في السنوات الأخيرة، أصبح المغناطيس المتواضع عنصراً ضرورياً لعدد من الصناعات الحديثة، من السيارات الكهربائية إلى توربينات الرياح، إذ يمثل لبنة بناء عالية التقنية ستحقق الثروات.

قبل الثورة الصناعية، كانت الأجسام الوحيدة التي تمتلك خصائص مغناطيسية دائمة هي أحجار المغناطيس: قطع من أكسيد الحديد الأسود. وتتكون «الأحجار» من ثلاثة أجزاء من الحديد إلى أربعة أجزاء من الأكسجين، إلى جانب القليل من المكونات الأساسية الأخرى، بما في ذلك الألومنيوم والتيتانيوم والمنجنيز. في مرحلة ما من العصور الوسطى، تم اكتشاف أن فرك إبرة حديدية على حجر المغناطيس يكتسب الإبرة أيضاً قوى مغناطيسية.

يمكن القول إن هذا الاكتشاف، الذي أدى إلى اختراع البوصلة، كان أول استخدام عملي للمغناطيس (على الرغم من أنه من الجدير بالذكر أن بعض أطباء العصور الوسطى اعتقدوا أيضاً أن المغناطيس يمكن أن يعالج الصلع – أو يعمل كمنشط). وفي القرنين 18 و19، اكتشف العلماء أن تياراً كهربائياً يمر عبر سلك يضفي خصائص مغناطيسية على معادن معينة. وجدت «المغناطيسات الكهربائية» الناتجة لها مكاناً في مجموعة من التطبيقات الصناعية. لكنها كانت تعمل فقط عند تشغيل الطاقة، مما حد من فائدتها وحفز البحث عن مغناطيسات «دائمة» أخرى. جاءت التطورات الأولى في مغناطيسات الحديد الأساسية مع تطوير سبائك الصلب المصممة داخل مجال مغناطيسي. تتمتع هذه السبائك بقدرة مغناطيسية أكبر بكثير من أحجار المحجر العادية، كما تم قياسها بوساطة وحدة تُعرف باسم «أورستيد» oersteds (سميت على اسم العالم الفيزيائي الدنماركي هانز كريستيان أورستد).

لكنها كانت لا تكفي لأن تلعب دوراً موثوقاً به في أي نوع من المحركات الكهربائية. وفي عام 1918، أخذت اليابان بزمام المبادرة، وبحلول الثلاثينيات من القرن الماضي طورت جيلاً جديداً من المغناطيس الدائم عن طريق تخمير الحديد العادي بالألمنيوم والنيكل والكوبالت، وتم ثقب هذه المغناطيسات الضخمة فوق وزنها، مما أدى إلى إنتاج 400 وحدة أورستيد مقارنة بـ 50 حجر مغناطيس بسيط. ثم تبين أن تلدين هذه السبائك في مجال مغناطيسي ضاعف من قوتها. يمتلك العالم الآن مغناطيسات دائمة يمكن أن تحل محل المغناطيسات الكهربائية. في حقبة ما بعد الحرب العالمية الثانية، سرعان ما وجدت هذه المغناطيسات الجديدة دوراً متزايداً في كل شيء من المحركات الكهربائية إلى أجهزة الاستشعار ومقاييس الوقود والميكروفونات والأجهزة الأخرى.

في عام 1958، وصل عالم مواد نمساوي يُدعى «كارل جي سترنات» إلى الولايات المتحدة لمساعدة القوات الجوية على تطوير مغناطيسات أكثر قوة لصواريخها وطائراتها المتطورة. «سترنات» امتلك خبرة في مجموعة مقصورة على فئة معينة من العناصر تعرف باسم المعادن الأرضية النادرة، وهي عبارة عن 15 عنصراً تعمل في خط أفقي أسفل الجدول الدوري الأساسي، بدءاً من اللانثانوم وتنتهي باللوتيتيوم.

على الرغم من أنها ليست نادرة بشكل خاص، إلا أنه كان من الصعب معالجة هذه العناصر النادرة. لكن الأساليب الجديدة المستوحاة من مشروع مانهاتن مكّنت الكيميائيين من استخراج العناصر الأرضية النادرة الفردية بكميات كبيرة.

وأصبح سترنات وزملاؤه مقتنعين بأن العناصر تعد بجيل جديد من المغناطيس. لكن للأسف، بدأت العناصر تفقد قوتها المغناطيسية عندما اقتربت من درجة حرارة الغرفة، مما حد من فائدتها. ولكن ماذا لو تم دمج العناصر الأرضية النادرة مع عنصر آخر مثل الكوبالت؟ هذا الاكتشاف – الذي يتعلق «بتباين الخواص المغنطيسية في مركبات الكوبالت بين المعادن الأرضية النادرة» – يبرز كواحد من أعظم الإنجازات في علم المواد الحديثة. وجد سترنات وشركاؤه طريقة لصنع مغناطيس أرضي نادر يمكن توظيفه.

إذا كان هناك أي عدالة في الكون، فستكون هناك تماثيل لسترنات في وادي السيليكون ومراكز أخرى عالية التقنية. ففي غضون بضع سنوات قصيرة، طور مختبره وغيره من المختبرات التي تم تنشيطها من خلال الاكتشاف مجموعة من المغناطيسات الأرضية النادرة الجديدة.

بعض هذه العناصر، مثل SmCo5 – الذي يتكون من جزء واحد من السماريوم وخمسة أجزاء من الكوبالت - سجل 25000 درجة بمقياس أورستيد. فتح تطوير مغناطيس «نيوديميوم»، من عناصر أرضية نادرة أكثر قوة في أوائل الثمانينيات، الباب أمام المزيد من التطبيقات. أصبحت المغناطيسات الأرضية النادرة موجودة في كل مكان، في الإلكترونيات وأنظمة الأسلحة والهواتف المحمولة والكاميرات الرقمية ومحركات الأقراص الصلبة، وأخيراً وليس آخراً، المحركات التي تشغل السيارات الكهربائية.

ولكن كانت هناك مشكلة. أثبت تعدين وتنقية العناصر الأرضية النادرة عملاً فوضوياً، مما أدى إلى توليد الكثير من النفايات والملوثات. كان من الأسهل بكثير الاستعانة بمصادر خارجية للإنتاج في الصين، موطن بعض أغنى الرواسب الأرضية النادرة في العالم. لم تكن هذه مشكلة بعد نهاية الحرب الباردة، عندما وصلت العولمة إلى مستويات غير مسبوقة.

الآن، فإن زيادة التوترات مع الصين تهدد موثوقية الإمدادات. يكمن جزء من الحل في زيادة إنتاج العناصر الأرضية النادرة في الولايات المتحدة، ولكن إذا أردنا تقليل اعتمادنا على هذه العناصر النادرة مع إنتاج ما يكفي من المغناطيس لتلبية الطلب المتزايد، فسنحتاج إلى جولة جديدة من الابتكار. وهي جارية بالفعل - على الأقل من الناحية النظرية. تُظهر مركبات الحديد والنيكل - خاصةً التيتراتينيت - وعداً كبيراً كمواد خام لمغناطيس جديد في القرن 21.

ستيفن ميهم*

أستاذ التاريخ بجامعة جورجيا.

ينشر بترتيب خاص مع خدمة «واشنطن بوست لايسينج آند سينديكيشن»