خدعة صائغ قديم يمكن أن تطلق العنان للجيل القادم من الساعات النووية

يمكن لإنجاز ثوري أن يمهد الطريق لساعات نووية أصغر حجمًا وأكثر كفاءة.

في العام الماضي، قام فريق بحثي بقيادة جامعة كاليفورنيا حقق أ علامة فارقة سعى إليها العلماء لمدة نصف قرن. لقد نجحوا في جعل نوى الثوريوم المشعة تتفاعل مع الضوء عن طريق امتصاص وإصدار الفوتونات، على غرار سلوك الإلكترونات داخل الذرات. ومن المتوقع أن يؤدي هذا الاختراق، الذي تصورته المجموعة لأول مرة في عام 2008، إلى إحداث تحول في دقة ضبط الوقت ويمكن أن يحسن أنظمة الملاحة بشكل كبير، بينما يفتح الباب أيضًا أمام الاكتشافات التي تتحدى بعض الثوابت الأساسية في الفيزياء.

التقدم يأتي مع وجود قيود كبيرة. النظير المطلوب، الثوريوم 229، موجود فقط كمنتج ثانوي لليورانيوم المستخدم في صنع الأسلحة، مما يجعله نادرًا للغاية. ويقدر الباحثون أن 40 جرامًا فقط من هذه المادة متاحة حاليًا في جميع أنحاء العالم لاستخدامها في أبحاث الساعة النووية.

وتظهر دراسة جديدة الآن طريقة للتغلب على هذه العقبة. طوّر تعاون دولي بقيادة الفيزيائي إريك هدسون من جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس، نهجًا يستخدم جزءًا صغيرًا فقط من الثوريوم المطلوب في تجارب سابقة، مع تعتيق نفس النتائج التي تم تحقيقها سابقًا باستخدام بلورات متخصصة. الموصوفة في طبيعةهذه التقنية بسيطة ومنخفضة التكلفة، مما يزيد من احتمال أن تصبح الساعات النووية ذات يوم صغيرة وبأسعار معقولة بما يكفي لتناسب الأجهزة اليومية مثل الهواتف أو ساعات اليد. وبعيدًا عن الإلكترونيات الاستهلاكية، يمكن للساعات أن تحل محل الأنظمة الحالية المستخدمة في شبكات الطاقة وأبراج الهواتف المحمولة وغيرها نظام تحديد المواقع الأقمار الصناعية، وقد تدعم أيضًا الملاحة في الأماكن التي لا يتوفر فيها نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، كما هو الحال في الفضاء السحيق أو تحت الماء.

تعمل عملية بسيطة على تحسين ما استغرق اكتشافه في الأصل 15 عامًا

أمضى فريق هدسون 15 عامًا في تطوير بلورات الفلورايد المتخصصة والمشبعة بالثوريوم والتي مكنت من تحقيق اختراق العام الماضي. في تلك التجارب المبكرة، تم ربط ذرات الثوريوم-229 مع الفلور في بنية يتم التحكم فيها بعناية والتي حافظت على استقرار المادة المشعة مع السماح لضوء الليزر بالمرور عبر النواة وإثارةها. على الرغم من فعاليتها، إلا أن إنتاج البلورات كان صعبًا وتطلبت كميات كبيرة نسبيًا من نظائر الثوريوم النادرة.

“لقد قمنا بكل عمل صنع البلورات لأننا اعتقدنا أن البلورة يجب أن تكون شفافة حتى يصل ضوء الليزر إلى نواة الثوريوم. وقال المؤلف الأول وباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا، ريكي إلويل، إن تصنيع البلورات يستغرق وقتًا طويلاً، وأقل كمية من الثوريوم يمكننا استخدامها هي 1 ملليجرام، وهو عدد كبير عندما يكون هناك 40 جرامًا فقط أو نحو ذلك متاحًا”. جائزة ديبورا جين لعام 2025 لأبحاث أطروحة الدكتوراه المتميزة في الفيزياء الذرية أو الجزيئية أو البصرية لإنجاز العام الماضي.

في العمل الجديد، قامت مجموعة هدسون بطلاء كمية ضئيلة من الثوريوم على الفولاذ المقاوم للصدأ عن طريق تعديل طفيف للطريقة المستخدمة لطلاء المجوهرات بالكهرباء. يُرسل الطلاء الكهربائي، الذي تم اختراعه في أوائل القرن التاسع عشر، تيارًا كهربائيًا عبر محلول موصل للكهرباء لترسيب طبقة رقيقة من الذرات من معدن إلى آخر. في المجوهرات، على سبيل المثال، يتم طلاء الفضة أو الذهب بالكهرباء على قاعدة معدنية أقل قيمة.

وقال هدسون: “لقد استغرق الأمر منا خمس سنوات لمعرفة كيفية زراعة بلورات الفلورايد، والآن اكتشفنا كيفية الحصول على نفس النتائج باستخدام واحدة من أقدم التقنيات الصناعية واستخدام الثوريوم أقل بـ 1000 مرة. علاوة على ذلك، فإن المنتج النهائي هو في الأساس قطعة صغيرة من الفولاذ وأكثر صلابة بكثير من البلورات الهشة”.

كان المفتاح لتفعيل هذا النظام الجديد هو إدراك أن أحد الافتراضات الأساسية كان خاطئًا. إن تحفيز النواة بدرجة كافية باستخدام الليزر، أو إثارةها، لمراقبة انتقالها إلى حالة طاقة أعلى، كان أسهل مما كان يعتقده أي شخص

قال هدسون: “لقد افترض الجميع دائمًا أنه من أجل إثارة التحول النووي ثم مراقبته، يجب دمج الثوريوم في مادة شفافة للضوء المستخدم لإثارة النواة. وفي هذا العمل، أظهرنا أن هذا ببساطة غير صحيح”. “لا يزال بإمكاننا دفع ما يكفي من الضوء إلى هذه المواد المعتمة لإثارة النوى بالقرب من السطح، وبعد ذلك، بدلاً من إصدار الفوتونات كما يحدث في المواد الشفافة مثل البلورات، فإنها تبعث إلكترونات يمكن اكتشافها ببساطة عن طريق مراقبة تيار كهربائي – وهو أسهل شيء يمكنك القيام به في المختبر!”

يمكن للساعات النووية القائمة على الثوريوم أن تفتح الملاحة الخالية من الأقمار الصناعية

بالإضافة إلى تأثيرها المتوقع على كل شيء بدءًا من تكنولوجيا الاتصالات ومزامنة شبكة الطاقة وشبكات الرادار، فقد تم البحث عن ساعات الجيل التالي منذ فترة طويلة كحل لمشكلة ذات تأثير كبير على الأمن القومي: التنقل بدون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). إذا قام عامل سيء – أو حتى عاصفة كهرومغناطيسية – بتعطيل ما يكفي من الأقمار الصناعية، فإن جميع أجهزة الملاحة GPS لدينا ستفشل. وبالمثل، فإن الغواصات التي تغوص في أعماق المحيط، حيث لا يمكن لإشارات الأقمار الصناعية الوصول إليها، تستخدم بالفعل ساعات ذرية للملاحة، لكن الساعات الحالية ليست دقيقة بما فيه الكفاية وبعد بضعة أسابيع، يجب أن تطفو الغواصات على السطح للتحقق من موقعها. وفي هذه البيئات الصعبة، تتفوق الساعة النووية، التي تتمتع بحماية أفضل من بيئتها، على الساعات الذرية الحالية.

وقال ماكان موهاج، قائد الساعة الضوئية في شركة Boeing Technology Innovation: “يمكن أن يساعد النهج الذي اتبعه فريق جامعة كاليفورنيا في تقليل تكلفة وتعقيد الساعات النووية المستقبلية المعتمدة على الثوريوم”. “قد تساهم مثل هذه الابتكارات في ضبط الوقت بشكل أكثر إحكاما وثباتا، وهو ما يتعلق بالعديد من تطبيقات الفضاء الجوي.”

وإذا أراد أبناء الأرض السفر إلى الفضاء، فنحن بحاجة إلى المزيد من الساعات المحسنة لنفس السبب.

وقال إريك بيرت، الذي يقود مشروع الساعة الذرية عالية الأداء في جامعة كاليفورنيا: “لقد قامت مجموعة جامعة كاليفورنيا بقيادة إريك هدسون بعمل رائع في اكتشاف طريقة قابلة للتطبيق لاستكشاف التحول النووي في الثوريوم – وهو عمل يمتد لأكثر من عقد من الزمن. ويفتح هذا العمل الطريق أمام ساعة الثوريوم القابلة للحياة”. ناسا مختبر الدفع النفاث ولم يشارك في البحث. “في رأيي، يمكن لساعات الثوريوم النووية أيضًا أن تُحدث ثورة في قياسات الفيزياء الأساسية التي يمكن إجراؤها باستخدام الساعات، مثل اختبارات النظرية النسبية لأينشتاين. نظرًا لحساسيتها المنخفضة المتأصلة للاضطرابات البيئية، قد تكون ساعات الثوريوم المستقبلية أيضًا مفيدة في إعداد مقياس زمني على مستوى النظام الشمسي ضروري لإنشاء وجود بشري دائم على الكواكب الأخرى”.

المرجع: “التنظير البقعي لإلكترون موسباور المعتمد على الليزر لـ 229tho2” بقلم ريكي إلويل، جيمس إس تيرهون، كريستيان شنايدر، هاري وت مورغان، هوانغ باو ترانسي تان، أوديشيكا سي. بيرا، دانيال أ. رين، رين، ألفونسو، لارس فون دير وينس، بنديكت سيفرلي، كيفن شارل، بيتر ج. ثيرولف وأندريه ديريفيانكو وإريك ر. هدسون، 10 ديسمبر 2025، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-025-09776-4

تم تمويل البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية وشمل فيزيائيين من جامعة مانشستر، وجامعة نيفادا رينو، ومختبر لوس ألاموس الوطني، وزيجلر أناليتكس، ويوهانس جوتنبرج-جامعة ماينز، ولودفيج ماكسيميليانز-جامعة ميونيخ.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.