مواد و ساخت پیشرفته

موسسه تحقیقاتی مواد معدنی و معدن برادشاو برای در مورد تحقیقات و مسائل پیچیده‌ای که نوآوری در معدن مخصوصا معادن مس با آن مواجه است یادداشتی منتشر نموده است که مرور آن خالی از لطف نیست.

طبق گزارش سازمان ملل متحد، مصرف جهانی مواد خام تا سال 2060 میلادی تا 60 درصد افزایش خواهد یافت و از سال 1970 میلادی تاکنون چهار برابر شده است. ما در دنیای ماده‌ها زندگی می‌کنیم و نمی‌توانیم از این واقعیت اجتناب کنیم. عصر جدید برای دستیابی به انرژی مبتنی بر فناوری‌های تجدیدپذیر و کربن‌زدایی به مقادیر عظیمی از مواد معدنی معادن نیاز دارد اما از سوی دیگر نیازمند روش‌های جدید استخراج برای پرداختن به میراث و آینده معدن نیز هست.

بر اساس گزارش آژانس بین المللی انرژی، میزان فلزات و مواد معدنی مورد نیاز برای هر کیلووات ظرفیت تولید، از سال 2010 میلادی تاکنون 50 درصد افزایش یافته است و خودروهای الکتریکی شش برابر بیشتر از موتورهای احتراقی سنتی به مواد معدنی نیاز دارند.

برای مثال یک توربین بادی به 4.7 تن مس و 335 تن فولاد نیاز دارد و برای دستیابی به اهداف انتشار خالص صفر تا سال 2050 میلادی، جهان به اندازه مسی که بشر از سال 1900 میلادی تا به امروز استخراج کرده است، نیاز دارد. با این حال استخراج معادن کنونی به دلیل تخلیه ذخایر موجود، مکان‌های جدید که از نظر زیست‌محیطی و اجتماعی حساس هستند، افزایش عمق معادن، کاهش درجه‌بندی، افزایش نیاز به انرژی و آب و کمبود کارگران ماهر معدن، به طور فزاینده‌ای دشوار است.

صنعت معدن با نظارت فزاینده‌ای روبه‌رو است و به راه‌حل‌های جدیدی نیاز دارد که این مشکلات به هم پیوسته را درک کند تا به طور پایدار تقاضای جهانی برای فلزات و مواد معدنی را برآورده نماید. از اینرو دانشمندان، مهندسان و دانشمندان علوم در تلاش هستند تا با تحقیقات بین رشته‌ای مربتبط با کل چرخه حیات معدن، از اکتشاف اولیه و فرآوری تا بسته شدن و بازسازی معدن، دانش را گسترش دهند.

هر حوزه‌ای توسط دانشگاهیان برجسته و طرح‌ها و ایده‌های نوآورانه هدایت می‌شود تا تیم‌ها بر روی تحقیقات کاربردی برای ارائه مزایای اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی برای صنعت معدن متمرکز شوند. برخی از این موضوعات شامل سیستم‌های انرژی پایدار، میکروبیوم معدن، سرپرستی آب، سرمایه طبیعی و تنوع زیستی فراوری مواد خام و ارتقای چرخه ارزش افزایی و غیره است.

از سوی دیگر کار استخراج معدن مقدار زیادی انرژی مصرف می‌کند. کل صنعت معدن تقریباً 12 اگزاژول در سال یا 3.5 درصد از کل مصرف انرژی نهایی در سطح جهان یا معادل حدود دو میلیارد بشکه نفت مصرف می‌کند. خرد کردن در فرآوری مواد معدنی به تنهایی می‌تواند تا یک درصد از کل انرژی مصرفی نهایی در سطح جهان را مصرف کند، که معادل انرژی مصرف شده توسط بیش از 220 میلیون خانه معمولی انگلیسی است.

همچنین صنعت معدن تحت فشار است تا فعالیت‌های خود را کربن‌زدایی کند. شرکت‌های معدنی متعهد شدند که در دهه‌های آینده به اهداف انتشار خالص صفر برسند. با این حال، این تعهد هم‌زمان با افزایش تقاضا برای مواد معدنی و فلزات برای فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر است، در حالیکه هزینه‌های عملیات معدنی به دلیل کاهش عیار سنگ معدن و معادن عمیق‌تر در حال افزایش است. انتظار می‌رود مصرف انرژی این صنعت افزایش یابد و تلاش‌ها برای دستیابی به انتشار صفر خالص را پیچیده کند.

برای سه قرن، دانشمندان میکروارگانیسم‌ها را به عنوان عواملی در همه جا حاضر اما بی‌ضرر یا بیماری‌زاهایی می‌دانستند که باید از بین بروند اما تحقیقات جدید نشان می‌دهد که چگونه این میکروب‌ها می‌توانند به ما در مقابله با بزرگ‌ترین چالش‌های صنعت معدن کمک کنند.

بیشتر مس از طریق ذوب در کوره تصفیه می‌شود که به آلودگی هوا و آب منجر می‌شود. با این حال، در حال حاضر حدود بیست درصد از مس جهان از هیدرومتالورژی به دست می‌آید که از اسیدهای قوی و به طور فزاینده‌ای از باکتری‌هایی استفاده می‌کند که به طور طبیعی می‌توانند این فلز سرخ را شسته‌شو دهند. برخی از باکتری‌ها می‌توانند سلنیوم محلول در آب را به شکل جامد تبدیل کنند که کمتر چرخه آب را وارد میدان می‌کند.

برخی از میکروب‌ها می‌توانند با چسباندن ذرات شن ریز به یکدیگر به سرکوب گرد و غبار کمک کنند و هوا را برای تنفس ایمن‌تر نمایند. بعضی دیگر می‌توانند به شرکت‌های معدنی کمک کنند تا فلزات خاصی را استخراج نمایند که قبلاً به دنبال آن نبودند مانند عناصر خاکی کمیاب که برای بسیاری از فناوری‌های سبز ضروری هستند. در حقیقت یک جهان کامل از این ریزموجودات برای کاوش وجود دارد اما آزمایشگاه‌های تحقیقاتی به سختی ظرفیت کشف و ترسیم این مرز جدید و درک قابلیت‌های میکروب‌ها را ایجاد کرده‌اند.

برای کشف و ردیابی این موجودات، یک پلتفرم تجزیه و تحلیل میکروبیوم معدنی تشکیل شده است و همچنین مراکز متعدد نوآوری در معدن در سراسر دنیا در حال شکل‌گیری است.

آب‌های سطحی و زیرزمینی منابع مهمی برای زندگی و سلامت انسان هستند. فعالیت‌های معدنی این خطر را دارند که ایمنی این منابع را دچار آسیب جدی نمایند. در معدن مقادیر زیادی آب مصرف می‌شود. آب برای هر مرحله از چرخه معدن، از اکتشاف تا تولید، حیاتی است. صنعت معدن مس به تنهایی بیش از 1.3 میلیارد متر مکعب آب در سال 2006 میلادی برداشت کرد، یعنی نیمی از آبی که شهر لندن، هر روز مصرف می‌کند.

با این حال، نیاز صنعت معدن به آب با جوامع در تضاد خواهد بود. ایده‌ها و مدیریت و کاهش خطرات مرتبط با مصرف آب از اولویت‌های اصلی شرکت ها و جوامع معدنی است. با استفاده از داده‌های جهانی سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده حداقل شانزده درصد از معادن، ذخایر و مناطق معدنی حیاتی زمینی در جهان در مناطقی قرار دارند که در حال حاضر با سطوح بالا یا بسیار زیاد تنش آبی مواجه هستند. از اینرو به تحقیقاتی نیاز داریم که بر روی آب مصرفی معادن صورت گیرد و به تازگی برخی تحقیقات بین‌دانشگاهی در جهان بر روی تحقیقات آب‌های آینده شروع شده است.

مسئله دیگر مشکل عدم توجه به نوآوری و هزینه‌کرد پایین برای تحقیقات است. معمولا تمرکز یک شرکت معدنی بر روی مدل‌های کم هزینه ممکن است بزرگ‌ترین هزینه‌ها را تحمیل نماید و بهترین فرصت‌ها را نابود کند. عموما نیز راه حل‌های پایدار در بخش معدن و جنگل به صورت جداگانه مورد مطالعه قرار می‌گیرند که انی امر تصویری ناقص از تأثیر واقعی معدن را ارائه می‌دهد.

برای نمونه یک مطالعه یک ساله در مورد فرصت‌های کربن زدایی مبتنی بر طبیعت در پنج سایت معدنی کانادا در حال انجام است. رویکرد یک تحلیل چند‌بعدی است که طیف گسترده‌ای از عوامل را برای ایجاد راه‌حل‌های با ارزش و کم هزینه برای کمک به شرکت‌های معدنی برای تثبیت پورتفولیوی جذب کربن و به حداقل رساندن هزینه تعهدات کربن‌زدایی می‌سنجید.

دعوت به مشارکت در نوآوری معادن ترند روز صنعت معدن در دنیا است

دانشگاه‌ها به‌عنوان کانون‌های نوآوری و کارآفرینی عمل می‌کنند و فرهنگی را پرورش می‌دهند که کاوش ایده‌های جدید و ایجاد سرمایه‌گذاری‌های فرعی مبتنی بر تحقیقات پیشرفته را تشویق می‌کند. همکاری‌های صنعتی با دانشگاه‌ها به شرکت‌ها امکان دسترسی به مجموعه‌ای از افراد با استعداد مانند محققان، دانشمندان و دانشجویان را می‌دهد که می‌توانند ایده‌ها، دیدگاه‌ها و مهارت‌های جدید را ارائه دهند.

با مشارکت با دانشگاه‌ها، شرکت‌ها می‌توانند از این اکوسیستم کارآفرینی بهره ببرند و به طور بالقوه از تجاری‌سازی تحقیقات بهره‌مند شوند. منابع مادی محدود هستند اما پتانسیل تحقیق و نوآوری نامحدود است.

منبع