Observation of Thermal Deuteron-Deuteron Fusion in Ion Tracks

في أعماق نوى النجوم وفي باطن الكواكب العملاقة مثل المشتري، تُجبر الذرات على الاندماج مع بعضها البعض بكثافة شديدة بحيث تندمج، مطلقةً الطاقة التي تجعل هذه الأجرام السماوية تشع وتدفأ. وعلى الأرض، سعى العلماء منذ زمن طويل لمحاكاة هذه العملية في المختبر، لكن المهمة صعبة للغاية؛ فالنوى الذرية مشحونة بشحنة موجبة وتتنافر طبيعيًا مع بعضها البعض، تمامًا مثل مغناطيسين قويين يدفعان بعضهما بعيدًا. ولجعلها تندمج، يجب صدمها ببعضها البعض بسرعات هائلة للتغلب على هذا التنافر، وهو حاجز يتطلب عادةً درجات حرارة تصل إلى ملايين الدرجات. ومع ذلك، في البيئات الكثيفة والباردة الموجودة داخل الكواكب، تتحرك الذرات ببطء أكبر بكثير، مما يجعل الاندماج مستحيلاً. بيد أن هناك قوة خفية موجودة في العالم المادي قد تغير هذه الصورة: فالإلكترونات المحيطة في المعدن يمكن أن تعمل كدرع، مما يضعف الدفع التنافري بين النوى ويسمح لها بالاقتراب من بعضها بما يكفي للاندماج حتى في درجات حرارة منخفضة نسبيًا.

لعقود من الزمن، حاول الباحثون رصد هذه الظاهرة، المعروفة باسم "التغطية الإلكترونية" (electron screening)، عن طريق إطلاق حزم من الديوتيريوم —وهو شكل ثقيل من الهيدروجين— في أهداف معدنية. وبينما أظهرت التجارب السابقة أن معدل التفاعل يزداد مع تباطؤ الحزمة، لم ينجح أحد قط في رصد تفاعل الاندماج يحدث عند طاقات حرارية حقيقية، حيث تتحرك الذرات ببطء كما في الغرفة الدافئة. وقد اتخذ فريق من الفيزيائيين في بولندا الآن خطوة حاسمة للأمام، حيث أعلنوا عن أول رصد مباشر لاندماج "ديوتيرون-ديوتيرون" يحدث عند هذه السرعات الحرارية. فمن خلال إطلاق أيونات الديوتيريوم في كتل من الزركونيوم والتيتانيوم والبالاديوم، اكتشفوا سلوكًا جديدًا ومفاجئًا: عند أدنى مستويات الطاقة، لم يتباطأ التفاعل ويتوقف كما هو متوقع، بل استقر عند معدل ثابت ومستمر بغض النظر عن مدى بطء الحزمة.

حقق الباحثون ذلك باستخدام نظام معجل عالي الدقة قادر على إبطاء حزم الديوتيريوم إلى مستويات طاقة منخفضة تصل إلى 625 إلكترون فولت، وهي دقة لم يكن من الممكن الوصول إليها سابقًا لهذا النوع من التجارب. لقد قصفوا أهدافًا معدنية كانت مشبعة بذرات الديوتيريوم وقاسوا البروتونات الناتجة عند اندماج النوى. ومع خفض طاقة الحزمة، انخفض عدد أحداث الاندماج بشكل كبير، متبعًا منحنى يمكن التنبؤ به ناتجًا عن الصعوبة المتزايدة في التغلب على التنافر الذري. ومع ذلك، بمجرد انخفاض الطاقة دون حد معين، توقف عائد التفاعل عن الهبوط، واستقر في شكل "هضبة" (plateau)، وهي تدفق مستمر من أحداث الاندماج التي استمرت حتى عندما كانت الجسيمات القادمة تتحرك بالسرعات الحرارية.

لم تكن هذه الهضبة مجرد خط مستوٍ؛ بل جاءت مع بصمة مميزة كشفت عن طبيعة الحدث. ففي تفاعل الاندماج القياسي، تنطلق البروتونات الناتية بسرعة محددة يحددها طاقة التصادم. ولكن في هذه الهضبة منخفضة الطاقة، كانت البروتونات المكتشفة تمتلك طاقات أعلى بكما ينبغي أن تنتجه الحزمة البطيئة. وهذا يشير إلى أن الاندماج لم يحدث بين الحزمة سريعة الحركة والهدف الساكن، بل حدث بين ذرات الديوتيريوم التي كانت في حالة سكون تقريبًا بالنسبة لبعضها البعض. لقد كان التفاعل يحدث في حالة من التوازن الحراري، حيث تندمج النوى بسبب الحرارة المتولدة داخل المعدن نفسه، وليس بسبب سرعة الحزمة القادمة.

ولتفسير كيف يمكن حدوث ذلك، لجأ الفريق إلى نموذج يتضمن الضرر المجهري الذي تسببه الحزمة نفسها. فعندما تصطدم أيونات عالية الطاقة بالمعدن، فإنها تخلق مسارًا أسطوانيًا صغيرًا من الحرارة الشديدة، يُعرف باسم "المسار الأيوني" (ion track). وداخل هذا المسار المجهري، ترتفع درجة الحرارة بشكل حاد لدرجة أنها تذيب الشبكة المعدنية مؤقتًا، مما يخلق منطقة من الاضطراب الحراري الشديد. وفي هذه الحالة المنصهرة والمثارة للغاية، تصبح ذرات الديوتيريوم المحاصرة في المعدن متحركة للغاية، وتنتشر بسرعة وتتصادم مع بعضها البعض. ووجد الباحثون أن خصائص المعدن لعبت دورًا حاسمًا: فالبالاديوم، الذي يسمح للهيدروجين بالتحرك من خلاله بسهولة كبيرة، أظهر تأثيرًا أقوى بكثير من الزركونيوم أو التيتانيوم. وقد أكد هذا أن سهولة حركة ذرات الديوتيريوم عبر المسارات الساخنة هي عامل رئيسي في دفع تفاعل الاندماج.

كما سلطت الدراسة الضوء على أهمية البنية الداخلية للمادة. فقد احتوت المعادن المستخدمة على شوائب وعيوب صغيرة ساعدت في حبس الإلكترونات، مما عزز تأثير التغطية الذي سمح للنوى بالاقتراب بما يكفي للاندماج. وفي حالة التيتانيوم، كان التأثير واضحًا جدًا لدرجة أن معدل التفاعل زاد بمقدار عشرة آلاف ضعف مقارنة بما كان متوقعًا بدون هذه التأثيرات. وحسب الفريق أن الجمع بين التغطية الإلكترونية هذه، ووجود رنين محدد في نواة الهيليوم يعمل كجسر مؤقت للتفاعل، ودرجات الحرارة العالية داخل المسارات الأيونية، يمكن أن يرفع معدل الاندماج بعدة مراتب عشرية.

لا يعني هذا الاكتشاف أن محطة طاقة جديدة جاهزة للبناء غدًا، ولكنه يغير جذريًا فهمنا لكيفية حدوث الاندماج النووي في العالم الطبيعي. فهو يشير إلى أنه في الأجزاء الداخلية الكثيفة والباردة للكواكب العملاقة، حيث تكون درجات الحرارة أقل بكثير من اللازم لعمليات الاندماج التقليدية، يمكن لعمليات مماثلة تتضمن التغطية الإلكترونية والتسخين الموضعي أن تولد طاقة. كما يفتح هذا البحث بابًا جديدًا للبحوث المختبرية، موضحًا أنه من خلال اختيار المواد بعناية وفهم سلوكها المجهري، يمكن للعلماء تهيئة ظروف يحدث فيها الاندماج عند الطاقات الحرارية. إن هذا العمل يقدم تفسيرًا ملموسًا لظاهرة كانت تعتبر ذات يوم مستحيلة، مما يجسّر الفجوة بين الذرات الباردة والبطيئة في المعدن والقلب المستعر للنجم.