الرئيسية » كيف تعمل الأشياء » مبادئ فيزيائية » كيف يعمل العلماء على صناعة شمس في المختبر

كيف يعمل العلماء على صناعة شمس في المختبر

كيف يعمل العلماء على صناعة شمس في المختبر




نعلم اهمية الشمس للحياة على الارض. انها ليست جرم سماوي في الفضاء وحسب، انها كرة نار هائلة ومصدر مدهش للطاقة، يضمن للحياة ان توجد وتستمر. الا ان العلماء في منشاة الاشعال الوطنية National Ignition Facility في الولايات المتحدة يقومون بتجارب بامكانيات مدهشة يستخدم فيها اقوى ليزر في العالم ليحصلوا منه على ١٩٢ شعاع ليزر يصدم هدف ويحوله إلى طاقة مثل الطاقة التي تنبعث من الشمس. كيف تعمل هذه المنشأة وكيف يمكن ان تتولد هذه الطاقة الهائلة هذا ما سوف نتحدث عنه في هذا المقال من مقالات كيف تعمل الاشياء.

تبعد الشمس مسافة امنا عنا يعرفها الفلكيون بالمنطقة المعتدلة Goldilocks Zone حيث تكون فيها الحرارة مناسبة ليست مرتفعة فتحرق كل شيء او باردة فيتجمد كل شيء. بالرغم من المسافة التي تفصلنا عن الشمس الا ان العالم أوكتافيوس Octavius يحاول ان يجد طريقة للاستفادة من طاقة الشمس ليس جزء محددا منها فقط بل كل الطاقة المنبعثة منها. على اي حال هل هذا ممكنا وهل بالامكان ان نصنع شمسا اصطناعية على الارض؟

من الناحية النظرية يمكن بالفعل ان يكون لنا شمس صناعية على الارض لكن الامر ليس بسهولة تجهيز مختبر وتجربة صغيرة انها عملية شاقة ومعقدة جدا وقد يستغرق الامر عدة سنوات قبل ان يتحقق ذلك عمليا.




مبدأ تكافؤ الطاقة والكتلة لاينشتين

معادلة تكافؤ الطاقة والكتلة لاينشتين التي وضعها في العام ١٩٠٥ اعطت لهذه الفكرة الغريبة امكانية ان تتحقق. طبقا للمعادلة يتوقع عن اندماج عدد من الذرات مع بعضها البعض ان يحرر مقدار هائل من الطاقة. وباستخدام هذه المعادلة يمكن ان نقدر مقدار الطاقة التي تتحرر من جرام واحد من المادة والذي قدر بتشغيل اكثر من 28,500 مصباح كهربي قدرة كل واحد ١٠٠ وات لمدة عام بالكامل!

يستخدم باحثون في منشأة الاشعال الوطنية National Ignition Facility والتي تعرف بالاختصار NIF في ليفرمور في كليفورنيا في امريكيا شعاع ليزر بقدرة عالية ليسقط على هدف موضوع في حجيرة مفرغة من الهواء عرضها حوالي ١٠ امتار. ينتج عن اصطدام طاقة الليزر على مادة الهدف طاقة هائلة تقدر بـ ١٠ مرات اكبر من الطاقة المستنزفة خلال اجراء التجربة.




xNIF_Interior.jpg.pagespeed.ic.J3fOTYFwit




حجيرة تفاعل الاندماج النووي والتي يظهر فيها ١٩٢ فتحة لدخول اشعة الليزر

كيف يمكن صناعة شمس صناعية؟

حيث ان الحديث عن صناعة شمس على الارض فان الشروط اللازمة لتحقيق التجربة عمليا يجب ان تكون على درجة عالية من الدقة. ان المساحة اللازمة للتجربة تعادل مساحة ثلاثة ملاعب كرة قدم مجتمعة. يتم توجيه شعاع الليزر تحت الاحمر على الهدف بعد ان يمر بمجموعة من العدسات والمكبرات والمرايا لمسافة قد تصل إلى ٢ كيلومتر!

llnle
منشأة الاشعال الوطنية
تجهيز حجيرة التفاعل النووي الاندماجي
تجهيز حجيرة التفاعل النووي الاندماجي

3327548_40f0111580_oبعدها ينقسم شعاع الليزر إلى ١٩٢ شعاع مختلف يتم تحويله من الطيف تحت الاحمر إلى فوق البنفسجي. يتم بعد ذلك تبئير (تركيز) شعاع الليزر فوق البنفسجي على مركز الكبسولة. في داخل الكبسولة يوجد هدف من الالومنيوم مغطى بالكونكريت (خرسانة).

 

عندما يصطدم الليزر الجدران الداخلية تنبعث اشعة اكس x-ray بطاقة عالية جدا في فترة زمنية قصيرة جدا تقدر بحوالي جزء من مليار من الثانية. نتيجة لذلك يتكون لدينا كرية نطلق عليها اسم كرية الوقود داخل الكبسولة ومن ثم تنفجر القشرة الخارجية للكبسولة. نتيجة لهذا الانفجار يبدأ تفاعل اندماج نووي يتحرر عنه مقدار هائل من الطاقة.

١٩٢ شعاع ليزر تصدم الهدف في نفس اللحظة ويحدث انفجار يتولد عنه تفاعل اندماج نووي ينتج كمية هائلة من الطاقة.

nifstages
مراحل التفاعل النووي الاندماجي لاصطدام ١٩٢ شعاع ليزر في مادة الهدف

والجدير بالذكر ان علماء من الصين تمكنوا من الوصول إلى درجة حرارة تبلغ ٥٠ مليون درجة مئوية لمدة ١٠٢ ثانية داخل مفاعل اندماج نووي مشابه.

هذا الفيديو يوضح فكرة عمل منشأة الاشعال الوطنية

اين نقف نحن الان؟

 قد يبدو من الشرح السابق ان الامر سهل وبسيط الا ان الامر على درجة عالية من التعقيد والصعوبة. تخيل ان ضبط وترتيب العدسات والمرايا يتطلب على الاقل عمل متواصل لمدة عام كامل. بعد ذلك يتطلب اجراء التجربة ان تكون الحجيرة خالية تماما من اي شوائب والعديد من العوامل الاخرى قبل ان يتم صناعة شمس على الارض.

الا انه في نهاية الامر يمكننا ان نقول ان صناعة شمس على الارض ممكن بغض النظر عن صعوبات هذه المهمة التي قد تواجهنا. في المستقبل يمكن ان يكون لكل فرد منا شمس صناعية لتوفير الطاقة اللازمة لمنازلنا!  وهذا ما يسعى له علماء منشأة الاشعال الوطنية NIF وقد يبدو الامر ضربا من الخيال الا انه من يدري قد يصبح واقعيا.

 




تعليقات

تعليقات

عن الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر - غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي | ومركز الترجمة العلمي | وقناة الفيزياء التعليمي على اليوتيوب | ورئيس تحرير مجلة الفيزياء العصرية | Email skhazem@gmail.com

تفضل بزيارة صفحتي
تصفح كل مقالاتي

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.