مواد و ساخت پیشرفته

مواد خام و قابلیت انسان در برداشت، تغییر شکل و به کار گیری آن ها، شکل دهنده زندگی بشر و تمدن ها در طول اعصار مختلف بوده است. نام گذاری اعصار برحسب مواد مصرفی رایج (حجر، مفرغ، آهن و ...)، شکوفایی و یا سقوط تمدن‌هایی همچون مایا، رومیان و بین النهرین به دلیل دسترسی به مواد مختلف، و تاریخ گسترده نزاع ها و جنگ ها بر سر مواد خام و مسیرهای دسترسی به آن ها از جمله شواهد این ادعا است. انسان برای تغییر محیط اطراف و افزایش رفاه خود به منابع طبیعی همچون آب، مواد خام، مواد حامل انرژی، هوا و ... به عنوان ورودی در سیستم متابولیک انسان- محیط، نیاز دارد.
با پیشرفت علوم و تسلط بیشتر انسان بر طبیعت، گستره مواد در دسترس بشر نیز تغییرات زیادی کرده است. مواد اولیه برای ابزارسازی از اقلام آماده و کاملا طبیعی همچون سنگ، چوب و استخوان به گستره وسیعی از مواد مهندسی شامل آلیاژهای پیچیده، سرامیک‌ها، پلیمرها و کامپوزیت‌ها و حتی مواد کاملا مصنوعی تغییر یافته است.
تا پیش از انقلاب صنعتی، مشکلات استخراج مواد اولیه (ازجمله منابع معدنی، سوخت و زیست‌توده‌ها) از ذخایر طبیعی، افزایش برداشت را با مشکل مواجه می کرده است. توجه به مفاهیمی همچون قناعت و صرفه جویی و رواج استفاده‌ي مجدد(Reuse)، بازیابی(Recovery) و بازیافت(Recycling) مواد و ابزار ها در فرهنگ‌های مختلف، ناشی از مشکلات دسترسی و یا هزینه بالای جایگزینی محصولات بوده است. در دو قرن اخیر، کاهش هزینه مواد اولیه باعث استفاده بیشتر و سریع‌تر از ذخایر طبیعی شده است؛ به‌نحوی‌که، میزان استخراج مواد خام از کمتر از 10 میلیارد تن در سال، در ابتدای قرن بیستم، تا بیش از 70 میلیارد تن در سال 2010 افزایش داشته است. این حجم از مصرف مواد و انرژی منجر به ایجاد مشکلات زیادی همچون تغییرات آب‌وهوايي به‌دلیل ورود گازهای گلخانه‌ای (CO2, CH4, N2O, PFCs, HFCs, SF6, NF3)، اسیدی شدن خاک به‌دلیل ورود اکسید‌های نیتروژن و گوگرد، غنی شدن آب از منابع غذایی، از بین رفتن گونه‌های زیستی، فرسایش خاک، افزایش غیرقابل‌کنترل زباله‌های صنعتی و خانگی، احتمال کمبود دسترسی به منابع طبیعی در آینده و ورود انواع سموم به اكوسیستم شده است.
با وجود نگرانی از روند مصرف منابع از دهه 70 میلادی، همچنان توافقی برای نحوه مدیریت منابع وجود ندارد و پیش‌بینی‌ها بر اساس رویه جاری تصویری نامطلوب از آینده را توصیف می‌کند. بر اساس پیش‌بینی‌های موسسه تحقیقات علمی و صنعتی استرالیا (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO))، تا سال 2030 و رشد سریع کشورهایی همچون هند، چین و برزیل، تقریبا 3 میلیارد نفر به جمعیت طبقه متوسط جهان اضافه و تقاضا برای فولاد و سیمان افزایشی 80 درصدی خواهد داشت. مصرف کل مواد خام جهان به 100 میلیارد تن سالیانه خواهد رسید و قیمت غذا، انرژی، مواد اولیه و آب افزایش و هزینه استخراج نفت و فلزات تا دو برابر بیشتر خواهد شد و 75 درصد پس انداز افراد در این سال برای مسکن، حمل و نقل، انرژی و تغذیه صرف خواهد شد. بازیافت ناکافی بسیاری از فلزات و نیاز به سرمایه‌گذاری قابل توجه برای تامین مواد، از جمله مشکلات دیگر پیش‌بینی شده است. برای مشخص شدن تأثیر افزایش سطح مصرف و انتظارات در این کشورها، محاسبات سال 2010 نشان داده که در صورتی که چین تراکم خودرو و مصرف مواد غذایی ایالات متحده را داشته باشد، میزان کل تولید جهانی نفت نیز پاسخگوی چنین تقاضایی نخواهد بود.

شکل 1: میزان تولید مواد خام در قرن 20 ام

شکل 2: پیشبینی میزان استخراج مواد خام با سه سناریو (خط‌چین وسط، ادامه روند مصرف فعلی را نشان می‌دهد)
اين اثرات جانبي زیانبار در كشورهايي با اقتصاد متكي بر منابع خام از شدت بيشتري برخوردار است. ایران، کشوری با اقتصاد استخراجی(Extractive Economy) و از تولیدکنندگان مهم مواد خام در جهان است. ایران در بین ده کشور اول تولیدکننده‌ي نفت خام، پنج کشور اول تولیدکننده‌ي گاز طبیعی، ده کشور اول تولیدکننده‌ي سیمان، سنگ‌آهن و مولیبدن، بیست کشور اول تولیدکننده‌ي فولاد، سرب، آمونیا، مس، فلدسپار، فروکروم، کائولن، روی و پشم جای دارد. به‌نحوی‌که، بر اساس ارزش ذخایر معدنی (با احتساب نفت و گاز)، ایران درمجموع در رده‌ي پنجم جهاني كشورهاي برخوردار از منابع طبيعي قرار دارد(شکل 3).

شکل 3: رتبه‌بندی 10 کشور برتر جهانی از نظر منابع طبیعی
علاوه بر میزان ذخائر، میزان تکیه کشورها بر منابع طبیعی برای تولید ثروت نیز متفاوت است. در ارزیابی بانک جهانی، بیشتر کشورهای توسعه یافته مقادیر بسیار کمی از درصد از تولیدات خود را از برداشت از منابع طبیعی تولید می‌کنند.

شکل 4: سهم منابع طبیعی در اقتصاد کشورها
در شکل 4 مشخص است که سهم بزرگی از تولید ناخالص داخلی ایران به منابع طبیعی وابسته است. در کنار این، میزان برداشت از منابع معدنی کشور در حال حاضر تقریبا یک چهارم میزان متعارف در جهان است (برداشت 0.27 از ذخایر معدنی ایران در مقابل 1 درصد جهانی) نشان می دهد که میزان برداشت معادن در کشور جای توسعه بسیار زیادی دارد.
در سال‌های اخیر بحران‌های زیست‌محیطی از قبیل آلودگی شدید هوا در شهرهای صنعتی، خشک شدن دریاچه‌ها، بیابان‌زایی، تولید بیش‌ازحد زباله، گردوغبار شدید، خطر انقراض گونه‌های زیستی و .... مشکلات عدیده‌ای را در ایران به وجود آورده است. بسیاری از این بحران‌ها با الگوی تولید و مصرف مواد ارتباط دارند. با اين‌حال، علي‌رغم اتكاي اقتصاد ایران بر تولید و صادرات مواد خام، تاکنون بررسی جامعي درخصوص الگوی جريان مواد در سطح ملي و مقايسه آن با ساير كشورها انجام نشده است.