زمین، در تنگنای هلیوم

Call Cofield
برگردان؛ احسان سنایی

دو درجه بالاتر از پایین‌ترین دمای ممکن طبیعت و در محیطی که گویی سیر زمان نیز انجماد یافته؛ استمرار جریان بی‌آرام خونی حیات‌‌بخش در رگ‌های پولادین شتاب‌دهنده‌های عظیم است که ستون‌های سترگ دانش‌مان از جهان آشوبناک ذرات بنیادین را برپانگه داشته است.

این خون بی‌رنگ، همان هلیوم مایع است. همچنان‌که ذخیره‌ی جهانی این گاز کمیاب تدریجاً رو به اتمام نهاده؛ فیزیک‌دانان زمین بایستی گام‌های بلندی را جهت حفظ این عنصر تعیین‌کننده در انجام آزمایشات بزرگ‌مقیاس فیزیکی برداشته؛ و یا راهی برای گذران آینده‌ای مطلوب، بی‌وجود هلیوم بیابند.

آماده‌سازی یک بالون تحقیقاتی هلیومی، جهت صعود بر فراز قاره‌ی سپید جنوبگان

این مایع بی‌رنگ و ابرسیّال، همچون روحی حیات‌بخش، هزاران آهنربای دوقطبی مستقر در گرداگرد شاهراه مدور و ۲۷-کیلومتری ابرتصادم‌گر هادرونی (LHC) و دیگر شتاب‌دهنده‌ها چون «تِواترون» ایالت ایلیونز آمریکا را زنده نگه داشته است.

بارزترین نقش غیرمستقیم هلیوم مایع در این شتاب‌دهنده‌ها، هدایت ذرات بنیادین سرگردان در تونل به سوی مسیر صحیح است و همین خصیصه، این مایع را جزء لاینفک ساختار ده‌ها شتاب‌دهنده در سرتاسر زمین ساخته است. فرآیند سردسازی تأسیسات فراوانی که شتاب‌دهنده‌ تنها یکی از آنهاست، بالغ بر ۲۸ درصد از نیاز هلیوم ایالات متحده را به خود اختصاص داده که نیمی از آن مربوط به حفظ برودت دستگاه‌های عظیم‌الجثه‌ی «تصویربرداری تشدید مغناطیسی» یا MRI است.

بالن‌های غول‌پیکر هوای داغی که به‌منظور ثمررسانی پژوهش‌های فراوان محققین در حوزه‌هایی چون هواشناسی و اخترشناسی، روانه‌ی ده‌ها مایل بالاتر از آسمان آبی می‌شوند، سامانه‌ی ایربگ خودروها، جوش‌کاری، تشخیص نقطه‌ی نشتی لوله‌ها، آمیزه‌های گازی کپسول‌های تنفسی غواصان و شاتل‌های فضایی ایالات متحده؛ تماماً از نمونه‌های برجسته‌ی کاربری فراوان گاز هلیوم‌ می‌باشد.

در اوایل قرن بیستم، معدنچیانی که به استخراج گاز طبیعی مشغول بودند، دریافتند که هلیوم تحت فرآیند واپاشی رادیواکتیو عناصری چون اورانیوم و توریوم از اعماق زمین به بیرون نشت کرده و با نسبت‌ اندکی همواره با گاز طبیعی درهم‌آمیخته است.

گاز با ناخالصی هلیومی 3%، اغلب مطلوب ارزیابی می‌شود. هرچند استخراج هلیوم از گاز طبیعی کار آسانی است، اما پیمانکاران حفاری اغلب از آن به‌منظور استحصال گاز و یا هدایت آن به درون مخازن زیرزمینی بهره می‌برند.

وزن بسیار اندک هلیوم، موجب صعود سریع و نهایتاً خروج کامل آن از مرزهای جو زمین می‌شود. این تنها ویژگی این گاز گریزپا نیست. هلیوم بعنوان دومین عنصر سبک کیهان، آزادی خود را تقریباً در هر مکانی، از محیط به‌ظاهر خلل‌ناپذیر بالن‌ها گرفته تا قلب متلاطم سنگین‌ترین ستارگان، تضمین‌شده می‌یابد و حتی قادر به عبور از میان برخی شیشه‌هاست!

ذخیره‌ی طبیعی هلیوم سیاره‌ی ما نیز همچون نفت و گاز و زغال سنگ، نهایتاً اتمام خواهد یافت. هرچند جامعه‌ی فیزیک از چنین معضل قریب‌الوقوعی آگاه است، «تام پترسون»، مهندس سیستم‌های برودتی آزمایشگاه «فرمی‌لب» ایالات متحده، به سردرگمی فیزیک‌دانان اذعان می‌کند.

«سرگ کلاودت» نیز هلیوم را «گازی بسیار دلپذیر» توصیف می‌کند. او که سرپرست تیم اداره‌کننده‌ی تشکیلات بردوتی ابرتصادم‌گر هادرونی است، مجموعه‌‌شرایط ویژه‌ای که برای تخصیص لقب «دلپذیر» به هلیوم نیاز است را برمی‌شمرد.

مخازن هلیومی که جهت عملیات سردسازی در شتاب‌دهنده‌ی LHC به کار می‌روند / Leo Koivulehto

گاز آرام هلیوم، غیرقابل احتراق است و این ویژگی حائزاهمیتی برای تأسیساتی است که حجم فراوانی از آن را انبار می‌کنند. هلیوم، در کنار نئون، کریپتون، آرگون، زنون و رادون، در رده‌ی گازهای «نجیب» دسته‌بندی می‌شود و عدم تمایل به برقراری واکنش‌‌های شیمیایی (که سوختن یکی از آنهاست)، امکان پاک‌سازی بسیار آسان آن را از هر محیطی فراهم می‌کند.

این گاز، تنها عنصری است که در نزدیکی صفر مطلق (در حدود ۲۷۳- درجه‌ی سلسیوس) مایع است و در سرمایی اینچنین تصورناپذیر، تنها با اعمال فشار فراوان منجمد می‌شود.

طبیعت فوق‌سرد هلیوم، به‌علاوه آن را انتخابب بی‌نقص – و گاهاً تنها انتخاب ممکن - در نیاز به ابررسانایی ساخته است. در دماهای فوق‌سرد، عناصر و ترکیبات ویژه‌ای چون مس، آلومینیوم، نیوبیوم و تیتانیوم؛ تمامی مقاومت الکتریکی خود را از دست می‌دهند.

در چنین شرایطی که الکترون‌های آزاد فلز مزبور بی‌هیچ مانعی جریان می‌یابند؛ بهره‌وری الکتریکی تأسیسات به ۱۰۰ درصد می‌رسد. سیم‌پیچ‌های ابررسانا، آهنرباهای خارق‌العاده‌ای را شکل می‌دهند که قدرت میدان مغناطیسی‌شان در قیاس با نمونه‌های معمول، دیوانه‌کننده است.

با چنین قدرتی است که دانشمندان توان هدایت اشعه‌ی ذرات عبوری از تونل شتاب‌دهنده‌ها که با سرعتی نزدیک به نور، هزاران بار در ثانیه این مسیر حلقوی را طی می‌کنند، را کسب نموده‌اند. ابقای این دماها نیازمند مایع سردکننده‌ای است که با جریان در گرداگرد آهنربا، گرمای اضافی را جذب نموده و از سامانه دور کند.

تشکیلات سردساز هلیومی آزمایشگاه فرمی‌لب، با نیرویی معادل ۱۰ هزار اسب بخار، ده‌هزار لیتر هلیوم مایع را سرد می‌کند؛ حجمی تقریباً معادل دو اتوبوس آکوردئونی. هلیوم مایع آنگاه توسط لوله‌هایی از جنس فولاد ضدزنگ، که از معدود مواد مقاوم در دمای ۱.۸ کلوین یا ۲۷۱.۴- درجه‌ی سلسیوس است؛ از سامانه به سوی شتاب‌دهنده جریان می‌یابد.

پترسون و دیگر اعضای تیم تبرید، لوله‌ی مزبور را درون لوله‌ی خلأ دیگری که آن نیز با لوله‌‌ای که خود از سپر حرارتی‌ای از جنس مس پوشیده شده، محصور کرده‌اند. این مجموعه بار دیگر توسط سپر حرارتی ثانویه‌ای دربرگرفته شده و کلیه‌ی تأسیسات نام‌برده نهایتاً درون یک محفظه‌ی خلأ جوشکاری‌شده از جنس فولاد، مهر و موم شده‌ است. به زبان ساده، این نهایت آرزوهای یک فلاسک خانگی است!

پترسون می‌گوید: «هلیوم مایع همچون آب و برق، از نیازهای بنیادین تولید اشعه‌ی ذرات است. زمانی‌که خنک‌کننده‌ها در دسترس‌اند، تکنیسن‌ها اغلب به فکرش نیستند؛ اما زمانی‌که ناپدید شود، همه متوجه می‌شوند».

بر روی کاغذ اصولاً سامانه‌ای که هلیوم را در تأسیساتی چون شتاب‌دهنده‌ی تواترون منتقل می‌کند، هیچگاه نیازمند جبران ذخیره‌ی هلیومی‌اش نیست. وظیفه‌ی این سامانه‌ تنها انتقال هلیوم سرد به سوی اهداف تعیین‌شده و خروج گرمای اضافی از تأسیسات مزبور و استمرار دیگربار همین چرخه است. اما محل اتصال لوله‌های چندین کیلومتری، و نیز شکاف‌های موئین موجود در تونل که اغلب از چشم مهندسین نادیده انگاشته می‌شود؛ گذرگاه فرار خوبی برای این گاز گریزپاست.

موادی که اغلب جهت مهر و موم‌سازی مفاصل لوله‌ها به‌کار می‌روند، در دمای ۱.۸ کلوین ترد می‌شود و اینچنین است که تیم تبرید اغلب اوقات به دنبال کشف نقاط نشتی‌ است.

ذخایر «آزمایشگاه ملی بروکهیون»، حاوی ۵۰ ‌هزار لیتر هلیوم مایع است که سالیانه ۲۰ درصدش از دست می‌رود. پس از توقف ناخواسته‌ی ابرتصادم‌گر هادرونی در سال گذشته و سردسازی مجدد و نهایتاً راه‌اندازی‌ آن در اواسط پاییز سال جاری، نشتی هلیوم تأسیسات غول‌آسای این شتاب‌دهنده در حدود ۲۵ تا ۳۰ درصد برآورد شد. هلیوم از دست رفته، به ندرت بازیابی می‌شود.

قطع ناخواسته‌ی برق تأسیسات نیز موجبات افزایش دمای هلیوم فوق‌سرد را فراهم می‌آورد و نتیجتاً گاز سبک آنچنان منبسط می‌شود که محفظه‌های خلل‌ناپذیر موجود نیز حتی قادر به پیش‌گیری از نشت آن به بیرون نمی‌شوند.

دولت ایالات متحده در سال ۱۹۲۵، دسترسی به هلیوم را انحصاری ساخته و این گاز گرانبها را در مرکز «ذخیره‌سازی فدرال هلیوم» در «آماریلو»ی تگزاس انبار کرد. در دهه‌ی ۹۰ اما دولت به‌منظور کاهش هزینه‌های انبارداری، آغاز به فروش این گاز نمود.

کشمکش‌ها میان آنهایی که طرفدار اجرایی شدن این تصمیم و عده‌ای که نگران از اتمام ذخایر هلیومی‌اند، همچنان ادامه دارد؛ اما با این وجود هزینه‌های ملی نگه‌داری هلیوم، در ۳ سال گذشته دو برابر شده است.

در سال ۲۰۰۷، چندین تصفیه‌خانه‌ی جدید در ایالات متحده به دلیل زنجیره‌ای از تعلّلات، طبق برنامه راه‌اندازی نشدند و همین امر کافی بود تا کاربران عمده‌ی این گاز، کمبود پدیدآمده را احساس کنند. «روبرتو تان»، متخصص تبرید آزمایشگاه بروکهیون می‌گوید که کارپرداز آزمایشگاه هشدارهایی مبنی بر امکان عدم تحویل به‌روز گاز داده و بعید نیست که آزمایشگاه در آینده‌ای نزدیک اعلام توقف کند. او می‌گوید:

«هنوز هم می‌توانیم آن را در موقع مناسب به دست آوریم»، تا «برخورددهنده‌ی یون‌های سنگین نسبیتی» (RHIC) به‌موقع آغاز به کار کند. هر چند متخصصین می‌دانند که هلیوم نه به کمیابی زنون و نه به وفور نیتروژن یافت می‌شود؛ اما برآورد مقادیر باقیمانده‌ی آن در اعماق زمین برایشان فوق‌العاده سخت است و نمی‌توانند اطلاعات پرجزئیاتی از میزان هلیوم جذب‌شده توسط شرکت‌های حفاری گاز به دست آورند. ممکن است تنها در ۳۰ سال آینده، تولید جهانی هلیوم به اوج خود رسیده و از آن پس آغاز به افول کند.

یکی از مخازن هلیومی آزمایشگاه فرمی‌لب ایالت ایلیونز

هر چند این امر اهمیت مستقیمی در آینده‌ی نزدیک نخواهد داشت؛ اما کلاودت می‌گوید که جامعه‌ی فیزیک‌دانان ذرات، توجه خود را معطوف به ذخیره‌سازی هلیوم نموده‌اند. وی پیشرفت‌ فرآیندهای بازیابی هلیوم از دست‌رفته را در ۳۰ سال گذشته امیدوارکننده می‌داند.

تأسیسات وسیعی چون CERN، فرمی‌لب و DESY، همواره نیاز هلیوم مایع‌شان را خود تأمین می‌نمایند و تلاش‌هایشان را مبنی بر بازیابی مجدد آن افزایش داده‌اند. او اینچنین اضافه می‌کند: «در CERN، ما بر روی تقلیل تلفات، کار کرده و در تلاش برای افزایش ذخایر و عدم وابستگی [به بازار هلیوم] هستیم».

اما فناوری‌های نوین ممکن است این روند را تغییر دهند. معدن «سودان» در ایالت مینه‌سوتا، میزبان «آزمایشگاه برودتی جستجو برای ماده‌ی تاریک» (CDMS)¹ در عمق ۸۰۰ متری زیر زمین است. فیزیک‌دانان در چنین جایی که به‌خوبی از بمباران پرتوهای کیهانی² در امان است، به عبور ذرات بنیادین ماده‌ی تاریک امید بسته‌اند. جهت کاهش هرچه بیشتر مزاحمت‌های گرمایی، آن‌ها حسگرهای ژرمانیومی و سیلیکونی را با استفاده از هلیوم مایع‌ سرد می‌کنند.

در می ۲۰۰۹، دانشمندان معدن سودان سردکننده‌ی هلیومی جدیدی را موسوم به «کرایوکولر» از تنها دریچه‌ی تنگ معدن عبور داده و آن را برای نخستین بار به کار گرفتند؛ تقطیرکننده‌‌ی هلیومی کوچکی که ابعادی در حدود یک یخچال خانگی داشته و کمتر از یک پنجم یک تقطیرساز عادی هزینه برمی‌دارد.

«دن باور»، مدیر پروژه‌ی CDMS معتقد است که استعمال ۶۰ لیتر هلیوم مایع در روز، هرگز به اندازه‌ی یک تقطیرساز رایج هزینه برنمی‌دارد؛ به‌خصوص آنکه تأسیسات قدیمی‌تر اغلب هر چند هفته نیازمند بازبینی‌اند و این در حالی است که کرایوکولرها به طرز بی‌نقصی برازنده‌ی معدن سودان بوده و هر یک یا دو سال به بازبینی نیاز دارند.

پترسون هم‌اکنون بر روی پروژه‌ی «برخورددهنده‌ی خطی بین‌المللی» کار می‌کند که آن نیز همچون نمونه‌های کنونی‌اش وابسته به هلیوم است؛ اما تا زمان ساخت و راه‌اندازی آن، فیزیک‌دانان نیازمند بررسی جایگزین‌های مناسب‌ترند.

ابررساناهای گرم، یک احتمال است. دانشمندان سرسختانه به دنبال کشف راز ابررسانایی‌اند و امیدوارند این ویژگی‌ها را در موادی با دماهای نه‌چندان قابل توجه بیابند تا از عناصری چون نیتروژن مایع نیز بتوان به‌عنوان سردکننده استفاده کرد.

نیتروژن، گازی ارزان‌تر از هلیوم بوده و در حدود ۸۰ درصد از حجم هوایی که تنفس می‌کنیم را به خود اختصاص داده است. به‌علاوه این گاز نه اشتعال‌پذیر است و نه همچون هیدروژن منفجر می‌شود. به‌هرحال، تا به امروز هیچ ابررسانای گرمی شناخته نشده که بتوان آن را جایگزین نمونه‌های فعلی به‌کاررفته در شتاب‌دهنده‌های کنونی نمود.

تلاش برای ذخیره‌سازی هلیوم، همچنان در تأسیسات بزرگ در حال رشد و توسعه بوده و فیزیک‌دانان و مهندسین نیز از سویی به دست‌یابی به فناوری‌های نوین امید بسته‌اند. هرچند آهسته، اما به‌یقین فیزیک انرژی‌های بالا در حال آماده شدن برای رویارویی با آینده‌ای با هلیوم کمتر است.

پانوشت:

۱- ر.ک. «جهان پر از تاریکی است»

۲- ر.ک. «ذره‌ی oh-my-god»