آرزو کیهان
گروه علم و فناوری

دامنه پژوهش‌های فضایی هر روز گسترده‌تر می‌شود و دانشمندان و فعالان این حوزه به دنبال یافتن اسرار همه سیاره‌های منظومه شمسی هستند اما یکی از بزرگترین مشکلات آنها برای فرود کاوشگرها بر سطح سیاره‌های نزدیک‌تر به خورشید و جمع‌آوری داده‌ها، دمای بالای این سیاره‌هاست؛ مشکلی که به نظر می‌رسد پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیای جنوبی آن را حل کرده‌اند.

ساخت قطعه مقاوم به دمای گدازه‌های آتشفشانی
مهندسان ناسا سال‌هاست که در تلاش‌ برای ساخت کاوشگر و دستگاه‌های الکترونیکی هستند که بتوانند در جهنم واقعی سطح سیاره زهره(ونوس) که دمایی بیش از ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد دارد، دوام بیاورند. دستگاه‌های الکترونیکی معمول در دمای حدود ۲۰۰ درجه سانتیگراد از کار می‌افتند و همین محدودیت، پیشرفت مأموریت نسل‌های مختلف کاوشگرهای زهره را متوقف نگه داشته است. فشار موجود بر سطح این سیاره، معادل غوطه‌وری در عمق یک کیلومتری اقیانوس است و حرارت آن، بیشتر فلزات را به سرعت ناپایدار می‌سازد. تاکنون تمام کاوشگرهای روسی سری «ونرا» که بر سیاره زهره نشسته‌اند، تنها چند ساعت پس از فرود، از شدت گرما از کار افتاده‌اند چراکه تراشه‌ها، حافظه‌ها و سیستم‌های کنترل الکترونیکی در دمای بیش از ۲۰۰ تا ۲۵۰ درجه، کارآیی خود را از دست می‌دهند.
اکنون اما خبر امیدوارکننده‌ای از دانشگاه کالیفرنیای جنوبی منتشر شده است؛ تیمی از پژوهشگران این دانشگاه به سرپرستی پروفسور «جاشوا یانگ» موفق شده‌اند قطعه‌ای بسازند که تا ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد بدون کوچک‌ترین نشانه خرابی کار می‌کند. این دما بالاتر از گدازه‌های مذاب و حتی داغ‌تر از محیط کشنده سیاره زهره است.
این گرافن تاب آور
این قطعه در واقع نوعی «ممریستور» (مقاومت حافظه‌دار) است که هم اطلاعات را ذخیره‌ می‌کند و هم قادر به انجام عملیات محاسباتی است. ساختار این قطعه الکترونیکی و تراشه، شبیه یک ساندویچ کوچک و شامل دو لایه الکترود در دو طرف و یک لایه سرامیکی نازک در میان آن است. پژوهشگران در این نمونه، الکترودها را از جنس تنگستن، فلزی با بالاترین نقطه ذوب در میان عناصر ساخته‌اند. لایه میانی سرامیکی این ممریستور هم از اکسید هافنیوم تشکیل شده که پایداری حرارتی بالا دارد و در زیر آن، لایه‌ای از گرافن قرار گرفته است؛ گرافن لایه‌ای به ضخامت تنها یک اتم از کربن است.
ترکیب این سه ماده، به شکل غیرمنتظره‌ای مقاوم از کار درآمده که البته پژوهشگران راز آن را در گرافن می‌دانند. در دستگاه‌های معمولی، گرما باعث مهاجرت تدریجی اتم‌های فلزی از میان لایه سرامیکی می‌شود و در نهایت، اتصال کوتاه و نابودی دائمی تراشه را رقم می‌زند. اما گرافن، این جریان ناخواسته را متوقف می‌کند. به گفته محققان شیمی، سطح این تراشه با تنگستن رفتاری شبیه «روغن و آب» دارد؛ اتم‌های تنگستن که از گرما رانده می‌شوند، نمی‌توانند روی گرافن لنگر بیندازند و بنابراین اتصال کوتاه شکل نمی‌گیرد. پژوهشگران با بهره‌گیری از میکروسکوپ الکترونی پیشرفته و شبیه‌سازی‌های کوانتومی، جزئیات این رفتار را واکاوی کرده و یک کشف تصادفی را به یک اصل قابل تکرار تبدیل کردند.

از حفاری‌های زمین گرمایی تا ساخت رایانه بدون سیستم خنک کننده
نیاز به این تراشه مقاوم به گرما تنها به فضا محدود نمی‌شود و در زمین نیز برخی صنایع بزرگ با مشکلات مربوط به دما دست به گریبان هستند. حفاری‌های زمین‌گرمایی برای استخراج انرژی پاک از اعماق زمین، نیازمند حسگرهایی است که در محیط‌هایی با دمای ۳۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد دوام بیاورند؛ جایی که ابزارهای معمولی در عرض چند دقیقه تخریب می‌شوند و در عمل امکان اندازه‌گیری پیوسته وجود ندارد. در نیروگاه‌های هسته‌ای و بویژه سامانه‌های همجوشی، بخش‌هایی مانند کنترل راکتور یا حسگرهای نظارتی هم  باید در نزدیکی منابع حرارت شدید کار کنند و در صورت افزایش فاصله با نقطه تولید انرژی، شاهد کاهش دقت و افزایش ریسک خواهیم بود. آنچه این فناوری جدید را متمایز می‌کند، این است که اطلاعات را بدون نشت و بدون تغییر رفتار ذخیره و بازیابی می‌کند. در حالی که بسیاری از نمونه‌های پیشین حتی اگر به فرض در مدت زمان کوتاهی در دمای بالا «دوام» می‌آوردند، به مرور عملکردشان افت می‌کرد یا دیگر قابل استفاده نبودند. این پژوهشگران معتقدند حالا دیگر «قطعه گمشده» پازل، ساخته شده و ممریستورهای جدید می‌توانند ذخیره‌سازی و عملیات منطقی را همزمان انجام دهند. از نگاه آنان، هرچند مسیر تبدیل این فناوری از یک نمونه آزمایشگاهی به تراشه‌ای صنعتی و قابل استفاده در مأموریت‌های واقعی هنوز طولانی است اما این یافته، راه را برای ساخت رایانه‌هایی باز خواهد کرد که نه نیاز به سیستم خنک‌کننده دارند و نه در زیر فشار و حرارت شدید، رفتار غیرقابل‌ پیش‌بینی نشان می‌دهند. به اعتقاد آنان، این پیشرفت می‌تواند راه را برای ساخت فرودگرهایی باز کند که بتوانند روزها یا حتی هفته‌ها روی سطح زهره کار کنند یا سیستم‌های صنعتی‌ای ‌ساخته شود که در دمای جهنمی نیز نظارت لحظه‌ای دقیق و پایدار ارائه دهند.