صنعت فلزات پیش‌تر نیز شاهد دگرگونی‌های بزرگی بوده است: فرایند بسمر، ذوب فلاش، کوره‌های قوس الکتریکی و ریخته‌گری پیوسته مدرن، هر یک مرزهای ممکن را جابه‌جا کردند.

بااین‌حال، بیش از یک قرن است که در بیشتر فرایندهای استخراج از روش‌ها و مسیرهایی استفاده می‌شود که برای متالورژیست‌های نسل‌های پیشین آشناست. فرایندها بزرگ‌تر شده‌اند و سامانه‌های کنترل هوشمندتر، اما علم بنیادیِ جداسازی فلزات از سنگ معدن کمتر از آنچه بسیاری تصور می‌کنند تغییر کرده است.

چالش‌های امروزی در حوزه مواد با چالش‌های قرن بیستم تفاوت دارند؛ پس چرا تولید فلزات حیاتی همچنان بر پایه‌های علمی تقریباً یکسانی انجام می‌شود؟

EvoMaterials، پلتفرم فناوری‌ای که Outokumpu ــ پیشرو جهانی در تولید فولاد زنگ‌نزن پایدار و تولیدکننده فروکروم با ردپای کربنی ۶۷ درصد کمتر از میانگین صنعت ــ توسعه داده است، با بازنگری در روش‌های استخراج فلزات، این پرسش را بررسی می‌کند:

کاسپار استین، مدیر فنی متالورژی استخراجی در Outokumpu، می‌گوید: «تصمیم گرفتیم از محدودیت‌های کنونی فراتر برویم و با تکیه بر دانش علمی و مهندسی و تجربه‌ای که امروز در اختیار داریم، از پایه بررسی کنیم بهترین روش انجام این کار چیست. می‌خواهیم ببینیم چگونه می‌توانیم تولید فلزات را از نو تصور کنیم.»

مسئله‌ای در زنجیره تأمین که خود را به شکل مسئله مواد نشان می‌دهد

با گسترش اقتصادها و برقی‌شدن هرچه بیشتر جهان، داده‌ها و مدل‌های علمی از افزایش تقاضا برای بسیاری از مواد معدنی حکایت دارند؛ تقاضایی که فناوری‌هایی از مراکز داده و هوافضا گرفته تا تصفیه آب، سامانه‌های انرژی و صنایع دفاعی به آن دامن می‌زنند. به گفته آنتوان آلانور، استاد متالورژی در Massachusetts Institute of Technology (MIT)، این روند هم‌زمان شده است با کاهش ظرفیت فرآوری داخلیِ همان فلزاتی که این صنایع به آن‌ها وابسته‌اند، در بسیاری از اقتصادهای غربی.

امروزه متالورژی اهمیتی راهبردی یافته و نه‌تنها هزینه و دسترس‌پذیری، بلکه ردپای کربنی، خاستگاه جغرافیایی و تاب‌آوری زنجیره تأمین نیز آن را شکل می‌دهند.

این واقعیت به‌ویژه درباره کروم و دیگر فلزات ویژه‌ای صدق می‌کند که در محیط‌های پُردما و شرایط سخت به کار می‌روند. مواد پایه‌کروم در سامانه‌های هوافضایی، تولید برق، زیرساخت‌های مقاوم در برابر خوردگی و فناوری‌های دفاعی نقشی حیاتی دارند؛ حوزه‌هایی که در آن‌ها مواد باید در شرایط دشوار عملکرد قابل‌اتکایی داشته باشند.

فراتر از بهینه‌سازی

نوآوری در متالورژی طی دهه‌ها عمدتاً بر افزایش بازده، بهبود بهره‌وری انرژی و کنترل فرایند متمرکز بوده است. ایده محوری EvoMaterials این است که برخی فرایندهای متالورژی می‌توانند از مسیرهای شیمیایی کاملاً متفاوتی بهره ببرند.

این پلتفرم از پژوهش درباره فناوری‌های فرآوری مبتنی بر سولفیداسیون سرچشمه می‌گیرد؛ پژوهش‌هایی که در ابتدا با هدف کاهش انتشار کربنِ ناشی از تولید فروکروم انجام می‌شدند. کار آزمایشگاهی نشان داد که این فناوری ظرفیت گسترده‌تری دارد.

آزمایش‌های در مقیاس آزمایشگاهی نشان دادند که این شیمی‌های جایگزینِ فرایند، بالقوه می‌توانند کاری فراتر از کاهش انتشار آلاینده‌ها انجام دهند. این روش‌ها می‌توانند فلزات ارزشمند را از منابع کم‌عیارتر و جریان‌های جانبی صنعتی بازیابی کنند و در عین حال، شیوه انجام فرایندهای جداسازی را از پایه تغییر دهند. این فرصت، بازاندیشی در نحوه استفاده از منابع معدنی و میزان ارزشی را فراهم می‌کند که می‌توان از آن‌ها استخراج کرد؛ رویکردی که بهره‌وری منابع را افزایش می‌دهد و رقابت‌پذیری صنعتی را تقویت می‌کند.

درک تفاوت میان ذوب سنتی و فناوری اختصاصی جدید

منبع: Outokumpu

توسعه این فناوری در سال ۲۰۲۱ در ایالات متحده و برای فرآوری کرومیتِ معدن Kemi متعلق به Outokumpu در فنلاند آغاز شد؛ معدنی که تنها معدن کروم در اتحادیه اروپا و یکی از معدود معادن از این نوع در جهان غرب است. از آن زمان، Outokumpu این فناوری را با پژوهش و توسعه گسترده تکامل داده و شیمی‌های جدید فرایند را با تخصص متالورژی اختصاصی خود ترکیب کرده است؛ تلاشی که بخشی از آن با توافق‌نامه مجوز ثبت اختراع غیرانحصاری از MIT پشتیبانی شده است.

آلانور توضیح می‌دهد: «این فناوری، کاربردی تازه برای جداسازی عناصر فلزی از مواد است.» در گذشته، این جداسازی با روش‌هایی پرمصرف از نظر کربن و انرژی انجام می‌شد. روش جدید محیط شیمیایی متفاوتی ایجاد می‌کند که استخراج کارآمدتر را با اتلاف کمتر و تولید محصولات جانبی ناخواسته کمتر امکان‌پذیر می‌سازد و مواد حیاتی را از منابعی بازیابی می‌کند که پیش‌تر پسماند به شمار می‌رفتند.

نوآوری در مرز میان رشته‌ها شکل می‌گیرد

EvoMaterials در محل تلاقی چندین رشته علمی قرار دارد؛ ترکیبی که برای استین جذابیت ویژه‌ای دارد. او در MIT دکترای علوم و مهندسی مواد گرفت و پژوهش‌هایش بر فرآوری کم‌کربن فلزات و فناوری‌های بازیافت متمرکز بود.

نوآوری در مواد مدرن از ترکیبی رو به گسترش از شیمی، علم مواد، فیزیک، مدل‌سازی محاسباتی و مهندسی بهره می‌گیرد. ابزارهای پیشرفته شبیه‌سازی و هوش مصنوعی به پژوهشگران کمک می‌کنند مسیرهای امیدبخش را شناسایی کنند، اما کشف علمی همچنان به آزمایش و بررسی در آزمایشگاه وابسته است؛ یعنی باید آستین بالا زد و کار دشوار را انجام داد.

استین می‌گوید: «علم امروز بسیار میان‌رشته‌ای‌تر از گذشته است و همکاری میان رشته‌ها فرصت‌های علمی تازه‌ای را آشکار می‌کند.» مهندسی می‌تواند این فرصت‌ها را به تولید فلزات کارآمدتر و رقابت‌پذیرتر از نظر هزینه تبدیل کند.

ساخت یک پلتفرم فناوری

یکی از جنبه‌های فنی مهم EvoMaterials این است که با یک فرایند منفرد سروکار نداریم، بلکه با یک پلتفرم فناوری روبه‌رو هستیم. آلانور EvoMaterials را با فناوری‌های پلتفرمی در صنایع دیگر مقایسه می‌کند؛ فناوری‌هایی که در آن‌ها یک دستاورد علمی می‌تواند زمینه‌ساز کاربردهای گوناگون در مراحل بعدی شود.

پس از آنکه یک مسیر استخراج جدید برای یک سامانه مواد مشخص به‌خوبی توسعه یافت، می‌توان همان اصول علمی را با تغییراتی برای فلزات و منابع معدنی کاملاً متفاوت به کار گرفت. کاربرد اولیه تنها نقطه شروع است.

آلانور توضیح می‌دهد: «آینده و تأثیر بالقوه این فناوری ممکن است بسیار گسترده‌تر از توسعه‌های اولیه و کنونی آن باشد.»

این امکان هرچه بیشتر اهمیت پیدا می‌کند، زیرا صنایع در پی تأمین مطمئن نیکل، کروم، مولیبدن و دیگر مواد راهبردی موردنیاز برای تولید پیشرفته‌اند.

آینده شرکت‌های حوزه مواد

پیامدهای گسترده‌تر این تحول از مرزهای متالورژی فراتر می‌رود. شرکت‌هایی که فناوری‌های فرایندی اختصاصی توسعه می‌دهند، ممکن است علاوه بر تولید، از مالکیت فکری و تخصص علمی نیز ارزش‌آفرینی کنند.

با اتکا به رهبری فناورانه Outokumpu، این گذار می‌تواند دسته‌های کاملاً تازه‌ای از ارزش ایجاد کند و تولید مواد حیاتیِ باارزش را از سنگ معدن‌ها و جریان‌های منابعی ممکن سازد که پیش‌تر غیراقتصادی یا دست‌نیافتنی به نظر می‌رسیدند.

نتیجه، دگرگونی بنیادی در شیوه تولید فلزات خواهد بود؛ دگرگونی‌ای که در آن پایداری، بهره‌وری منابع، امنیت تأمین و ارزش اقتصادی، نه اهدافی جداگانه، بلکه دستاوردهای یک معماری فناورانه واحد خواهند بود.

گام بعدی EvoMaterials اعتبارسنجی در مقیاس پایلوت است. قرار است یک واحد پایلوت در نیوهمپشایر در نیمه نخست سال ۲۰۲۷ فعالیت خود را آغاز کند. این واحد فناوری اختصاصی را از مقیاس آزمایشگاهی به تولید یک‌تنی می‌رساند و گامی در مسیر استقرار صنعتی آن خواهد بود که برای سال ۲۰۳۰ هدف‌گذاری شده است. این پلتفرم، افزون بر تولید فروکروم کم‌CO₂ و غنی‌شده با کروم و فلز کروم، می‌تواند برای مواد راهبردی دیگری از جمله نیکل و مولیبدن نیز به کار گرفته شود.

این پژوهش پرسشی گسترده‌تر را مطرح می‌کند: اگر بسیاری از فرایندهای متالورژی امروز از ابتدا ابداع می‌شدند، چندتای آن‌ها همین شکل را داشتند؟ آیا می‌توان این مسیرها را امروز به شکل دیگری طراحی کرد؟

انقلاب بعدی در حوزه مواد شاید با بازاندیشی در روش استخراج فلزاتی آغاز شود که جامعه به آن‌ها وابسته است.

درباره این موضوع بیشتر بخوانید و سخنان بیشتری از کاسپار استین و آنتوان آلانور بشنوید.

این محتوا را Outokumpu تهیه کرده است و تحریریه MIT Technology Review آن را ننوشته است.