Scenario dependence of hydrogen–helium similarity: Multi-scenario comparison and applicability boundaries

مع تحول أنظمة الطاقة نحو الوقود الأنظف، برز الهيدروجين كمرشح رائد لأنه يحمل قدراً كبيراً من الطاقة بالنسبة لوزنه ولا يترك أي انبعاثات كربونية عند استخدامه. ومع ذلك، فإن خفته الشديدة ونطاق قابليته الواسع للاشتعال تجعل منه أمراً خطيراً إذا تسرب، حيث يمكن أن ينتشر بسرعة ويشتعل. ولتصميم أنظمة تخزين ونقل آمنة، يجب على المهندسين فهم كيفية تحرك سحابة الهيدروجين واختلاطها بالهواء بعد حدوث التسرب بدقة. إن اختبار ذلك مباشرة باستخدام الهيدروجين أمر صعب ومحفوف بالمخاطر، إذ يتطلب غالباً مرافق مقاومة للانفجار وضوابط سلامة صارمة. وبسبب هذه المخاطر، غالباً ما يستخدم الباحثون الهيليوم كبديل له. فالهيليوم أيضاً أخف بكثير من الهواء ويتصرف بشكل مشابه في جوانب عديدة، لكنه غير قابل للاشتعال، مما يجعله أكثر أماناً في التعامل معه. ومع ذلك، فإن التحدي المركزي يكمن في أن الهيليوم ليس متطابقاً مع الهيدروجين؛ فلديهما كثافات وخصائص فيزيائية مختلفة، مما يعني أن قاعدة بسيطة لتحويل قياس الهيليوم إلى توقع للهيدروجين لا تعمل دائماً. والسؤال ليس فقط ما إذا كان يمكن استخدام الهيليوم، بل تحت أي ظروف بالضبط سيكون اختبار الهيليوم دقيقاً في إخبارنا بما سيحدث مع الهيدروجين.

وضع فريق من الباحثين في جامعة "تونغجي" (Tongji University) هدفاً لرسم حدود هذا التشابه. أرادوا معرفة ما إذا كان يمكن الوثوق في عامل تحويل واحد وثابت، أم أن الإجابة تعتمد كلياً على الحالة المحددة للتسرب. ولتحديد ذلك، قاموا ببناء تجهيزات مخبرية محكومة لإطلاق نفاثات من كلا الغازين وقياس كيفية تغير تركيزاتهما أثناء انتقالهما عبر الهواء. وقد اختبروا ثلاث سيناريوهات متميزة تمثل مخاطر من الواقع: نفاثة تندفع أفقياً في مساحة مفتوحة، ونفاثة تندفع عمودياً إلى الأعلى، ونفاثة تنطلق داخل غرفة شبه مغلقة ذات فتحات تهوية. وفي كل حالة، قاموا بتغيير حجم الفتحة التي يخرج منها الغاز وسرعة انطلاقه، موفرين ثمانية ظروف مختلفة لمعرفة كيفية سلوك الغازات.

اكتشف الباحثون أن فكرة وجود قاعدة تحويل عالمية واحدة هي فكرة معيبة. ففي المساحة المفتوحة حيث تندفع النفاثة أفقياً، يكون سلوك الغاز عبارة عن صراع بين قوتين: الدفعة الأولية للغاز الخارج من الفتحة، والتي يمكن تسميتها بـ "زخم الخروج"، والنزعة الطبيعية للغاز الخفيف للطفو للأعلى، والمعروفة باسم "الطفو". عندما يخرج الغاز من الفتحة بزخم منخفض، تتولى قوة الطفو زمام الأمور بسرعة. ولأن الهيدروجين أخف من الهيليوم، فإنه يرتفع وينجرف بعيداً عن المسار الأفقي بشكل أسرط من الهيليوم. وهذا يؤدي إلى انفصال الغازين، مما يجعل قياس الهيليوم غير مطابق لما كان سيفعله الهيدروجين. وقد وجد الباحثون أنه عند معدلات التدفق المنخفضة، يحدث هذا الانفصال في أقل من متر واحد، مما يجعل بيانات الهيليوم غير موثوقة للتنبؤ بسلوك الهيدروجين في المسافات الأبعد.

ومع ذلك، تتغير القصة عندما زاد الباحثون من قوة الانطلاق. فعندما دفعوا الغاز بسرعة أكبر أو من خلال فتحة أكبر، كان الزخم الأولي قوياً بما يكفي لإبقاء النفاثة تتحرك في خط مستقيم لمسافة أطول قبل أن تتمكن قوة الطفو من تشتيتها. وفي حالات الزخم العالي هذه، ظل الهيليوم والهيدروجين متقاربين لفترة أطول، مما أدى إلى إطالة المسافة التي يمكن فيها لاختبار الهيليوم أن يتنبأ بأمان بسلوك الهيدروجين. كما وجد الباحثون أن حجم الفوهة كان مهماً بشكل كبير؛ إذ إن الفوهة الأكبر عند نفس معدل التدفق تنتج نفاثة أبطأ وأضعف تفقد تشابهها مع الهيدروجين بشكل أسرع من النفاثة الأصغر والأسرع. وهذا يعني أن مجرد مطابقة حجم الغاز المنطلق ليس كافياً؛ فسرعة وقوة الخروج هما عاملان حاسمان يتجاهلهما قانون التحويل البسيط.

لعب اتجاه التسرب دوراً حاسماً أيضاً. فعندما وجه الباحثون النفاثة مباشرة إلى الأعلى، عملت قوة الطفو مع الزخم بدلاً من معارضته. فقد ارتفع كلا الغازين معاً، وظلت ملفات التركيز الخاصة بهما متقاربة جداً لمسافة أطول مقارنة بالنفاثات الأفقية. وفي هذا التوجه العمودي، ظل اختبار الهيليوم متنبئاً جيداً لسلوك الهيدروجين حتى عند معدلات التدفق المنخفضة. وأظهر هذا أن اتجاه التسرب لا يقل أهمية عن سرعة الغاز. فالقاعدة الثابتة التي تعمل في التسرب العمودي قد تفشل تماماً في التسرب الأفقي، والعكس صحيح.

تضمن السيناريو الأخير مساحة شبه مغلقة، مثل مرآب أو غرفة ذات تهوية محدودة. هنا، غيرت جدران الغرفة قواعد اللعبة تماماً؛ فقد منعت الجدران الغاز من الانتشار والارتفاع بحرية، مما أدى فعلياً إلى حبس قوى الطفو وإبقاء الغازات مختلطة معاً. في هذه البيئة، ظل الهيدروجين والهيليوم متشابهين بشكل ملحوظ، وظلت نسبة تركيزهما ثابتة وقريبة من قيم التحويل القياسية المستخدمة في إرشادات السلامة. لقد عمل الحصر المكاني كمثبت، مانعاً الغازات من الانفصال حتى عندما كان الزخم الأولي منخفضاً. ويشير هذا إلى أنه في الأماكن المغلقة، تكون قواعد التحويل البسيطة التي يستخدمها المهندسون أكثر موثوقية مما هي عليه في الهواء الطلق.

تخلص الدراسة إلى أنه لا يوجد رقم سحري واحد لتحويل نتائج الهيليوم إلى توقعات للهيدروجين. بدلاً من ذلك، تعتمد دقة اختبار الهيليوم على توازن محدد بين الدفعة الأولية للغاز، والاتجاه الذي يسلكه، والمساحة التي يتحرك من خلالها. وقد طور الباحثون إطاراً يعتمد على هذه العوامل الفيزيائية لمساعدة المهندسين على تحديد متى يكون اختبار الهيليوم صالحاً ومتى لا يكون كذلك. ووجدوا أنه في النفاثات الأفقية المفتوحة، يكون التشابه هشاً ويسهل فقدانه، بينما في النفاثات العمودية أو الغرف المغلقة، يكون التشابه أكثر قوة ومتانة. يوفر هذا العمل دليلاً واضحاً قائماً على الفيزياء لمهندسي السلامة، موضحاً أنه للتنبؤ بتسرب الهيدروجين بدقة، يجب أولاً فهم الظروف المحددة للإطلاق، بدلاً من الاعتماد على صيغة واحدة تناسب الجميع.