The Beginning of Endless : เรื่องราวเบื้องหลังระบบ NMR เชิงพาณิชย์ระบบแรกของโลกที่ไม่ต้องการการเติมฮีเลียม
ในเดือนเมษายน 2013 JEOL RESONANCE ประสบความสำเร็จในการเปิดตัวระบบ NMR แรกของโลกด้วยแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดที่ไม่มีจุดเดือด ที่นี่ เราติดตามการกำเนิดของระบบการสร้างยุคที่เอาชนะปัญหาการจัดหาฮีเลียมที่ไม่น่าเชื่อถือและมีราคาแพงขึ้นเรื่อยๆ
เสียงรบกวนอย่างต่อเนื่อง
ฮิโรโตะ ซึเอมัตสึ
อารมณ์ในที่ประชุมก็มืดมน
โครงการพัฒนาระบบ NMR ที่ไม่ต้องเติมฮีเลียมได้เริ่มต้นขึ้นในปี 2011 ผ่านไป 2 ปีแล้วและยังคงมีสัญญาณรบกวน ทุกวิธีที่พวกเขาคิดได้นั้นถูกทดลองมาแล้ว แต่ยังไม่พบที่มาของเสียง นับประสาวิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพ
“สิ่งเดียวที่ฉันคิดได้คือ….”
ความคิดนั้นค่อนข้างไกล
“แน่นอน มันไม่เกี่ยวกัน”
“ก็อาจจะ แต่ ณ จุดนี้เราอาจจะพยายามเช่นกัน”
หัวหน้าทีมพัฒนา ผู้จัดการทั่วไปแผนกวิศวกรรม Hiroto Suematsu ถอนหายใจและส่ายหัวขณะฟังการสนทนา การประชุมใหญ่ซึ่งมีแผนจะประกาศผลิตภัณฑ์ที่เสร็จสมบูรณ์อยู่ห่างออกไปเพียงไม่กี่เดือน เขาเกือบจะเชื่อว่าการประกาศจะต้องเลื่อนออกไป
“วิกฤตฮีเลียม”
สนามแม่เหล็กแรงสูงที่จำเป็นในการสร้างเงื่อนไขสำหรับ NMR นั้นถูกสร้างขึ้นโดยแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด แม่เหล็กเป็นโซลินอยด์ไฟฟ้าของโลหะพิเศษหรือโลหะผสม และถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิต่ำมาก ใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์เพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก สารทำความเย็นชนิดเดียวที่สามารถใช้เพื่อรักษาสถานะการแช่แข็งนี้คือฮีเลียมเหลว
อย่างไรก็ตาม การได้รับฮีเลียมไม่ใช่เรื่องง่าย สามารถผลิตเป็นผลพลอยได้จากก๊าซธรรมชาติ เนื่องจากไม่สามารถผลิตในประเทศได้ ญี่ปุ่นจึงต้องพึ่งพาการนำเข้า โดย 95% ของอุปทานมาจากสหรัฐอเมริกา นอกจากนี้ อุปทานส่วนใหญ่ได้มาจาก BLM (สำนักงานจัดการที่ดินแห่งสหรัฐอเมริกา) และแหล่งน้ำมันของ ExxonMobil ซึ่งเป็นหนึ่งในบริษัทปิโตรเลียมที่ใหญ่ที่สุดในโลก สถานการณ์ที่ไม่เอื้ออำนวยที่ BLM หรือ ExxonMobil อาจส่งผลให้เกิดความไม่แน่นอนของอุปทานในทันที
อันที่จริง ในช่วงฤดูร้อนปี 2012 ญี่ปุ่นต้องเผชิญกับ "วิกฤตฮีเลียม" เมื่อโรงงานของ Exxon เริ่มซ่อมบำรุงตามกำหนดซึ่งขยายเวลาออกไปหลายเดือน แต่ตามมาด้วยปัญหาที่โรงงาน BLM ซึ่งส่งผลให้ระบบอุปทานเสื่อมลงอย่างกะทันหัน เป็นผลให้ฮีเลียมหายไปจากสินค้าคงเหลือของซัพพลายเออร์ก๊าซ
บอลลูนที่เติมฮีเลียมไม่เพียงหายไปจากสวนสนุกเท่านั้น แต่ยังต้องเปลี่ยนแผนในโรงงานผลิตหลายแห่งที่ฮีเลียมจำเป็นสำหรับกระบวนการต่างๆ เช่น การทำความสะอาดเซมิคอนดักเตอร์และการผลิตเส้นใยนำแสง สถาบันวิจัยหลายแห่งถูกบังคับให้หยุดปฏิบัติการ NMR ทีละคน
เริ่มการพัฒนา
“คุณสร้างระบบ NMR ที่ไม่ต้องเติมฮีเลียมไม่ได้เหรอ?” เสียงร้องก็ดัง แต่ถึงแม้จะไม่มีปัญหาด้านอุปทาน การเติมฮีเลียมเหลวในระบบ NMR ไม่เพียงแต่กำหนดให้ต้องหยุดเครื่องมือเป็นเวลาส่วนหนึ่งของวัน ซึ่งขัดขวางการวิจัย แต่ยังเป็นขั้นตอนที่อาจเป็นอันตรายที่อาจส่งผลให้เกิดอาการบวมเป็นน้ำเหลืองหรืออื่นๆ บาดเจ็บ.
เครื่องมือ NMR ที่ไม่ต้องการการเติมฮีเลียมมีศักยภาพที่จะขจัดความไม่สะดวกดังกล่าวโดยสิ้นเชิง
ในทางทฤษฎีนี้ไม่ยาก เนื่องจากฮีเลียมเหลวในถังของแม่เหล็ก NMR ระเหย จึงทำให้เกิดก๊าซฮีเลียม หากก๊าซฮีเลียมนี้ถูกส่งกลับไปยังถังเป็นฮีเลียมเหลวแทนที่จะปล่อยก๊าซออกมา ก็ไม่จำเป็นต้องเติมฮีเลียมที่จ่ายให้กับแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด ผลกระทบสุทธิจึงเป็นศูนย์เดือดปิด มีระบบ MRI สำหรับการใช้งานตรวจสอบที่รวมแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดชนิดเดียวกันกับหน่วยทำความเย็นที่รวมอยู่ด้วย อย่างไรก็ตาม สำหรับการวัด NMR ที่แม่นยำยิ่งขึ้น การสั่นสะเทือนในนาทีที่เกิดจากหน่วยทำความเย็นเป็นปัญหา ดังนั้นจึงยังไม่ตระหนักถึงระบบ NMR ที่ไม่มีจุดเดือดที่ใช้งานได้จริง อย่างไรก็ตาม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีหน่วยทำความเย็นที่ดีขึ้นและดีขึ้น ซึ่งเพิ่มความเป็นไปได้
JEOL RESONANCE ตัดสินใจที่จะแก้ไขปัญหานี้ในเดือนมกราคม 2011 ในเดือนเมษายนปีเดียวกันนั้นเอง เงินทุนได้มาจาก Innovation Network Corporation of Japan ต้นทุนการพัฒนาได้รับการจัดทำงบประมาณและเริ่มการพัฒนา
การสั่นสะเทือนที่มองไม่เห็น
โครงการดำเนินไปอย่างราบรื่น และอีกหนึ่งปีต่อมา ในเดือนมกราคม 2012 ระบบต้นแบบก็เสร็จสมบูรณ์ เมื่อเปิดสวิตช์ หัวหน้าทีม Suematsu แทบไม่อยากเชื่อข้อมูลที่เขาเห็นแสดงบนจอภาพ
การเปรียบเทียบการสร้างเสียงรบกวนไซด์แบนด์
“มีสัญญาณสั่นสะเทือนขนาดใหญ่อย่างไม่คาดคิด ตลอดหลายปีที่ผ่านมา ฉันทำงานเป็นวิศวกร ฉันไม่เคยเห็นเสียงรบกวนมากขนาดนี้มาก่อนเลย ฉันคิดว่ามันต้องเป็นความผิดพลาดง่ายๆ บางอย่างกับระบบไฟฟ้า เช่น ใช้แรงดันไฟฟ้าผิด หรือข้อผิดพลาดประเภทนั้น”
ทุกอย่างได้รับการตรวจสอบ ปรับ และทดสอบใหม่ทันที แต่ผลลัพธ์ก็เหมือนเดิม สมาชิกในทีมทุกคนต่างระดมสมอง
เห็นได้ชัดว่าปัญหาคือการสั่นสะเทือนเล็กน้อยที่เกิดจากหน่วยทำความเย็น การสั่นสะเทือนเล็กน้อยที่เกิดจากการทำงานของหน่วยทำความเย็นถูกส่งไปยังถังฮีเลียมเหลว ทำให้เกิดระลอกคลื่นซึ่งตรวจพบว่าเป็นเสียง ที่เข้าใจกันมาก ดังนั้น Suematsu และทีมของเขาจึงรวมทุกมาตรการที่เป็นไปได้เพื่อระงับการสั่นสะเทือนของหน่วยทำความเย็น นอกจากการใช้ยูนิตที่มีการสั่นสะเทือนน้อยมากแล้ว แดมเปอร์ยังถูกติดตั้งในตัวเชื่อมต่อเพื่อดูดซับแม้แต่การสั่นเพียงเล็กน้อย ควรระงับการสั่นสะเทือนให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้
แต่มันก็ยังคงอยู่
นอกจากผู้ผลิตแม่เหล็กที่มีตัวนำยิ่งยวดแล้ว JASTEC (บริษัท Japan Superconducting Technology Inc. ซึ่งเป็นพันธมิตรทางธุรกิจมาหลายปี) ยังได้รับคำปรึกษาจากผู้เชี่ยวชาญเรื่องการสั่นสะเทือนทางกล และการออกแบบได้รับการปรับปรุงครั้งใหญ่ 5 ครั้งในปีถัดมา ทำการทดสอบ รวมทั้งการปรับอย่างละเอียด หลายครั้ง หลายครั้ง
แม้จะมีความพยายามนี้ เสียงก็ไม่ถูกขจัดออกไป เกือบจะสิ้นปัญญาแล้ว ข้อเสนอแนะในการประชุมจำนวนนับไม่ถ้วนครั้งหนึ่งเป็นสิ่งที่ไม่มีใครเคยคิดมาก่อน นั่นคือ "การสั่นสะเทือนที่มองไม่เห็น"
การปฏิวัติเพิ่งเริ่มต้น
“มีการสั่นสะเทือนที่ดูเหมือนจะเกิดขึ้นเสมออันเป็นผลมาจากการกำหนดค่าระบบ แต่มันมีขนาดเล็กมาก เราไม่เคยคิดว่าสิ่งเล็กน้อยเช่นนี้จะมีผลเช่นนี้”
โดยแทบไม่คาดหวังความสำเร็จ การออกแบบจึงเปลี่ยนไปเป็นครั้งที่ 6
แต่มันได้ผล – เสียงรบกวนถูกระงับไว้อย่างสวยงาม
สิ่งต่าง ๆ ดำเนินไปอย่างรวดเร็วจากจุดนั้น
มีการเพิ่มเจ้าหน้าที่เพิ่มเติมในโครงการเพื่อดำเนินการประเมินและสร้างแอปพลิเคชัน การพัฒนาผลิตภัณฑ์ดำเนินไปอย่างรวดเร็ว ในเดือนเมษายน 2013 ระบบ ZB400 NMR ที่ไม่ต้องการการเติมฮีเลียมได้รับการประกาศในการประชุม NMR ที่ใหญ่ที่สุดในสหรัฐอเมริกา
ศูนย์วิจัยทั่วโลกประสบปัญหาการขาดแคลนฮีเลียม ในขณะที่ยังคงปรบมือให้ความสำเร็จของ ZB400 ตลาดเริ่มวางคำสั่งซื้อโดยเร็วที่สุดในเดือนพฤษภาคม สิ่งต่าง ๆ เริ่มต้นได้ดี
น่าเสียดายที่การขาดแคลนฮีเลียมไม่ใช่สถานการณ์ชั่วคราว แต่น่าจะเป็นปัญหาเรื้อรังในอนาคต เมื่อเร็ว ๆ นี้ เทคโนโลยีการสกัดก๊าซจากชั้นหิน (shale gas) (ที่ไม่มีฮีเลียม) ได้รับการจัดตั้งขึ้น ดังนั้นการใช้โรงผลิตก๊าซธรรมชาติจึงลดลง ฮีเลียมที่หาได้จากโรงผลิตก๊าซธรรมชาติมีเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ ดังนั้นจึงไม่น่าเป็นไปได้ที่โรงผลิตก๊าซธรรมชาติจะดำเนินการเพียงเพื่อสกัดฮีเลียม และเพิ่มเหตุผลที่ต้องกังวลเกี่ยวกับการจัดหาฮีเลียมในอนาคต นอกจากกำลังการผลิตที่ลดลงแล้ว ความต้องการฮีเลียมยังเพิ่มขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อจีนและเกาหลีเพิ่มการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ของพวกเขาให้เข้มข้นขึ้น สิ่งนี้จะเพิ่มแรงกดดันต่อการจัดหาฮีเลียมในอนาคต
ในสถานการณ์เหล่านี้ การเปิดตัว ZB400 จะมีความสำคัญยิ่งขึ้นไปอีก
หัวหน้าทีม Suematsu ยังคงไม่ยิ้มอย่างไรก็ตาม
“วิธีแก้ปัญหาถูกค้นพบโดยบังเอิญหลังจากรวบรวมหลักฐานตามสถานการณ์จำนวนมาก สิ่งนี้ยังไม่ได้รับการพิสูจน์ในทางทฤษฎี เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ที่ดีขึ้น เราต้องตรวจสอบกลไกและผลลัพธ์ต่อไป”
การปฏิวัติเพิ่งเริ่มต้นขึ้น