المغناطيسية المبردة للهيدروجين

يُستخدم مصطلح "المغناطيسية المبردة بالهيدروجين" للإشارة إلى استخدام الهيدروجين السائل المبرد لتبريد ملفات المغناطيس الكهربائي . ^{[ 1 ]} من أهم مزايا هذه التقنية إمكانية استخدام الهيدروجين السائل منخفض الحرارة في آنٍ واحد كمبرد لتبريد ملفات المغناطيس الكهربائي وكناقل للطاقة . أي أنه من المرجح ظهور فوائد تآزرية قوية عند استخدام الهيدروجين كوقود ومبرد في الوقت نفسه . ^{[ 2 ]} حتى بدون هذه الفوائد التآزرية، تُعد المغناطيسية المبردة بالهيدروجين خيارًا جذابًا لتبريد المغناطيسات الكهربائية فائقة التوصيل، إذ تُغني عن الاعتماد على الهيليوم السائل الذي يزداد ندرة وارتفاعًا في التكلفة. ^{[ 3 ] [ 4 ]} في تطبيقات المغناطيسية المبردة بالهيدروجين، تُلفّ المغناطيسات الكهربائية المتخصصة المبردة بالهيدروجين باستخدام النحاس أو الموصلات الفائقة . وتعمل المغناطيسات الملفوفة بالنحاس والمبردة بالهيدروجين السائل بكفاءة عالية كمغناطيسات مجال نبضي . ^{[ 5 ]} تتميز الموصلات الفائقة بقدرتها على العمل بشكل مستمر وبكفاءة عالية جدًا، نظرًا لتجنب الفقد الكهربائي المقاومي بشكل شبه كامل. ^{[ 6 ]} يُستخدم مصطلح "المغناطيسية الهيدروجينية المبردة" عادةً للدلالة على استخدام الهيدروجين السائل المبرد بشكل مباشر أو غير مباشر، لتمكين الموصلية الفائقة عند درجات حرارة عالية في ملفات المغناطيس الكهربائي. ^{[ 1 ]}

تُعدّ المغناطيسية المبردة للهيدروجين مفيدةً للغاية في التطبيقات التي تتطلب مجالات مغناطيسية عالية، كما هو الحال في المحركات الكهربائية ذات العزم العالي . عند الضغط الجوي، يغلي الهيدروجين السائل عند درجة حرارة تقارب 20.3 كلفن ^{[ 7 ]} (-259.3  درجة مئوية). ويُعتبر الهيدروجين السائل عند هذه الدرجة أبرد بكثير من درجات الحرارة التي يمكن عندها تحفيز الموصلية الفائقة لأول مرة في مجموعة من الموصلات الفائقة المهمة ذات درجة الحرارة العالية، بما في ذلك أكسيد الإيتريوم والباريوم والنحاس (YBCO)، وذلك لأن درجة حرارة الانتقال الفائق (Tc) لأكسيد YBCO تبلغ 93 كلفن. ^{[ 8 ]} ويتيح تشغيل المغناطيسات فائقة التوصيل القائمة على أكسيد YBCO عند درجة حرارة أقل من Tc بأكثر من 70 كلفن استخدام كثافات تيار عالية جدًا ومجالات مغناطيسية عالية جدًا دون فقدان الموصلية الفائقة. ^{[ 9 ]} ونظرًا لخصائص مادة YBCO، لا يمكن تصنيعها على شكل أسلاك مطيلة، على الرغم من التقدم الكبير المُحرز في مجال المغناطيسات الكهربائية عالية المجال المصنوعة من YBCO باستخدام الأشرطة بدلًا من الأسلاك. ^{[ 10 ]} يُعد ثنائي بوريد المغنيسيوم موصلًا فائقًا آخر مناسبًا للاستخدام في التبريد المغناطيسي للهيدروجين . ^{[ 11 ] [ 12 ]} ثنائي بوريد المغنيسيوم موصل فائق تقليدي، ويمكن تحضيره على شكل أسلاك مرنة، مما يُسهّل استخدامه المحتمل في مفاعلات الاندماج النووي، مثل مفاعلات توكاماك. ^{[ 11 ]} تبلغ درجة حرارة انتقال ثنائي بوريد المغنيسيوم 39 كلفن. ^{[ 13 ]} في حين أن الهيدروجين السائل عند الضغط الجوي بارد بما يكفي لتبريد ثنائي بوريد المغنيسيوم إلى حالة الموصلية الفائقة ، إلا أن هناك مزايا لضخ الهيدروجين لخفض درجة حرارته أكثر عند استخدامه في لفات مغناطيسية (يعتمد هذا على نفس المبدأ الفيزيائي الذي ينص على إمكانية خفض درجة غليان الماء عن طريق خفض الضغط فوقه، انظر على سبيل المثال ^{[ 14 ]} ). عمومًا، كلما زاد الفرق بين درجة حرارة الموصل ودرجة حرارة انتقال الموصلية الفائقة، كان ذلك أفضل. لا يُعد الهيدروجين السائل الطريقة الوحيدة لتبريد المغناطيس بالتبريد الفائق، ففي الواقع يتم تبريد الموصلات الفائقة تقليديًا باستخدام الهيليوم السائل عند 4.2 كلفن، وبالنسبة للمغناطيسات النبضية الموصلة التقليدية (بما في ذلك النحاس)، فقد تم إيلاء معظم الاهتمام للنيتروجين السائل عند 77 كلفن. ^{[ 15 ]} ومن المتوقع أن يحقق الهيدروجين السائل أداءً أفضل من النيتروجين السائل، وكما سيتم مناقشته أدناه، فإن الهيدروجين السائل يتجنب العديد من المخاوف المتعلقة بتوافر الهيليوم.

أي استخدام للمغناطيسية المبردة بالهيدروجين يتطلب دراسة متأنية لسلامة الهيدروجين .

يُعدّ التبريد المغناطيسي للهيدروجين مفهومًا مختلفًا عن استخدام الهيدروجين الغازي ذي درجة الحرارة العالية كمبرد في توربينات محطات الطاقة .

استُخدم مصطلح "المغناطيسية المبردة للهيدروجين" لأول مرة في فقرة نصية ضمن مقالٍ نُشر في يوليو 2008 في مجلة "الهندسة النووية الدولية" بقلم البروفيسور دبليو جيه نوتال والبروفيسور بي إيه غلوواكي. ^{[ 16 ]} ثم عُدنا إلى هذا المفهوم في مؤتمرٍ لمعهد الفيزياء عُقد في مانشستر، إنجلترا، في أبريل 2010. ^{[ 17 ]} وقدّم البروفيسور دبليو جيه نوتال العرض، وشارك في تأليفه البروفيسور بي إيه غلوواكي والدكتور إل برومبيرغ. وشملت رحلة ابتكار هذا المصطلح أيضًا التفكير في الهيدروجين كوقود ومبرد، من منظور الموصلية الفائقة . ^{[ 2 ]} تشمل الدراسات السابقة ذات الصلة بالهيدروجين السائل كمبرد مبرد أعمال غلوواكي وشركائه من عامي 2005 ^{[ 18 ]} و2006 ^{[ 19 ].} وقد تم توسيع مفهوم المغناطيسية المبردة للهيدروجين ومناقشته بشكل أكبر في أعوام 2012 ^{[ 20 ]} و 2015 ^{[ 1 ]} و2019 ^{[ 21 ] .}

من المتوقع أن يستفيد ظهور تقنية المغناطيسية المبردة للهيدروجين من الاهتمام الصناعي المتزايد بالهيدروجين السائل، والذي يُتوقع أن ينشأ لأسباب أخرى، منها نمو اقتصاد الهيدروجين بشكل عام والحاجة إلى نقل وتخزين كميات كبيرة منه. ^{[ 21 ]} يتزايد الاهتمام العالمي بظهور اقتصاد الهيدروجين، حيث يُعد الهيدروجين ناقلاً للطاقة منخفض الكربون، يُستمد من مصادر متجددة ( الهيدروجين الأخضر )، أو بديلاً عنه من الغاز الطبيعي مع احتجاز الكربون وتخزينه (ويُطلق عليه أحيانًا " الهيدروجين الأزرق "). عندما لا تتوفر خطوط الأنابيب، وُجد أن استخدام الهيدروجين المسال لنقل وتوزيع جزيئات الهيدروجين بكميات كبيرة أكثر كفاءة من أسطوانات الغاز عالية الضغط عند نقل كميات كبيرة لمسافات طويلة. ^{[ 22 ]} يُعد الهيدروجين (سائلاً كان أو غازًا) نظامًا لتخزين الطاقة ينافس تقنية البطاريات الكهربائية. ^{[ 22 ]} يتفوق الهيدروجين على البطاريات في تخزين أكبر كميات من الطاقة لأطول فترة زمنية. تتفوق خلايا وقود الهيدروجين على تقنيات البطاريات الكهربائية في أثقل وسائل النقل، كالقطارات والشاحنات والحافلات ^{[ 22 ].} وتتنافس تقنية الهيدروجين مع تقنية البطاريات، كما تتنافس تقنية الهيدروجين الغازي مع تقنية الهيدروجين السائل. ومع استمرار هذه المنافسة، يُرجّح أن يبرز دورٌ هام للهيدروجين السائل كنظام تخزين طاقة ثابت طويل الأمد وعلى نطاق واسع، وكنظام تزويد وقود للمركبات الثقيلة. وفي ظل هذه الظروف، يُتوقع أن يُسهم الدور الاقتصادي المتنامي لإنتاج وتوزيع الهيدروجين السائل في تعزيز استخدامه لاحقًا في تطبيقات التبريد المغناطيسي.

تجنب مشاكل الهيليوم

الطريقة التقليدية لتبريد المغناطيسات فائقة التوصيل هي استخدام الهيليوم السائل (نقطة غليانه عند الضغط الجوي 4.2 كلفن). يُعدّ الهيليوم منتجًا ثانويًا لصناعة الغاز الطبيعي الحالية ^{[ 3 ]،} وقد شكّل تذبذب سعره وتوافره مصدر قلق كبير في السنوات الأخيرة. ^{[ 23 ]} من المتوقع أن يؤدي تحسين كفاءة الاستخدام وتجنب الهدر إلى ترشيد إمدادات الهيليوم. ولا يُمكن بالضرورة ضمان استمرار استخدام الهيليوم المُستخرج من الغاز الطبيعي في حال التخلص التدريجي منه ضمن مسار الوصول إلى صافي انبعاثات صفرية. لذا، ثمة حاجة ملحة للقطاعات التي تستخدم الهيليوم والتي يُمكنها استبداله بمصادر أخرى. ^{[ 24 ]} سيشهد المستخدمون القادرون على التحول بأمان إلى التبريد المغناطيسي بالهيدروجين انخفاضًا ملحوظًا في تكاليف التشغيل، ويتجنبون المخاطر المرتبطة بندرة إمدادات الهيليوم.

قام موجاراد وزملاؤه في عام 2022 بمراجعة العديد من التطبيقات المحتملة للمغناطيسية المبردة للهيدروجين. ^{[ 27 ]} بعض التطبيقات المحتملة مدرجة أدناه.

طاقة الاندماج

ظهر مفهوم المغناطيسية المبردة للهيدروجين لأول مرة في سياق الاندماج النووي المحصور مغناطيسيًا . اقترح دبليو جيه نوتال في عام 2004 أن تسويق طاقة الاندماج قد يتم عبر شركات النفط العالمية بدلًا من الكهرباء. ^{[ 28 ]} ولأسباب تقنية واقتصادية، قد تكون طاقة الاندماج وسيلة مجدية لإنتاج الهيدروجين السائل لاقتصاد الهيدروجين ، على غرار اقتصاد الغاز الطبيعي المسال الحالي. من المرجح أن يتطلب اندماج التوكاماك التقليدي كميات هائلة من الهيليوم السائل، وهو مادة نادرة وباهظة الثمن، لتبريد المغناطيسات فائقة التوصيل. يُعد الهيليوم السائل عنصرًا أساسيًا في النموذج التقليدي. وبالنظر إلى الوفرة المحتملة للهيدروجين السائل في منشأة اندماج مستقبلية تملكها إحدى شركات النفط العالمية الحالية، يبدو من الطبيعي استخدام الهيدروجين المبرد للمساعدة في التخلص من الاعتماد على الهيليوم. تمتلك المغناطيسية المبردة للهيدروجين القدرة على تسهيل إنتاج طاقة اندماج التوكاماك. تجمّعت هذه الأفكار لتُشكّل مفهومًا يُعرف باسم "جزيرة الاندماج"، والذي طوّره كلٌّ من دبليو جيه نوتال، وبي إيه غلوواكي، وآر إتش كلارك. ^{[ 29 ]} وقد تمّ توضيح مفهوم جزيرة الاندماج بشكلٍ أكبر في عامي 2008 ^{[ 16 ]} و2021. ^{[ 30 ]} وتعمل شركة "كومنولث فيوجن سيستمز" في ماساتشوستس بنشاط على استكشاف تقنيات المغناطيس فائق التوصيل المُبرّد إلى درجات حرارة الهيدروجين السائل. ^{[ 31 ]}

الطيران

تكمن فرصة هامة أخرى لتقنية التبريد المغناطيسي بالهيدروجين في مجال الطيران منخفض _{الانبعاثات} الكربونية . ^{[ 32 ]} وقد كانت شركتا إيرباص ورولز رويس وشركاؤهما من الرواد في استخدام الهيدروجين السائل في دفع الطائرات. وفي مقال نُشر في مجلة أسبوع الطيران في أبريل 2021، لاحظ تيري دوبوا ما يلي: ^{[ 33 ]} "أطلقت إيرباص برنامجًا تجريبيًا طموحًا لاستخدام تقنية الموصلات الفائقة، بهدف تحقيق تحسين كبير في الكفاءة. وتنبع الفكرة من صعوبة تصميم بنية دفع كهربائي باستخدام الأسلاك التقليدية، ومن إمكانية استخدام الهيدروجين السائل كمصدر تبريد. تتطلب المواد فائقة التوصيل درجات حرارة منخفضة للغاية." تسمح تقنية التبريد المغناطيسي بالهيدروجين باستخدام تقنية خلايا وقود الهيدروجين في الطائرات لتوليد الكهرباء اللازمة لتشغيل محركات كهربائية عالية العزم تعتمد على الموصلات الفائقة، والقادرة على تشغيل المراوح أو المراوح الأنبوبية بكفاءة عالية. يعمل برنامج "المُظهِر التجريبي المتقدم للمحركات فائقة التوصيل" (ASuMED)، المُموَّل من الاتحاد الأوروبي، على تطوير محرك طائرات فائق التوصيل بكفاءة 99% ونسبة قدرة إلى وزن تبلغ 20 كيلوواط/كيلوغرام. ^{[ 34 ]} وقد اقترح باحثون في معهد موسكو للطيران تصميمًا لمحرك طائرات يعمل بالهيدروجين فائق التوصيل المغناطيسي المبرد بقدرة 5 ميغاواط. ^{[ 35 ]} وحتى قبل معرفة الفوائد المُتوقعة من استخدام محركات الحث فائقة التوصيل المغناطيسي المبرد بالهيدروجين، يحظى الهيدروجين باهتمام كبير باعتباره وقود طيران منخفض الانبعاثات للمستقبل. ولدى شركة إيرباص برنامج نشط للهيدروجين ، شأنها شأن شركات صناعية كبرى أخرى في قطاع الطيران العالمي. 

صناعة معالجة المعادن

تتمتع تقنية التبريد المغناطيسي للهيدروجين بإمكانات تكاملية مفيدة مع صناعة الصلب منخفضة الانبعاثات الناشئة، والتي تُعدّ شركة SSAB السويدية رائدةً في هذا المجال. ^{[ 36 ]} ويجري تطوير الهيدروجين كبديل لفحم الكوك في اختزال خامات الحديد لإنتاج الحديد الزهر ( الصهر ). من شأن استخدام الهيدروجين لهذه الأغراض أن يعزز بشكل كبير الروابط بين الهيدروجين وصناعة الصلب. وبناءً على ذلك، إذا توفرت إمكانية الحصول على الهيدروجين السائل المبرد في مصانع الحدادة، فإنّ الحدادة بالحث المغناطيسي على نطاق واسع باستخدام تقنية التبريد المغناطيسي للهيدروجين ستكون جذابة للغاية من الناحية الاقتصادية، لا سيما لتسخين القوالب. ^{[ 37 ]}