Helium Detection in Technical Materials

لطالما ركز السعي وراء الحصول على طاقة نظيفة وغير محدودة على الاندماج، وهي العملية التي تغذي الشمس. في هذا التفاعل، تصطدم الذرات الخفيفة ببعضها البعض لتشكل ذرات أثقل، مما يطلق دفقة هائلة من الطاقة دون النفايات الإشعاعية طويلة الأمد المرتبطة بالانشطار النووي التقليدي. يتسابق العلماء لبناء آلات يمكنها تسخير هذه القوة على الأرض، آملين في تلبية احتياجات العالم المتزايدة من الطاقة من خلال مصدر آمن ووفير. ومع ذلك، فإن إثبات حدوث الاندماج بالفعل داخل هذه الآلات المعقدة هو مهمة دقيقة. إن أحد أكثر العلامات موثوقية على حدوث تفاعل نووي هو ظهور الهيليوم، وهو نوع محدد من الغاز يعد ناتجًا طبيعيًا لهذه الاصطدامات الذرية. ولأن الهيليوم نادر جدًا في الهواء الذي نتنفسه وسهل الكشف عنه للغاية، فإن ظهوره المفاجئ في تجربة مغلقة غالبًا ما يُعامل كدليل قاطع (smoking gun) على نجاح التفاعل.

ومع ذلك، فإن موثوقية هذا الأمر ذاتها تخلق عقبة كبيرة. فالهواء من حولنا يحتوي على كمية ضئيلة من الهيليوم، والمواد المستخدمة في بناء هذه التجارب — من معادن وبلاستيك وسيراميك — ليست معزولة تمامًا ضده. ومع مرور الوقت، يمكن لهذه المواد أن تمتص الهيليوم من الغلاف الجوي، محتفظة به كما تحتفظ الإسفنجة بالماء. إذا قام باحث بتسخين قطعة من المعدن أثناء التجربة، فقد يتسرب ذلك الهيليوم المخزن ويُظن خطأً أنه هيليوم جديد ناتج عن تفاعل نووي. وقد دفع هذا الخطر من الإنذارات الكاذبة العلماء إلى طرح سؤال حاسم: كم تبلغ كمية الهيليوم التي تحتفظ بها المواد الشائعة في هذه المختبرات بالفعل، وكيف يمكننا التأكد مما نقيسه هو حقًا هيلوم جديد وليس مجرد هواء قديم يتسرب للخارج؟

لقد شرع فريق من الباحثين في جامعة تكساس تيك في الإجابة على ذلك من خلال معاملة المواد نفسها كموضوع للدراسة. أرادوا معرفة مقدار الهيليوم الذي يُحتجز بالضبط داخل مكونات المختبر القياسية مثل أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، والعوازل البلاستيكية، والأسلاك المعدنية، وعند أي درجة حرارة ينطلق هذا الغاز. وللقيام بذلك، صمموا سلسلة من التجارب التي تحاكي الظروف داخل اختبار الاندماج، ولكنها تركز بالكامل على المواد بدلاً من التفاعل. لقد بنوا غرفة تسخين متخصصة، وهي في الأساس فرن عالي التقنية، قادر على الوصول إلى درجات حرارة قصوى مع اتصاله بكاشف شديد الحساسية. كان هذا الكاشف بإمكانه عدّ ذرات الهيليوم الفردية التي تتسرب من عينة أثناء تسخينها، مما سمح للفريق بقياس الغاز بدقة متناهية.

بدأ الباحثون باختبار الفولاذ المقاوم للصدأ، وهو مادة مستخدمة في كل نظام فراغ عالي التقنية تقريبًا. أخذوا أنابيب بأحجام مختلفة، وقاموا بخبزها لتنظيفها، ثم تركوها في الهواء الطلق لفترات متفاوتة — بعضها ليوم واحد فقط، وبعضها لقرابة شهر. وعندما سخنوا هذه الأنابيب إلى حوالي 400 درجة مئوية، بدأ الهيليوم المحتجز في التسرب. كانت النتائج مذهلة. فبدون أي معالجة مسبقة، احتفظ الفولاذ المقاوم للصدأ بما بين 15 و240 بيكومول من الهيليوم. ولوضع ذلك في المنظور، فإن البيكومول هو جزء من تريليون من المول، وهي وحدة تُستخدم لعد أعداد هائلة من الذرات؛ وحتى هذه الكمية الضئيلة تمثل عددًا كبيرًا من ذرات الهيليوم بالنسبة لتجربة حساسة. وجد الفريق أنه كلما ترك الفولاذ في الهواء لفترة أطول، زاد امتصاصه للهيليوم، وأن الكمية المنطلقة تعتمد بشكل كبير على مساحة سطح المعدن. كما اكتشفوا أن الفولاذ يمكن أن يعيد امتصاص الهليوم من الغلاف الجوي بمرور الوقت، مما يعني أن قطعة نظيفة من المعدن يمكن أن تتلوث مرة أخرى إذا تركت معرضة للهواء.

توسعت الدراسة لتشمل المواد بعيدًا عن المعدن لتشمل مواد تُستخدم غالبًا كعوازل أو دعامات هيكلية، مثل التفلون والنايلون ومادة سيراميكية تسمى "ماكور" (Macor). كانت النتائج هنا أكثر دراماتيكية. فعندما قام الباحثون بتسخين عينة من التفلون، أطلقت كمية هائلة من الهيليوم، أكثر بكثير من عينات المعدن. في أحد الاختبارات، أطلقت قطعة صغيرة من التفلون أكثر من 280 بيكومول من الغاز. وأظهرت مادة السيراميك "ماكور" ميلًا مشابهًا للاحتفاظ بالغاز، حيث أطلقت آلاف البيكومولات إذا تم نقعها في الهيليوم لمدة ثماني ساعات فقط. كما وُجد أن النايلون، وهو بلاستيك شائع، يحتفظ بالهيليوم أيضًا، وإن كان بكميات أقل من التفلون. جعلت هذه البيانات الأمر واضحًا: هذه المواد التقنية اليومية ليست حاويات خاملة، بل هي مشاركون نشطون يمكنهم تخزين وإطلاق كميات كبيرة من الغاز الذي يحاول العلماء قياسه.

تضمن جزء مهم للغاية من البحث التمييز بين الهيليوم الذي هو هليوم حقًا، والغازات الأخرى التي قد تبدو مشابهة للكاشف. في بعض تجارب الاندماج، يستخدم العلماء الديوتيريوم، وهو شكل ثقيل من الهيدروجين، كوقود. وعندما يتفكك الديوتيريوم، يمكنه أحيانًا إنتاج إشارات تشبه الهيليوم. اختبر الفريق ذلك عن طريق تسخين سلك من البالاديوم كان مشبعًا بغاز الديوتيريوم. ووجدوا أن الإشارة التي رصدوها كانت في الغالب ديوتيريوم، وليس هيليوم، مما أكد أن الكاشف يقرأ النوع الصحيح من الغاز في إعدادهم المحدد. هذا التمييز حيوي لأن هذا يضمن أن الإشارة المرئية هي بالفعل هيليوم وليست مزيجًا مربكًا من الغازات الأخرى. كما اختبر الباحثون طريقة لصهر العينات المعدنية تمامًا في فراغ لمعرفة مقدار الهيليوم المحتجز بداخلها. ومن خلال تبخير المعدن، تمكنوا من إطلاق كل آخر ذرة من الغاز، مما أكد أن المواد كانت تحتفظ بالفعل بالهيليوم داخل بنيتها.

إن الاستنتاج من هذا العمل مباشر وجوهري لأي شخص يعمل في هذا المجال: لا يمكنك الوثوق في نتائج تجربة نووية ما لم تقم أولاً بتنظيف المواد بدقة. توضح الدراسة أنه بدون عملية معالجة مسبقة صارمة لإزالة الهيليوم الذي أودعه الهواء، فمن المستحيل معرفة ما إذا كان الهيليوم المكتشف في تجربة ما هو علامة على تفاعل نووي جديد أم مجرد غاز قديم يتسرب من جدران الآلة. وجد الباحثون أن الفولاذ المقاوم للصدأ والنايلون والتفلون والسيراميك جميعها لديها القدرة على الاحتفاظ بالهيليوم، وأن هذا الغاز يمكن إطلاقه عند درجات حرارة أقل بكثير من تلك المطلوبة لصهر المواد. وهذا يعني أن مجرد تسخين العينة إلى درجة حرارة متوسطة ليس كافيًا لتطهيرها؛ بل تتطلب العملية عمليات خبز أو معالجة مسبقة محددة وعالية الحرارة لضمان أن النظام فارغ حقًا قبل بدء التجربة.

لا يدعي هذا البحث أنه قد حل مشكلة طاقة الاندماج، ولا يشير إلى أن التفاعلات النووية مستحيلة الكشف. بدلاً من ذلك، فإنه يوفر أساسًا ضروريًا للقياس الدقيق. ومن خلال إظهار مقدار الهيليوم الذي تحتويه هذه المواد ومدى سهولة امتصاصها له من الهواء، يقدم البحث مسارًا واضحًا للمضي قدمًا. إنه يشير إلى أن الجيل القادم من التجارب يجب أن يتضمن بروتوكولًا صارمًا لتنظيف وخبز جميع المكونات. وفقط من خلال القضاء على هذه المصادر الخفية للهيليوم، يمكن للباحثين أن يكونوا واثقين من أن الهيليوم الذي يجدونه هو بصمة حقيقية للعمليات الذرية القوية التي يحاولون تسخيرها. إن الطريق نحو الطاقة النظيفة ممهد بالقياسات الدقيقة، وهذا العمل يضمن أن الأدوات المستخدمة لإجراء تلك القياسات نظيفة بقدر العلم الذي وُجدت لدعمِه.