لقد تعلم العلماء الروس تحديد التشوهات الخطيرة في الألياف الضوئية مسبقًا

هل تعرف كيف يتم التنبؤ بالانفجارات البركانية أو الزلازل أو رشقات البخار الساخن في محطات الطاقة الحرارية الأرضية؟ هناك طرق عديدة: يقوم علماء الزلازل بمراقبة الهزات، ويقيس علماء الجيوكيمياء تكوين الغازات، وتسجل الأقمار الصناعية حركة القشرة الأرضية. كل هذه الأساليب ضرورية لملاحظة الخطر في الوقت المناسب ومنع وقوع الكارثة. ويستخدم الجيولوجيون كابلات الألياف الضوئية المغطاة بالنحاس لنفس الغرض. هذه أسلاك زجاجية رفيعة، لا تعمل الكهرباء بداخلها، بل الإشعاع البصري – يتم توفيره بواسطة جهاز خاص على السطح. هذه المواد لا تخاف من الحرارة أو البرودة أو الإشعاع – لذلك يمكن وضع الكابل في أخطر الأماكن التي يتعذر الوصول إليها: في بئر ساخن بعمق 10 كيلومترات، أو في فم بركان مدخن أو في نبع يغلي. يحمي الغلاف النحاسي الخارجي الزجاج الهش من التأثيرات والبيئات العدوانية. ويعمل شعاع الضوء نفسه كجهاز استشعار حساس للغاية. يرسل جهاز موجود على السطح نبضة ليزر قصيرة عبر خيط زجاجي إلى داخل البئر. على طول الطريق، ينثر جزء من الضوء ويعود – مثل الصدى في الجبال. إذا تغيرت درجة الحرارة أدناه، أو بدأ الضغط أو الصخور في التشقق، فإن “الصدى” يعود بشكل مختلف – تتغير شدته أو تردده أو وقت التأخير. يقوم الجيولوجيون الموجودون على السطح بتحليل هذه التغييرات وفهم ما يحدث أدناه: ما إذا كانت الصخور تتشقق قبل الانهيار، أو ما إذا كانت الصهارة المنصهرة ترتفع أو البخار الساخن على وشك الانفجار. لكن التدريع النحاسي لديه مشكلة خفية. ويحدث ذلك مباشرة أثناء تصنيع الكابلات، عند الحدود التي يتلامس فيها قلب زجاج الكوارتز مع الطلاء. يتمدد النحاس عند تسخينه أكثر من الزجاج، مما يعني أنه ينكمش أكثر عند تبريده. عندما تبرد الألياف بعد التصنيع، فإن النحاس “يجلس” على قلب الزجاج بإحكام أكثر من اللازم ويبدأ في عصره. يؤدي هذا إلى تشوهات مجهرية – انحناءات دقيقة – تشوه الإشارة الضوئية. ويتوقع الجيولوجي أن يصدر “صدى” ليزر من الكابل. ولكن بسبب الانحناءات الدقيقة، يتناثر شعاع الضوء، ويضيع جزء من الإشارة، وما يعود يأتي مع تشوهات – يتغير وقت التأخير وتنخفض الشدة. يتلقى المتخصص الموجود على السطح بيانات غير صحيحة. وفي أسوأ الحالات، قد لا يلحظ العلامات الأولى لثوران بركاني أو زلزال وشيك تمامًا. يكمن سبب هذه الإخفاقات في نماذج الكمبيوتر غير الدقيقة المستخدمة لتصميم الكابل. يقوم المهندسون بإنشاء نسخة افتراضية من الألياف، وتحديد خصائص المواد ومعرفة ما يحدث عندما تبرد. لكن مثل هذه الحسابات لها عيبان خطيران. أولا، يعتقدون أن جميع طبقات الألياف الضوئية – الكوارتز والنحاس – تبدأ في التصلب في وقت واحد عند نفس درجة الحرارة. لكن هذا خطأ، لأن زجاج الكوارتز يصبح صلبًا عند درجة حرارة 1350-1450 درجة مئوية، ويبدأ النحاس في الذوبان عند درجة حرارة 1080 درجة مئوية فقط. وهذا هو، في حين أن المعدن لا يزال ناعما وسائلا، فإن الكوارتز صلب بالفعل ويتراكم الأحمال الداخلية (قوى الضغط). العيب الثاني: هذه النماذج مسطحة – مثل الرسم على ورقة. فهو يظهر فقط الخطوط العريضة للكابل، ولكن ليس كيفية توزيع الضغوط على طوله. لكن في الألياف الحقيقية، يمكن أن تظهر الانحناءات الدقيقة على أي جزء من خيط طويل، وتتخطاها الخوارزمية المسطحة ببساطة. لحل هذه المشكلة، أنشأ علماء بيرم بوليتكنيك نموذجًا حاسوبيًا ثلاثي الأبعاد، والذي يأخذ في الاعتبار لأول مرة درجات حرارة التصلب المختلفة للطبقات ويمثل الألياف الضوئية ليس كدائرة مسطحة، ولكن كأسطوانة حجمية حقيقية. تم نشر المقال في مجلة “نشرة PNIPU. الميكانيكا”. “جوهر عملنا هو أننا أنشأنا نموذجًا ثلاثي الأبعاد، أي نسخة حاسوبية من الألياف من حيث الحجم، بكل طبقاتها وشكلها، وليس صورة مسطحة. وقاموا بتحديد درجة الحرارة الأولية الخاصة بهم لكل طبقة من هذه الطبقة. بالنسبة لزجاج الكوارتز، هذا هو 1350-1450 درجة مئوية، وهو النطاق الذي يتوقف فيه عن اللزوجة ويبدأ في تراكم الضغط. بالنسبة لطلاء النحاس، تم استخدام نقطة انصهار تبلغ حوالي 1080 درجة مئوية،” قال ميخائيل. نابارين، طالب دراسات عليا في قسم الفيزياء العامة في PNRPU. وفي برنامج هندسي خاص، قام العلماء بحساب كيفية انخفاض درجة حرارة الألياف الضوئية من هذه القيم إلى درجة حرارة الغرفة +25 درجة مئوية. إلى هذا المستوى يتم تبريده أثناء التصنيع قبل استخدامه. وللتأكد من صحة الحسابات، قاموا بتكرارها عدة مرات، وفي كل مرة قاموا بتقسيم المنطقة التي تم فيها إجراء الحسابات إلى أجزاء أصغر. ولم يتجاوز التناقض بين الحسابات المختلفة 1.5%، مما يعني أن النموذج يحتوي على خطأ نسبي منخفض. ثم طبق الباحثون هذا النهج على التصاميم الموجودة. لقد أخذوا أليافًا ضوئية يبلغ قطر كسوة الكوارتز 125 ميكرومترًا (0.125 ملم، أي حوالي ضعف سمك شعرة الإنسان) وقطرها 200 ميكرومتر (0.2 ملم) وطلاء نحاسي يبلغ سمكه 20 ميكرومترًا (0.02 ملم). عملية العمل / © الخدمة الصحفية لـ PNIPU من أجل نقاء التجربة، قاموا بحساب خيارين: الألياف مع وبدون طلاء النحاس – فقط جزء الكوارتز. عندما تبرد الألياف الضوئية، يحدث الضغط والتمدد من الكوارتز نفسه ومن النحاس. وبمقارنة الخيارين، تمكن العلماء من فصل التغيرات “الطبيعية” في الكوارتز عن تلك التي يضيفها الطلاء المعدني. هذه هي الطريقة التي أدركوا بها مقدار ضغط النحاس على القلب وكيف يمكن تقليله. — أظهر الحساب أنه إذا تمت زيادة سمك طبقة الكوارتز الموجودة بين اللب والنحاس من 125 إلى 200 ميكرون، فإن التشوهات الشعاعية للنواة تقل بنسبة 36%، بينما لا يتغير سمك النحاس نفسه. تعمل طبقة أكثر سمكًا من قشرة الكوارتز كممتص للصدمات: فهي تمتص الضغط وتنقل كمية أقل منه إلى القلب الموصل للضوء. علق أناتولي بيرمينوف، رئيس قسم الفيزياء العامة في PNRPU، دكتوراه في العلوم الفيزيائية والرياضية، قائلاً: “سيسمح النموذج المجمع في المستقبل بمراعاة تفاوت الطلاء النحاسي وتأثير الانحناء الدقيق على خصائص توصيل الضوء للألياف الضوئية”. PNRPU تخيل أنك تضع سوارًا معدنيًا ضيقًا على يدك. إذا وضعت قطعة قماش رقيقة تحته، ستظل يدك تؤلمك. وإذا كان الغلاف سميكًا وناعمًا، فسوف يتحمل الضربة وسيكون الأمر أسهل على يدك. إنه نفس الشيء هنا: طبقة أكثر سمكًا من الكوارتز تعمل بمثابة “وسادة”. فهي تتخلص من الضغط الناتج عن انكماش النحاس ولا تنقله إلى حيث تعمل الإشارة الضوئية لتحديد تصميم الألياف الأمثل للتشغيل في الظروف القاسية – في درجات حرارة عالية أو إشعاع أو في بيئات معادية، يتيح لك هذا النهج حساب خيارات مختلفة: سمك القشرة وقطر الألياف ومواد الطلاء. سيُظهر النموذج على الفور مكان ظهور الفولتية الخطيرة وما إذا كانت الإشارة الضوئية سيتم تشويهها في المستقبل، سيساعد ذلك في إنشاء مستشعرات ألياف بصرية أكثر موثوقية لصناعة النفط والغاز والطاقة الحرارية الأرضية والمفاعلات النووية وتكنولوجيا الفضاء – حيثما تكون هناك حاجة إلى نقل دقيق للبيانات في أقسى الظروف.