الولايات المتحدة تجمع بين التعلم الآلي الكمومي والمعالجة لتحفيز اكتشاف العناصر الترابية النادرة

أطلقت الولايات المتحدة مبادرة بحثية تجمع بين التعلم الآلي الكمومي ومعالجة المعادن الصناعية لاكتشاف جزيئات متخصصة قادرة على فصل العناصر الترابية النادرة بكفاءة أكبر، وفقاً لتقرير نشره أثارفا غوسافي (Atharva Gosavi) في 19 سبتمبر 2026. وتهدف هذه المبادرة التقنية إلى معالجة اختناق أساسي في سلاسل توريد المعادن الحيوية، حيث يتطلب فصل الفلزات الترابية النادرة المتطابقة كيميائياً تقريباً عمليات صناعية معقدة ومتعددة المراحل. ومن خلال تطبيق الخوارزميات الحسابية الكمومية على الكيمياء الجزيئية، يسعى المشروع إلى نمذجة وتصميم جزيئات استخلاص يمكنها عزل العناصر المستهدفة بانتقائية أعلى، مما قد يقلل من الطاقة والتكلفة والأثر البيئي لعمليات المعالجة المتوسطة.

## Key facts

- تدمج المبادرة الأمريكية نماذج التعلم الآلي الكمومي مباشرة في مسارات بحوث معالجة المعادن. - الهدف المستهدف هو اكتشاف جزيئات مخلبية جديدة محسّنة لفصل العناصر الترابية النادرة الفردية. - أفاد بهذا الجهد الصحفي المستقل المتخصص في التكنولوجيا والعلوم أثارفا غوسافي (Atharva Gosavi) في 19 سبتمبر 2026. - يعتمد الفصل الصناعي للعناصر الترابية النادرة حالياً على الاستخلاص بالمذيبات (سائل-سائل)، وهو ما يتطلب غالباً عشرات أو مئات المراحل المتتالية. - يتم استغلال خوارزميات الحوسبة الكمومية لمحاكاة التفاعلات الإلكترونية المعقدة في المدار f والتي تتجاوز قدرات النمذجة الدقيقة للحواسيب التقليدية.

## What happened

وفقاً لتقرير أثارفا غوسافي، يستهدف المشروع الأمريكي نقطة التقاطع بين هندسة البرمجيات الكمومية والمعالجة الفلزية المائية الصناعية. ويستخدم الباحثون أطر التعلم الآلي الكمومي لمحاكاة كيفية تفاعل بنيات كيميائية محددة مع أيونات العناصر الترابية النادرة على المستوى الذري. والهدف الرئيسي هو تسريع التعرف على روابط عضوية جديدة (organic ligands) — وهي جزيئات ترتبط بشكل انتقائي بأيونات فلزية محددة في محلول مائي — مما يسمح بفصل أنظف وأسرع للعناصر الترابية النادرة الفردية عن المركّز الخام.

يعتمد الاكتشاف الكيميائي التقليدي بشكل كبير على التخليق المختبري القائم على التجربة والخطأ أو على المحاكاة بالحواسيب التقليدية. ومع ذلك، تشكل محاكاة ذرات العناصر الترابية النادرة على الحواسيب التقليدية عقبات حسابية شديدة بسبب البنيات الإلكترونية المعقدة وشديدة الترابط في أغلفة التكافؤ الداخلية الخاصة بها. ويطبق المشروع الجديد خوارزميات التعلم الآلي الكمومي لنمذجة هذه التفاعلات الإلكترونية بدقة أكبر، وتقييم الملايين من التكوينات الجزيئية المرشحة في محاكاة رقمية قبل اختيار أكثر المرشحين واعدية للاختبارات المختبرية الفعلية والتكامل مع معالجة المعادن.

ومن خلال دمج أدوات الحوسبة الكمومية هذه مباشرة في سير عمل معالجة المعادن، تحاول المبادرة سد الفجوة بين الكيمياء الجزيئية النظرية وعلم التعدين الاستخلاصي على نطاق المختبر. وتقيّم النماذج الحسابية طاقات الارتباط، والهندسة الفراغية، وخصائص الذوبان لضمان أن الجزيئات المكتشفة ليست مجرد جزيئات انتقائية من الناحية النظرية، بل قوية بما يكفي للعمليات الفلزية المائية الصناعية العملية.

## Why it matters

تُعد العناصر الترابية النادرة — وهي مجموعة تضم 17 عنصراً فلزياً تشمل النيوديميوم، والديسبروسيوم، والتيربيوم، واليوروبيوم، والبراسيوديميوم — مكونات أساسية في المغناطيسات الدائمة عالية الأداء، وأنظمة التوجيه الدفاعية، ومولدات توربينات الرياح، ومحركات السيارات الكهربائية، والإلكترونيات المتقدمة. ورغم أن العناصر الترابية النادرة وفيرة نسبياً في القشرة الأرضية، فإن العثور عليها بتركيزات مجدية اقتصادياً، والأهم من ذلك فصلها عن بعضها البعض، يشكل تحدياً كيميائياً استثنائياً.

ونظراً لأن جميع عناصر اللانثانيدات تشترك في أنصاف أقطار أيونية وحالات أكسدة متطابقة تقريباً — وهي ظاهرة كيميائية تُعرف باسم الانكماش اللانثانيدي — فإن سلوكياتها الكيميائية تكاد تكون غير قابلة للتمييز في التفاعلات الصناعية القياسية. وحالياً، يتطلب فصل العناصر الترابية النادرة الثقيلة عن الخفيفة دوائر استخلاص بالمذيبات (سائل-سائل) تدوّر المحاليل الكيميائية عبر المئات من خزانات الخلط والترسيب. وتستهلك هذه العملية التقليدية أحجاماً هائلة من الأحماض المركزة، والمذيبات العضوية، والمياه، مما ينتج عنه نفايات كيميائية كبيرة ويتطلب نفقات رأسمالية ضخمة لبناء المصافي.

وإذا نجح التعلم الآلي الكمومي في تحديد روابط ذات عوامل فصل أعلى بكثير بين اللانثانيدات المتجاوِرة، فقد ينخفض عدد مراحل الاستخلاص المطلوبة لتحقيق نقاء عالٍ (مثل 99.99 بالمئة) بشكل كبير. وينعكس تقليل مراحل المعالجة مباشرة في خفض التكاليف التشغيلية، وتصغير مساحة المنشآت، وتقليل إنتاج النفايات السامة، وانخفاض المتطلبات الرأسمالية لإنشاء مصافٍ محلية. علاوة على ذلك، يتيح تطوير تقنيات معالجة متقدمة مساراً تكنولوجياً للتجاوز عن طرق الفصل التقليدية الشديدة التلوث، مما قد يغير المشهد الاقتصادي لتصنيع المعادن الحيوية لصالح الدول التي تمتلك قدرات كمومية وحسابية متقدمة.

## The background

وفقاً لسياق هذا التطور، تنقسم سلسلة توريد العناصر الترابية النادرة عالمياً تاريخياً إلى ثلاث مراحل رئيسية: التعدين، والفصل الكيميائي (التكرير)، والتصنيع اللاحق (مثل إنتاج سبائك المغناطيس). ولعدة عقود، تركزت طاقة التكرير العالمية بشكل كبير في الصين، التي تسيطر على ما يُقدر بـ 85 إلى 90 بالمئة من البنية التحتية العالمية لفصل العناصر الترابية النادرة وأكثر من 90 بالمئة من إنتاج مغناطيسات العناصر الترابية النادرة. وفي حين توسعت عمليات التعدين في مناطق أخرى — مثل منجم Mountain Pass في كاليفورنيا وعملية Mount Weld في غرب أستراليا — فإن المركّزات غير المكررة من العديد من المناجم الدولية كانت تُشحن تاريخياً إلى الخارج للفصل الكيميائي بسبب نقص البنية التحتية المحلية للمعالجة المتوسطة.

وفي السنوات الأخيرة، صنّفت الحكومة الأمريكية المعادن الحيوية على أنها عنصر حيوي للأمن القومي والاستقرار الاقتصادي. وقد ضخت المبادرات التي تقودها وزارة الطاقة الأمريكية، بما في ذلك Critical Materials Innovation Hub المستضاف في Ames National Laboratory، إلى جانب تمويل من وزارة الدفاع بموجب Title III من Defense Production Act، مئات الملايين من الدولارات في تكنولوجيا المعالجة المحلية. وشملت المسارات البحثية الاستخلاص البيولوجي باستخدام بروتينات متخصصة، ومذيبات السوائل الأيونية، والفصل بالأغشية، والنمذجة الديناميكية الحرارية المتقدمة.

بالتزامن مع ذلك، انتقلت الحوسبة الكمومية من الفيزياء النظرية البحتة إلى التطبيقات العملية، ولا سيما في الكيمياء الحسابية وعلم المواد. وتواجه الحواسيب الفائقة التقليدية صعوبة في حسابات الكيمياء الكمومية لأن الموارد الحسابية المطلوبة تتزايد بشكل أسي مع عدد الإلكترونات في النظام الجزيئي. وتتمتع العناصر الترابية النادرة، الواقعة في سلسلة اللانثانيدات في الجدول الدوري، بأغلفة إلكترونية 4f مملوءة جزئياً. وتجعل الترابطات الإلكترونية المعقدة والتأثيرات النسبية الموجودة في هذه المدارات f من معقدات العناصر الترابية النادرة واحدة من أصعب الأنظمة الكيميائية في النمذجة الدقيقة على الأجهزة التقليدية. وقد صُمّمت خوارزميات التعلم الآلي الكمومي، التي تعمل على أجهزة هجينة كمومية-تقليدية، لتمثيل هذه الحالات الإلكترونية بشكل أصيل، مما يفتح مساراً نحو الهندسة الجزيئية التنبؤية التي كانت مستعصية في السابق.

## Reaction

يمثل دمج الحوسبة الكمومية في هندسة المعادن الحيوية تحولاً ملحوظاً نحو التدخلات عالية التقنية في سلاسل التوريد الصناعية. ولطالما أشار محللو القطاع وعلماء المواد إلى أن المعالجة الكيميائية المتوسطة، وليس قدرة التعدين الخام، تشكل النقطة الأضعف الرئيسية في سلاسل توريد المعادن الحيوية الغربية. ويُرى تطبيق الكيمياء الحسابية المتقدمة من قبل مراقبي السوق كخطوة ضرورية للتغلب على التقدم الذي حققته منشآت التكرير التقليدية على مدى عقود.

وسلط مطورو البرمجيات الكمومية والكيميائيون الحسابيون الضوء على اكتشاف المواد باعتباره أحد أكثر التطبيقات المبكرة واعدية من الناحية التجارية لأنظمة الحوسبة الكمومية متوسطة الحجم والمشوشة (NISQ) والخوارزميات الهجينة. وبدلاً من انتظار حواسيب كمومية كاملة التسامح مع الأخطاء، يمكن للمقاربات الهجينة الكمومية-التقليدية مساعدة نماذج التعلم الآلي في تحديد السمات الفراغية وخصائص الارتباط التي تغفل عنها الخوارزميات القياسية.

ومن المتوقع أن يراقب الباحثون البيئيون وخبراء السياسات عن كثب ما إذا كان المشروع سينتج مستخلصات تقبض من استخدام المواد الكيميائية الخطرة. وتولد المعالجة الفلزية المائية القياسية كميات كبيرة من مياه الصرف الحمضية والمخلفات المشعة (المرتبطة غالباً بالثوريوم واليورانيوم الموجودين طبيعياً في خامات العناصر الترابية النادرة). ويُنظر بإيجابية إلى أي تقدم تكنولوجي يبسط خطوات المعالجة أو يتيح إعادة التدوير الكيميائي مغلق الدائرة من قبل الهيئات التنظيمية المكلفة بالموافقة على مصانع المعالجة المحلية الجديدة.

## What we don't know yet

ورغم أن نطاق المشروع يجمع بين التعلم الآلي الكمومي ومعالجة المعادن، فإن العديد من التفاصيل التشغيلية المحددة تظل غير مؤكدة في التقارير المتاحة:

- **Institutional lead and partners:** لم يتم تفصيل الوكالة الحكومية المحددة، أو المختبر الوطني، أو التحالف البحثي الجامعي، أو مؤسسة التكنولوجيا الخاصة التي تقود تنفيذ المشروع. - **Funding baseline and duration:** يظل المخصص المالي الدقيق، ومصدر التمويل، والجدول الزمني الممتد لعدة سنوات لمنحة البحث أو البرنامج غير محددة. - **Quantum hardware specifications:** غير معروف حالياً أي منصات للأجهزة الكمومية (مثل الدوائر فائقة التوصيل، أو الأيونات المحتجزة، أو أنظمة الذرات المحايدة) أو مزودي السحابية الكمومية تُستخدم لتنفيذ نماذج التعلم الآلي. - **Synthesis and experimental validation:** لا يفصل التقرير ما إذا كانت جزيئات الاستخلاص المرشحة التي حددتها الخوارزميات الكمومية قد دخلت بالفعل مرحلة الاختبار المختبري التجريبي أو تجارب التخليق الكيميائي. - **Economic viability:** يتبقى إثبات ما إذا كان يمكن إنتاج الجزيئات المصممة حسابياً باقتصادية على نطاق صناعي وظلولها مستقرة تحت الظروف الحمضية الصناعية القاسية.

## What to watch

مستقبلاً، ستكشف عدة مؤشرات رئيسية عن تقدم هذا المشروع الخاص بالمعادن الحيوية المدعوم بالتقنية الكمومية وأثره العلمي العملي:

- **Formal federal disclosures:** الإعلانات الرسمية أو البيانات الصحفية الصادرة عن الوكالات الأمريكية — مثل مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة (EERE) التابع لوزارة الطاقة أو وكالة مشاريع البحوث المتطورة الدفاعية (DARPA) — التي تؤكد متلقي الجوائز والشركاء الحسابيين ومحطات المشروع الرئيسية. - **Peer-reviewed literature:** المنشورات العلمية في مجلات مثل *Nature Chemistry*، أو *Inorganic Chemistry*، أو *Hydrometallurgy* التي تفصل البنيات الجزيئية المحددة، ونسب انتقائية الارتباط، وبنيات الخوارزميات الكمومية المطورة بموجب البرنامج. - **Pilot plant testing:** التجارب الفلزية المائية على نطاق المختبر والنطاق التجريبي التي تظهر ما إذا كانت الروابط المحددة حديثاً تحقق عوامل فصل أعلى بين اللانثانيدات المتجاورة (مثل النيوديميوم/البراسيوديميوم أو الديسبروسيوم/التيربيوم) مقارنة بالمستخلصات التجارية القياسية مثل PC88A أو Cyanex 272. - **Commercial licensing:** اتفاقيات الترخيص اللاحقة أو نقل التكنولوجيا بين المؤسسات البحثية وشركات معالجة المعادن الحيوية التجارية التي تسعى لنشر التكنولوجيا في المصافي التشغيلية.

يستند هذا التقرير إلى التغطية الأصلية التي نشرها أثارفا غوسافي (Atharva Gosavi) في 19 سبتمبر 2026.