סינתזה פלזמו-כימית בתדר גבוה והפקת מתכות אצילות מעפרות סולפידיות קשות לעיבוד באזור קיזילקום
מבוא והצגת הבעיה
עיבוד עפרות זהב-ארסן קשות לעיבוד מאזור מרכז קיזילקום בשיטות מטלורגיות מסורתיות (חמצון ביולוגי, חמצון באוטוקלב) כרוך בצריכת אנרגיה ניכרת ובסיכונים סביבתיים חמורים. הזהב בארסנופיריטים (FeAsS) נמצא בעיקר במצב איזומורפי מפוזר דק („בלתי נראה“), הנעול בתוך סריג הגביש.
מטרת המחקר הייתה להעריך שיטה פיזיקו-כימית חדשה מן היסוד לפתיחת המטריצה הסולפידית ולהפקת המתכות הכמוסות בה, באמצעות השפעה תהודתית מכוונת בתדר גבוה בתווך נטול חמצן ומשונה איזוטופית.
[נוסף] קודם לכן פרסם המחבר שיטה לפירוק תהודתי בתדר גבוה של עפרות קשות לעיבוד — „שיטה לפירוק רכיבים מינרליים ולפתיחת זהב מעפרות ומתרכיזים סולפידיים של זהב-ארסן קשים לעיבוד במיוחד באמצעות השפעה תהודתית של גלים אלקטרומגנטיים בתדר גבוה“ (גורני וסטניק אוזבקיסטנה, מס׳ 2(89), 2022, עמ׳ 85–91). העבודה הנוכחית מפתחת שיטה זו ומדווחת על אפקט נוסף שתועד — הרכב איזוטופי אנומלי של הזהב המסונתז.
שיטת הניסוי והחומרים
מושא המחקר היה דוגמאות של ארסנופיריט קשה לעיבוד (בסך הכול נבדקו 27 דגימות עפרה נפרדות), שהתקבלו ממרבצי קוקפטס ודאוגיזטאו. זמן ההקרנה של כל דגימה נע בין 1 ל-3 שעות.
ארכיטקטורת מערך הניסוי
- אזור התגובה דגימת המינרל הוצבה בתוך תא אטום ונטול חמצן, ישירות מעל כלי המכיל את הפאזה הנוזלית.
- משנה איזוטופי של התווך הפאזה הנוזלית הורכבה מתעבה של מים כבדים (דאוטריום), שהתקבל בהפרדה קינטית של איזוטופים במהלך אידוי מבוקר של מקווה מים טבעי בהשפעת אנרגיית השמש במשך 2–3 ימים.
- מקור השדה והמשדר ההשפעה האלקטרומגנטית בוצעה באמצעות אנטנת נחושת צינורית מיוחדת בתחום התדר הגבוה, שחוברה למחולל תדר גבוה.
פרוטוקול הניסוי: עם הזנת המתח למערכת השדה האלקטרומגנטי בתדר גבוה, הובא מעגל התנודות למצב של תהודת גלים חדה. בשל אפקט עור עז וצפיפות גבוהה של זרם פני השטח, עלתה טמפרטורת אנטנת הנחושת על נקודת ההתכה של הנחושת (1085°C). בו בזמן התרחש אידוי סוער של הנוזל המדוטר שמתחתיה. בהגיעם אל פני האנטנה הלוהטים, עברו אדי הדאוטריום יינון ויצרו לפיד צפוף של פלזמה לא-שיווית משקל בתדר גבוה, המשמשת זרז לתהליך.
תוצאות ודיון
שינויים מקרוסקופיים וניתוח צריפה
בהשפעת פלזמת הדאוטריום בתדר גבוה התרחש הרס תרמי וגם אלקטרודינמי של המבנה הגבישי של הארסנופיריט. יוני המתכת המשוחררת (או המסונתזת מחדש) הועברו בכוחות אלקטרומגנטיים אל אזור מפל השדה המרבי, ושקעו על פני צינור הנחושת הנמס. על פני אנטנת הנחושת נצפה ברמה המקרוסקופית אפקט ברור של „הזהבה“, הודות לדיפוזיה תרמית עמוקה. רכיבי האנטנה שהותכו נמסרו למעבדת CNIL. ניתוח צריפה סטנדרטי (שיטת הקופלציה) אישר באופן חד-משמעי את נוכחות הזהב היסודי בסגסוגת הנחושת.
אימות גרעיני-פיזיקלי והספקטרום האיזוטופי
כדי לשלול השפעת מטריצה, נשלחו רכיבי אנטנת הנחושת יחד עם כל 27 הדגימות אל המעבדה המרכזית לניתוח אקטיבציה בגמא בעיר זרפשאן. כל הדגימות הוקרנו בשטף עז של קרינת גמא בלימה עתירת אנרגיה, שנוצרה במאיץ אלקטרונים ליניארי בפגיעה במטרה קשת היתוך (מוולפרם). מערך ספקטרומטרי ממוחשב רשם שיא ברור ב-409 keV, המתאים לאיזומר Au-197m (זמן מחצית חיים 7.7 s), מה שמאשר את נוכחות הנוקליד היציב Au-197. אולם מלבד הפאזה היציבה זיהה הספקטרומטר שרשרת איזוטופית אנומלית של זהב: Au-196, Au-198, Au-199, וכן קווים מתואמים של כסף (Ag) ואורניום (U).
פרשנות פיזיקלית ומסקנות גאופיזיות
גילוי האיזוטופים קצרי החיים Au-198 ו-Au-199 מוכיח כי במהלך הניסוי נחשפו גרעיני הזהב לשטף צפוף של נייטרונים חופשיים. הדינמיקה של היווצרות הספקטרום האיזוטופי הזה מעידה על התרחשותם של תהליכים גרעיניים באנרגיה נמוכה (טרנסמוטציה או חילוף איזוטופי) ישירות בתוך פלזמת הדאוטריום הלא-שיווית משקל בתדר גבוה, בגבול הפאזות „נחושת–ארסנופיריט“.
השערה גאופיזית
הנתונים האמפיריים שהתקבלו בסימולציה המעבדתית הזאת ניתנים להחלה על פרשנות תהליכים אנדוגניים רחבי היקף בליתוספרה של כדור הארץ. הארכיטקטורה התת-קרקעית של מרבצי קיזילקום מתפקדת למעשה ככורים גליים טבעיים. תזוזות טקטוניות לאורך אזורי העתקים עמוקים יוצרות לחצים מקומיים גבוהים במיוחד, זרמים סייסמוגניים ושדות פיאזואלקטריים, המסוגלים לחמם ברגע נפחים זעירים של השכבה אל מעל 1000°C ולהעביר סולפידים מוליכים-למחצה (FeAsS) למצב פלזמה. בנוכחות פלואידים עמוקים, המועשרים באופן טבעי בדאוטריום, מתחיל תהליך מתמשך של נוקלאוסינתזה אנדוגנית („לידה“) של זהב ושל היסודות הנלווים אליו. הדבר מחייב בחינה מחודשת ויסודית של המודלים הקוסמוגוניים הקלאסיים של היווצרות מרבצי עפרות.
[נוסף] ההשערה הגאופיזית המוצגת בפרק זה לא עברה ביקורת עמיתים בלתי תלויה ודורשת בדיקה נוספת — בניגוד לשיטת הפירוק התהודתי בתדר גבוה של עפרות, שפורסמה קודם לכן ב„גורני וסטניק אוזבקיסטנה“.