في فيلم 1990 البحث عن أكتوبر الأحمر، قائد بحري سوفييتي يلعب دوره شون كونري يقود غواصة تعمل بمحرك “مغناطيسي هيدروليكي” لا يمكن اكتشافه بواسطة السونار العسكري.
وبعد ربع قرن من الزمان، تدعم شركة توكاماك إينرجي الناشئة في المملكة المتحدة برنامج وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة في الولايات المتحدة لجعل الدفع البحري الصامت حقيقة واقعة.
ويعد التعاون مع وكالة مشاريع البحوث المتطورة الدفاعية (داربا) أحد الطرق العديدة التي تسعى بها شركة الاندماج النووي إلى تحقيق الدخل من عقد من العمل على المغناطيسات الفائقة الموصلية ذات درجات الحرارة العالية، والتي تزعم أنها يمكن أن تحول القطاعات من النقل العام إلى التصوير الطبي.
قال ليام برينان، مدير شركة تي إي ماجنتكس، التي ستطلقها شركة توكاماك إنيرجي رسميًا الأسبوع المقبل: “ما نريد القيام به هنا هو إدخال عصر المغناطيسات عالية الطاقة إلى السوق. نريد أن نخرج هذه المغناطيسات إلى السوق ونجعلها تعمل”.
تأسست شركة توكاماك إينرجي في عام 2009 عن هيئة الطاقة الذرية في المملكة المتحدة، ويتمثل النشاط الرئيسي للشركة في الاندماج النووي، حيث تتنافس الشركة التي يقع مقرها في أوكسفوردشاير مع حوالي 40 شركة أخرى حول العالم لتكون أول من يطور محطة طاقة قادرة على إنتاج طاقة نظيفة قابلة للتطبيق تجارياً من خلال دمج نظائر الهيدروجين.
لقد حيرت فكرة إعادة إنتاج التفاعل الذي يمدّ الشمس بالطاقة العلماء لعقود من الزمن. فالتفاعل الخالي من الكربون لا يخلف أي نفايات مشعة طويلة الأمد، ويمكن الحصول على النظائر بكميات كبيرة، وكوب صغير من الوقود لديه القدرة على تشغيل منزل لمئات السنين.
ولكن بعد 60 عاماً من التجارب لم تتمكن أي مجموعة من إتقان هذه التكنولوجيا، ولا يوجد ما يضمن أن حلم إنشاء محطات الطاقة الاندماجية سوف يتحقق.
إن الطريقة الأكثر شيوعاً في الاندماج النووي تستخدم المغناطيس لتعليق بلازما مكونة من نظيرين ـ عادة الديوتيريوم والتريتيوم ـ في جهاز يسمى توكاماك. ثم يتم تسخين النظيرين إلى درجات حرارة قصوى أعلى بعشر مرات من مركز الشمس حتى تندمج النوى، فتنتج الهيليوم والطاقة.
كانت المغناطيسات المستخدمة في أجهزة التوكاماك التجريبية مثل JET في أوكسفوردشاير، والتي بدأت عملياتها في عام 1983، مصنوعة من النحاس. وتستخدم المرافق الأحدث، مثل EAST في الصين، والتي أنتجت أول بلازما لها في عام 2006، ما يسمى بالمغناطيسات الفائقة الموصلية ذات درجات الحرارة المنخفضة.
ستستخدم شركة Tokamak Energy مغناطيساتها فائقة التوصيل المصنوعة خصيصًا من شريط مبتكر يمكنه توليد مجال مغناطيسي أقوى بكثير، في درجات حرارة أعلى، من مغناطيسات LTS. المكون الأساسي في الشريط المغطى بالنحاس هو طبقة – بعرض شعرة الإنسان تقريبًا – من أكسيد النحاس والباريوم النادر.
في حين يتعين تبريد مواد LTS باستخدام الهيليوم السائل باهظ الثمن إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (-273 درجة مئوية)، فإن شريط rebco يظهر خصائص فائقة التوصيل عند حوالي 200 درجة مئوية تحت الصفر، مما يجعل الأنظمة القائمة على HTS أرخص وأكثر قوة.
في عام 2019، قامت شركة توكاماك للطاقة ببناء واختبار مغناطيس عالي الطاقة في العالم، حيث حققت رقمًا قياسيًا في مجال 24 تسلا عند درجة حرارة 253 درجة مئوية تحت الصفر. لم تتمكن المغناطيسات في جهاز JET، الذي تم إيقاف تشغيله هذا العام، من توليد مجالات مغناطيسية تصل إلى 4 تسلا فقط.
“لقد أظهرنا من خلال مغناطيساتنا أننا قادرون على جعلها موثوقة للغاية ومستقرة ومتسقة، وهذه هي نقطة التحول”، كما قال برينان. “لم يكن من الممكن القيام بذلك قبل سبع سنوات”.
إن التقدم الذي أحرزته شركة توكاماك إنيرجي في مجال تكنولوجيا المغناطيس يشكل أهمية بالغة لخططها الخاصة بالاندماج النووي. وفي حين تتخذ أغلب أجهزة التوكاماك الحالية شكل الكعكة الدائرية، فإنها تخطط لبناء جهاز كروي أكثر إحكاما، وهو ما يتطلب أن تعمل مغناطيسات الجهاز بأقصى قدر ممكن من الكفاءة.
وتهدف الحكومة البريطانية إلى بناء محطة تجريبية قادرة على توصيل الكهرباء إلى الشبكة في أوائل ثلاثينيات القرن الحادي والعشرين. وسوف يستخدم جهاز الاندماج النووي القادم للحكومة البريطانية، STEP، تصميمًا مشابهًا.
لاختبار العلم والهندسة في مغناطيساتها، قامت شركة توكاماك للطاقة ببناء جهاز تجريبي في منشأتها خارج أكسفورد. عند اكتماله هذا العام، سيبلغ ارتفاعه 3.2 متر وسيشمل 44 ملفًا مغناطيسيًا من شريط HTS مرتبة في تشكيل كروي حول قلب مركزي. ستعمل الآلة على تكرار القوى المطلوبة في محطة طاقة الاندماج، مما ينتج مجالًا مغناطيسيًا بقوة 18 تسلا، أي أقوى بنحو مليون مرة من المجال المغناطيسي للأرض.
ومع ذلك، فإن التطبيقات المحتملة لمغناطيسات HTS تمتد إلى ما هو أبعد من الاندماج. قال برينان إن القدرة على العمل دون الحاجة إلى تبريد الهيليوم السائل المكلف والتحمل العالي للاهتزاز يجعل مغناطيسات HTS مثالية للاستخدام في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي في المستشفيات وغيرها من معدات التصوير العلمي التي تستخدم حاليًا مواد LTS. وقال إن التطبيقات الأخرى للصفات الفائقة التوصيل لمغناطيسات HTS يمكن أن تشمل أيضًا تقليص حجم المحركات الكهربائية للقطارات.
وأضاف أن برنامج داربا للدفع البحري يتطلب مغناطيسات عالية الارتفاع، لأنه يسعى إلى بناء محركات مغناطيسية هيدروديناميكية تنتج مجالات مغناطيسية بقوة 20 تسلا.
إن المحرك الوحيد الذي تم اختباره حتى الآن هو المحرك الذي طورته شركة ميتسوبيشي اليابانية في تسعينيات القرن العشرين ثم تم التخلي عنه. وقد نجح المحرك في توليد مجال مغناطيسي بقوة 4 تسلا تقريباً، مما أدى إلى دفع قارب بطول 30 متراً بنجاح ولكن بسرعات 6.6 عقدة (حوالي 12 كيلومتراً في الساعة).
وتقول شركة توكاماك إنرجي إنها تستطيع من خلال بيع خبرتها في مجال المغناطيس لشركات وصناعات الاندماج الأخرى تخفيف متطلبات التمويل المستقبلية. فقد جمعت شركات الاندماج في القطاع الخاص نحو 7 مليارات دولار من الاستثمارات حتى الآن، ولكن جمع الأموال يشكل تحدياً كبيراً طالما أن العائدات من طاقة الاندماج التجارية لا تزال بعيدة عن الحد المطلوب بعقد من الزمان على الأقل.
وتستعد شركة توكاماك إنيرجي، التي توظف نحو 250 موظفًا، لجولة تمويلية أخرى بعد أن جمعت في السابق 250 مليون دولار من مستثمرين من القطاع الخاص ومنح حكومية. وقد أنفقت الشركة ما لا يقل عن 50 مليون دولار من هذا المبلغ على تطوير المغناطيس.
وقال كريستيان لويس، المستشار العام للشركة: “إنها قصة استثمارية صعبة للغاية لأن مستثمري رأس المال الاستثماري النموذجيين يبحثون عن عائد في فترة زمنية محددة، وتساعدنا أعمال المغناطيس في هذا الأمر لأننا نستطيع بالفعل الإشارة إلى العائد”.
وقد وقعت الشركة بالفعل عقودًا مرتبطة بـ HTS مع العديد من العملاء وتقدر أن TE Magnetics يمكن أن تحقق 8 ملايين جنيه إسترليني في الإيرادات السنوية العام المقبل و300 مليون جنيه إسترليني سنويًا بحلول نهاية العقد.
قال لويس: “إن مفتاح نموذجنا هو امتلاك تصميم المغناطيسات. سواء كنا نقوم بتصنيع المغناطيسات، أو نتعاقد مع جهة أخرى لتصنيعها، أو نمنح ترخيصًا فرعيًا لحقوق الملكية الفكرية لشخص آخر، أو حتى نمنح ترخيصًا فرعيًا لشركة اندماج أخرى حتى تصنعها بنفسها، فهذه كلها خيارات محتملة”.
رسومات بواسطة إيان بوت