن، سوف تكون أكثر كفاءة (فعالية) في استخدام الوقود من السيارات التقليدية.
وقود نظيف :
يستطيع الهدروجين الفلزي الصلب، بسبب كثافته، أن يختزن مقادير كبيرة من الطاقة، يحررها عند عودته إلى حالته الغازية. وليس بوسعنا تقدير كفاءة مثل هذه السيرورة، إلا أننا نعلم أن المنتج الأساسي فيها هو غاز الهدروجين، لذلك فإن وقود الهدروجين الصلب هو وقود نظيف بيئيا، شريطة أن تكون المضافات المستخدمة في صنعه نظيفة بيئيا بدورها. وإذا أمكن تحرير الطاقة المختزنة في هذا الوقود، بصورة بطيئة نسبيا، فإنه يمكن أن يحل محل الگازولين وغيره من أشكال الوقود المستخدمة في وسائط النقل. وإذا تحررت هذه الطاقة بصورة أسرع على نحو ما، فإنه يمكن استخدام هذا الوقود وقودًا دافعًا، إذ يمكن أن يعطي الكيلوغرام الواحد منه قوة دفع أكبر بخمس مرات مما يعطيه الوقود المستخدم حاليا لإطلاق الصواريخ والمكوّن من غازي الهدروجين والأكسجين السائلين. أما إذا أمكن تحرير الطاقة المختزنة في الهدروجين الفلزي الصلب بصورة سريعة جدا، فإنه يمكن استخدامه مادةً متفجرة.
حبيبات الندماج :
إن الهدروجين المكون من النظيرين، الدوتيريوم والتريتيوم، DT، يعمل وقودًا في تفاعل اندماج الحصر العطالي ICF، إذ تؤمن ليزرات قوية ضغط هذا الوقود وتسخينه مسببة اندماج نوى جزيئاته؛ ويمكن لحبيبة وقود مكونة من هدروجين فلزي صلب أن تعطي طاقة اندماج أكبر بكثير مما تعطيه أشكال الدوتيريوم والتريتيوم DT الأخرى، ليس بسبب حالتها الفلزية بل لكثافتها العالية. وقد تمكن المهندسون باستخدام وقود الDT الفلزي من تعبئة حيز ما بمقادير كبيرة منه تزيد كثيرا على ما يمكن تعبئته من أشكال أخرى من الوقود الغازي أو الناري الصلب. إن الكثافة الأولية المرتفعة لحبيبة الدوتيريوم والتريتيوم الفلزية تزيد كثيرا من فعالية السيرورة وكفاءتها.
بدت البيانات المتعلقة بالمقاوميات الكهربائية للهدروجين وبسلوكه في ضغوط ودرجات حرارة فائقة الارتفاع واعدة، وخاصةً فيما يمكن أن تسلط الضوء عليه في النماذج الموضوعة لقلب كل من كوكبي المشتري وزحل. فكتلة هذين العملاقين الغازيين أكبر من كتلة الأرض بنحو 400 مرة. ومعظم الهدروجين الذي فيهما يكون في صورة مائع فلزي يُنتج الحقلين المغنطيسيين لهذين الكوكبين بفعل مفعول الدينمو الحملي convective dynamo action.
كوكب المشتري في زجاجة :
قبل أن تظهر نتائج تجاربنا، كان علماء الفلك النظريون يعتبرون أن كوكب المشتري مغطى بحزم كثيفة من السحب، وأن وشاحه mantle، وهو نِطاقه الغلافي الأوسط الواقع تحت القشرة crust وفوق القلب، هو بحر واسع من الهدروجين السائل العازل يمتد إلى مسافة 000 18 كيلومتر، أي نحو ربع المسافة في عمق الكوكب نحو مركزه؛ أما قلب الكوكب فمن الهدروجين الفلزي السائل. وما بين الوشاح والقلب حدود واضحة. وعند هذا العمق، يقوم ضغط الثقالة، البالغ نحو 300 گيگاپاسكال، بتحويل الهدروجين من مائع عازل جزيئي (ثنائي الذرة) إلى مائع فلزي أحادي الذرة. غير أن النتائج المختبرية التي حصلنا عليها دلت على أن التحول الذي يحصل في الهدروجين السائل بين الصورتين الجزيئية والذرية هو عملية مستمرة؛ لذلك فإن من غير المحتمل أن تكون هناك حدود واضحة بين وشاح المشتري وبين قلبه. ومن المحتمل أن يبدأ الهدروجين الجزيئي بالتفكك عند ضغط قريب من 40 گيگاپاسكال، ثم يكتمل هذا التفكك تحت ضغط مقداره 300 گيگاپاسكال. وتصل الموصلية الكهربائية للهدروجين السائل إلى الحد الأدنى للموصلية الفلزية تحت ضغط مقداره 140 گيگاپاسكال وفي درجة حرارة مقدارها 4000 كلڤن. ويتحقق هذا الضغط على عمق نحو 7000 كيلومتر.
تكون جزيئات الهدروجين السائل العادي (في اليسار) متباعدة بعضها عن بعض على نحو واضح، وتبقى إلكتروناتها (الممثلة بغمامات ذات شحنة سالبة) قريبة من أزواج بروتوناتها. وعند تطبيق ضغط على الهدروجين، تقترب جزيئاته من بعضها بعضا بحيث يغدو بوسع إلكتروناتها أن تقفز بسهولة من جزيء إلى جزيء مجاور، مسببة سريان تيار كهربائي عند تطبيق ڤلطية على السائل (في اليمين)؛ كما يسبب الضغط تفكك نحو 10 في المئة من الجزيئات إلى ذرات.
وهذا يعني أن الحقل المغنطيسي للمشتري ينشأ قريبا من سطحه بخلاف ما كان يُظن سابقا، وهو ما يفسر الشدة النسبية لهذا الحقل على سطح الكوكب البالغة 10 گاوس، مقارنة بشدة الحقل المغنطيسي على سطح الأرض البالغة 0.5 گاوس فقط، إذ ينشأ الحقل المغنطيسي في موقع أكثر عمقا داخل الأرض، في قلبها الحديدي الذي يمتد فقط إلى نصف المسافة إلى سطحها.
إن معرفة كيفية سلوك الهدروجين السائل، في مدى واسع من درجات الحرارة والضغط، تعد أمرا مهما أيضا لتطوير اندماج الحصر العطالي intertial-confinement fusion ICF، حيث توضع حبيبة وقود fuel pellet مكوّنة من نظائر الهدروجين، الدوتيريوم والتريتيوم، في تجويف مهيأ خصيصا لها يدعى الجسم الأسود hohlraum، وتشعع بنبضات ليزرية ذات شدة عالية متدرجة بدلالة الزمن. تنتج نبضة الليزر الأولى موجة صدم يقدر ضغطها ب100 گيگاپاسكال، وتعمل النبضات اللاحقة عمل موجات الصدم التردادية في تجربتنا؛ وتسمح معرفة كيفية سلوك الهدروجين مع هذه الضغوط للباحثين بتحديد الوسيلة الفضلى لتدبّر النبضات الليزرية.
لاتزال تجاربنا بعيدة عن تحقيق واحد من أكثر تطلعاتنا أهمية، وهو الإبقاء على الهدروجين الفلزي الصلب، بعد إنتاجه، في حالته هذه تحت الضغط العادي ودرجة حرارة الغرفة؛ فقد يكون ممكنا ضغط الهدروجين، ثم رفع الضغط الواقع عليه بسرعة، بحيث يحتفظ بخصائصه الفلزية كجسم صلب كما يفعل الكربون العديم الشكل، الذي يتحول بتأثير ضغوط مرتفعة إلى شكل ماسي بلوري يحافظ عليه بعد رفع الضغط عنه. وإذا أمكن صنع هذا الهدروجين فستكون له تطبيقات لا تحصى [انظر: «استخدامات جمّة للهدروجين الفلزي» في الصفحة 50].
ولن يكون تحقيق ذلك سهلا. فقوى ڤاندرڤالس، التي تُباعد ما بين الجزيئات عند تحريرها من الضغط الواقع عليها، قوية في الهدروجين. وقد تكون هناك حاجة إلى إيجاد مُضافات additives تلتصق بالهدروجين وترتبط بذراته وجزيئاته تحت الضغط، ثم تبقيها في مواقعها عند إزالة الضغط الواقع عليها؛ وعلينا لذلك أن نبحث عن مضافات لا تغير من خصائص الهدروجين الفلزي النافعة والمفيدة.
يتكون باطن كوكب المشتري، بصورة رئيسية، من بحر من الهدروجين السائل. وقد ظل الاعتقاد سائدا أن الهدروجين يتحول إلى شكله الفلزي على عمق 000 18 كيلومتر، إذ يحطم الضغط جميع جزيئاته ويفككها إلى ذرات (في اليمين). إلا أن تجاربنا في مختبر ليڤرمور تشير إلى أن تحول الهدروجين الجزيئي إلى هدروجين ذري يجري على أعماق متدرجة، وأنه يبدأ بالتحول إلى الشكل الفلزي اعتبارا من عمق 7000 كيلومتر (في اليسار). وقد تفسر هذه النتائج سبب قوة الحقل المغنطيسي على سطح كوكب المشتري (أسفل اليسار).
وقد ترشدنا تجارب لاحقة نجريها بوساطة مدفع الغاز إلى كيفية تحقيق ذلك؛ وحتى لو أنها لم تفعل، فإننا على ثقة بأننا سنعرف المزيد عن السمات غير الاعتيادية للهدروجين تحت الضغوط الفائقة، إننا مفتونون بمادة هي في آن واحد. أبسط عنصر في الكون وواحدة من أكثر عناصره تعقيدا.
المؤلف : William J. Nellis
فيزيائي يعمل في مختبر لورنس ليڤرمور القومي في ليڤرمور بكاليفورنيا. حصل على الدكتوراه في الفيزياء من جامعة ولاية أيوا عام 1968. يتركز نشاطه على دراسة وتفحص المواد أثناء وبعد تعرضها للضغوط العالية التي تُحدث انضغاطا صدميا، وذلك عن طريق قياس موصليتها الكهربائية ودرجات حرارتها، وبيانات أخرى عن معادلة حالتها، وكذلك عن شكل موجة الصدم والتحولات المرحلية التي تلحق بالأجسام في حالتيها السائلة والصلبة. وقد نال جائزة الجمعية الفيزيائية الأمريكية عام 1997، المخصصة لعلوم الانضغاط الصدمي، تقديرا لبحوثه التجريبية الرائدة في مجال الموائع الجزيئية والكوكبية.
