فيزياء البلازما

*** عدد الرسائل : 302 ** : تاريخ التسجيل : 16/05/2008

فيزياء البلازما
البلازما هي حالة خاصة من حالات المادة الأربعة
وتطلق على المادة المحتوية على كمية معينة من الجسيمات الأولية المشحونة كهربائياً ( الأيونات ، الغاز المتأين )
أي أن الالكترونات تكون منفصلة تماما عن نوياتها
تعطي هذه الحالة للمادة خواصا كهربائية وسلوكاً خاص
وأهمية كبرى في مختلف مظاهر حياتنا اليومية .

ماهية البلازما
يطلق مصطلح البلازما عادة على الحالة الرابعة من الحالات التي توجد بها المادة في الوجود .
-الحالة الأولى : الحالة الصلبة .
-الحالة الثانية : الحالة السائلة .
-الحالة الثالثة : الحالة الغازية .

فإذا قمنا بتسخين المادة الصلبة، ستتحول الى حالة سائلة
واذا تم تسخينها وهي سائلة، ستتحول الى حالة غازية
وعادة ما يتكون الغاز من ذرات أحادية الشحنة أو جزيئات متطايرة ثم تتصادم ببعضها بعضا.
واذا قمنا باكساب الغاز طاقة
(عن طريق تسخينه أو تمرير تيار كهربائي مرتفع أو ضوء ليزر كثيف من خلاله)
فان بعض الذرات تكتسب طاقة كافية لتحرير الكترون سالب الشحنة ليصبح ذا شحنة كهربية موجبة.

ففي الأحوال العادية تكون الذرة مستقرة لا تصدر أي إشعاع
لكن يمكن لهذه الذرات أن تثار بإعطائها طاقة بأكثر من طريقة
مثل التسخين ، أوتسليط الإشعاع عليها
وتبقى في حالة الإثارة فترة زمنية من رتبة 10^-8 من الثانية ؛أي جزء من مائة مليون من الثانية
وبعد ذلك تعود إلى حالتها الأساسية
مصدرة الطاقة التي اكتسبتها أثناء عملية الإثارة
على هيئة إشعاع كهرطيسي ، أو جسيمات أولية
كما ويمكن أن تتحول الذرة إلى ( أيون Ion ) وذلك باقتلاع إلكترون أو أكثر من إلكتروناتها .
وإذا فقدت الذرة إلكتروناتها كلها وصارت الإلكترونات تتحرك بحرية مع نوى الذرات
دون أن ترتبط بها قلنا أن المادة تحولت إلى حالة البلازما .

فالمادة إما أنها صلبة مثل الحديد والتراب
أو سائله كالماء والزيت
أو غازية كالهواء والغازات الأخرى المعروفة
أو بلازما
والبلازما إما أنها باردة مثل حالة الغاز في لمبة النيون المشتعلة
أو حارة كما هو الحال في الشمس والنجوم الأخرى المشتعلة التي تبنى منها المجرات.

خواص حالة البلازما

تشكل البلازما وسطاً ناقلاً من الجسيمات المشحونة ، الناقلة للتيار الكهربائي والمولدة للحقول المغناطيسية .
تعتبر حالة البلازما هي الحالة الأكثر شيوعا للمادة
التي تضم 99% من الكون المرئي لدينا ، وتشمل حالة جميع النجوم و المجرات .

يوجد في الحقيقة مجالين جوهريين لدراسة حالة البلازما:
-المجال الأول وهو الحالة الأعم للبلازما التي تتضمن الحركة الالكترونية
( الحركة الأيونية ) في المجال المايكروني من المرتبة (10^-6 )ودونه .
-المجال الثاني يغطي معظم مجالات الفيزياء التي يمكن تطبيقها في الفضاء ( قوانين الطاقة والكثافة ) .
من جهة أخرى ، نجد أن بلازما الكواركات واللبتونات ( Quark-gluon plasmas )
التي على الرغم من وجودها ضمن حقل قوى جذب هائل
الناتج عن الحقل الإلكترومغناطيسي الناتج عن شحناتها
فإن (هذه البلازما ) تتميز بحالة نووية ذات كثافة مادية هائلة .

وبالنسبة للحرارة ( الطاقة ) فإن بعض أنواع البلازما التي تتميز بــ الحالة الكريستالية
وتنتج في المختبرات ، تملك درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق(0 كالفن = -237 ْ سيلسيوس )
خلافا لذلك ، تمتلك البلازما الكونية ( الفضائية ) طاقة حرارية تصل لدرجة حرارة تتجاوز (10^+8 كلفن )
والأشعة الكونية ( والتي هي نوع من البلازما التي تمتلك إشعاعات جيروسكوبية( لولبية ) هائلة )
تم رصد طاقة إشعاعاتها الهائلة التي تفوق الى حد بعيد قدرات الإشعاع
التي تسعى لإنتاجها جميع مختبرات الإنسان المتطورة الحالية .

وبسبب ناقلية حالةالبلازما من المادة واستجابتها للحقل الكهربائي والمغناطيسي
وباعتبارها تشكل منابع فعالة للإشعاعات المختلفة
ظهرت لها تطبيقات عديدة جدا تكاد تكون غير محدودة ، وفي مختلف العلوم .

التطبيقات التكنولوجية العملية للبلازما

* جهاز الدفع الصاروخي بالبلازما
البلازما عبارة عن تجمع من جسيمات سالبة (الكترونات) وأخرى موجبة (أيونات)
وهي بذلك تمتلك خواص تختلف اساسا عن التي يمتلكها الغاز المحايد (ليس له شحنة كهربية)
ويمكن التحكم في البلازما عن طريق المجال المغناطيسي.
كما أنها موصل جيد للكهرباء، فعند تمرير تيار كهربائي خلال البلازما واستخدام المجال المغناطيسي
يمكن بذلك اخضاع البلازما لقوة كهرومغناطيسية مشابهة لتلك التي يعمل بها المحرك الكهربي
وهذه القوة يمكن استخدامها بشكل فعال لزيادة سرعة البلازما
ودفعها بسرعة عالية جدا قد تصل الى 60 كيلومترا في الثانية
وبهذه الطريقة يتم انتاج قوة دفع يمكنها دفع أي مركبة فضائية في الفضاء

يطلق على هذا الجهاز الذي يقوم بتوليد وتسريع البلازما اسم
صاروخ البلازما أو محرك البلازما أو «جهاز الدفع بالبلازما» Plasma Thruster
وهو عبارة عن صاروخ كهربائي لاعتماده على الطاقة الكهربية بدلا من احتراق الوقود.
ويركز مختبر الدفع بالبلازما على دراسة الفيزياء المعقدة للبلازما وتطوير أنواع مختلفة من صواريخ البلازما.

وبالنسبة الى أهمية تقنية الدفع بالبلازما في المركبات الفضائية
فإن معظم الصواريخ المستخدمة حاليا في الفضاء
هي صواريخ كيميائية (بوقود كيميائي) تعتمد على عملية الاحتراق
أي تحرق الوقود السائل داخل حجرة الاحتراق لإنتاج غاز كهربي محايد
يخرج كعادم من الصاروخ بسرعة لا تتجاوز 3 كيلومترات في الثانية.
وكلما كانت سرعة الغاز الخارج من الصاروخ عالية
قلت نسبة الوقود المستخدم لدفع مركبة فضائية من مكان لآخر في الفضاء
ولذا نحتاج الى عدة أطنان من الوقود لإرسال مركبة فضائية كبيرة مأهولة أو على متنها معدات ثقيلة.

أما اذا استخدمنا صاروخ البلازما الذي تصل سرعة العادم فيه الى 60 كيلومتراً في الثانية
فان وزن المادة الدافعة يمثل جزءا صغيرا بالمقارنة بتلك التي يستخدمها الصاروخ الكيميائي.
ولابد من الاشارة الى أن صواريخ البلازما تستخدم فقط في محيط الفضاء الخارجي
أي عند وصول المركبة الى المدار المخصص لها
لأننا ما زلنا نعتمد على عملية الدفع الكيميائي لإطلاق المركبات الفضائية من على سطح الأرض.

وقد ساعد استخدام الدفع بالبلازما في المدارات
على توفير قدر هائل في كمية المادة المستخدمة في عملية الدفع والتي يجب اطلاقها
وهذا يعني توفيرا كبيرا في تكلفة عملية الاطلاق
اذ تصل تكلفة اطلاق كيلوغرام واحد من هذه المادة ما بين 20 الى 200 ألف دولار.

وتعتبر المركبة الفضائية Deep Space-1 التابعة لـ«ناسا» التي أطلقت عام 1998م
أول مركبة تستخدم صواريخ البلازما
وقد حققت مهمتها بنجاح باهر
حيث مكن المحرك الأيوني المركبة من السفر لمسافة 320 مليون كيلومتر
ومن اعتراض أحد الكويكبات السيارة وأحد المذنبات، وقد استهلكت 80 كيلوغراما فقط من الوقود.
منقول