خلاصه
برای کاهش یا حداقل کنترل افزایش دمای زمین و تثبیت آن در نزدیکی ۱.۵ درجه سانتیگراد، همه کشورها باید برنامه‌های کربن‌زدایی گسترده‌ای را طراحی و اجرا کنند. برای مثال، باید مصرف سوخت‌های فسیلی را کاهش داد، انرژی‌های تجدیدپذیر را با انواع مبتنی بر سوخت فسیلی جایگزین کرد و تا حد امکان اتکای بیشتری بر انرژی الکتریسیته داشت. این فعالیت‌ها، به طور خاص، به تعداد زیادی توربین بادی، پنل‌های خورشیدی، وسایل نقلیه الکتریکی و باتری‌های ذخیره‌سازی نیاز دارند که همگی از عناصر کمیاب زمین مثلا برخی صنایع معدنی مانند سنگ آهن و فلزات حیاتی ساخته می‌شوند.
عبور از سوخت‌های فسیلی و استفاده از فناوری‌ها با تولید کربن پایین‌تر، بهترین گزینه‌های اکنون جهان برای جلوگیری از تهدید پرشتاب تغییرات آب‌وهوایی و عواقب متأثر از آن‌هاست. فلزات و عناصر کمیاب زمین اجزای کلیدی بسیاری از این فناوری‌ها هستند و تا حد زیادی تعیین می‌کنند که کدام کشورها به اهداف خود برای کاهش انتشار و افزایش نسبت برق تولیدشده از منابع غیرفسیلی دست خواهند یافت.
طبق گزارش آژانس بین‌المللی انرژی، انتظار می‌رود تقاضا برای عناصر کمیاب زمین (Rare Earth Elements) تا سال ۲۰۴۰ به سه تا هفت برابر سطح فعلی برسد. تقاضا برای سایر مواد معدنی حیاتی مانند لیتیوم ممکن است ۴۰ برابر شود. این در حالی است که اجرای تعهدات توافقنامه پاریس در سال ۲۰۱۶، که بر اساس آن کشورهای امضاکننده موظف به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای شده‌اند، نیاز به چهار برابر شدن عرضه جهانی مواد معدنی، در همان چهارچوب زمانی برای کاهش انتشار، دارد. با وجود این، نرخ فعلی در استخراج تنها به عرضه‌ای دو برابری منجر خواهد شد.
عناصر کمیاب زمین
عناصر یا فلزات کمیاب زمین یا Rare Earth Elements مجموعه‌ای از ۱۷ فلز غیرقابل تشخیص، سنگین، نرم و نقره‌ای-سفید هستند. این عناصر نقشی حیاتی در تولید قطعات الکتریکی و الکترونیکی، لیزر، شیشه، مواد مغناطیسی و تحقق انواع فرایندهای صنعتی دارند.
همه به جز یکی از ۱۷ عنصر کمیاب زمین در لیست ۵۰ ماده معدنی قرار می‌گیرند که در سال ۲۰۲۲ به عنوان مواد معدنی حیاتی معرفی شدند. عناصری چون پرازئودیمیم (مورد استفاده در موتور هواپیما)، گادولینیم (مورد استفاده در تصویربرداری پزشکی و بخصوص MRI) و نئودیمیم (مورد استفاده در هارد دیسک‌های کامپیوتری و پردازشگرهای گرافیکی) اعداد اتمی ۵۷ تا ۷۱ دارند و در نقاط پایین از جدول تناوبی قرار گرفته‌اند. کلمه کمیاب (Rare) در اصطلاح عناصر کمیاب زمین به کمیت این عناصر اشاره نمی‌کند، بلکه منظور پراکندگی گسترده آن‌هاست که استخراج آن‌ها، از نظر اقتصادی، را ناکارا می‌سازد.
دستیابی به فلزات کمیاب با به دست آوردن مواد اولیه‌ای آغاز می‌شود که این منابع را در خود دارند. به طور کلی، سه روش برای دسترسی به این مواد وجود دارند: استخراج اولیه و مستقیم از منابع زمینی، بازیابی از منابع ثانویه مانند لوازم الکترونیکی استفاده شده و استخراج از منابع غیرقابل متعارف مانند ضایعات صنعتی مثل خاکستر زغال سنگ و مواد زائد معدنی.
شبیه مواد معدنی دیگر مانند سنگ آهن، چین بر بازار عناصر کمیاب زمین نیز تسلط دارد. بنا بر برآوردهای سال ۲۰۲۱، تقریبا ۶۰ درصد از تولید جهانی این فلزات در اختیار چین است. پس از اعلام محدودیت‌های صادراتی چین در سال ۲۰۲۳ بر روی گالیوم، ژرمانیوم و گرافیت، کشورهای دیگر به شدت به دنبال یافتن منابع جایگزین بوده‌اند.
روش‌های دسترسی به عناصر کمیاب زمین
یکی از منابع غیرمتعارف برای استخراج عناصر کمیاب زمین، خاکستر زغال سنگ است که خود پسماند جامد باقیمانده از سوزاندن زغال سنگ در نیروگاه‌های مختلف به حساب می‌آید. خاکستر زغال سنگ غالبا با آب مخلوط شده و دوغابی تشکیل می‌دهد که در حوضچه‌های خاصی ذخیره می‌شوند. این خاکستر حاوی غلظت بالایی از عناصر کمیاب زمین است.
با این حال، این حوضچه‌ها بی‌ضرر نیستند. به گفته آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا، مدیریت نادرست این حوضچه‌ها می‌تواند مسیرهای آبی، آب‌های زیرزمینی، آب آشامیدنی و هوا را از طریق آلاینده‌هایی مانند جیوه، کادمیوم و آرسنیک به خطر بیاندازد.
استارت‌آپ‌هایی چون Rivalia از فناوری‌های جدید برای استخراج ایمن‌تر بهره می‌گیرند. از طریق مراحل متوالی گرمایش و خنک‌سازی، عناصر کمیاب از طریق مکانیسم تبدیل پروتون به یک مایع یونی – یک نمک در حالت مایع – تبدیل می‌شوند. همچنین، تکنیک‌های احیای اسیدی و لیچینگ بر پایه نمک می‌توانند مقدار آهن را در محلول نهایی کاهش دهند. پس از جداسازی عناصر کمیاب، مواد باقیمانده نیز در تولید محصولات جانبی مانند بتن به کار گرفته می‌شوند.
شیوه‌های مدرن‌تر برای منابع خاص‌تر
منبع غیرمتعارف دیگر برای برداشت عناصر کمیاب زمین، باطله‌های معدنی از معادن مختلف است. در یکی از شیوه‌های مدرن در استخراج، از کنسانتره‌های اکسید استفاده می‌شود که حاوی عناصر کمیاب‌اند. در این شیوه، از تکنیک‌های مختلف جداسازی برای بیرون کشیدن محصولات نهایی استفاده می‌شود. شرکت‌هایی چون Phoenix قصد دارند با صنعتی‌سازی این شیوه تا سال ۲۰۲۶، سالانه ۳۰۰۰ تن عناصر کمیاب از باطله‌های معدنی استخراج کنند.
از آنجا که سالانه در حدود ۱۰ میلیارد تن باطله معدنی تولید می‌شود، چنین روش‌هایی بسیار کاربردی و به‌صرفه خواهند بود.
بازار موجود برای مواد معدنی حیاتی
فناوری‌های انرژی پاک در سال ۲۰۲۳ نیز رکوردهای جدید به جای گذاشتند. با افزایش سالانه تعداد پنل‌های خورشیدی به میزان ۸۵ درصد، توربین‌های بادی با ۶۰ درصد رشد و افزایش خودروهای برقی به ۱۴ میلیون خودرو در سال ۲۰۲۳ (۳۵ درصد بیشتر نسبت به سال قبل)، نیاز به مواد معدنی حیاتی بسیار فراتر از سال‌های قبل شده است.
تقریبا نیمی از ظرفیت ذخیره‌سازی باتری جهان، بیش از ۴۰ گیگاوات، تنها در سال ۲۰۲۳ اضافه شده است. نرخ رشد تقاضا برای مواد معدنی حیاتی در سال ۲۰۲۳ با افزایش تقاضای لیتیوم به اندازه ۳۰ درصد و افزایش تقاضا برای نیکل، کبالت و گرافیت به اندازه ۸ تا ۱۰ درصد همراه بوده است. با این حال، قیمت این مواد معدنی در ۲۰۲۳ کاهشی بوده است؛ لیتیوم ۷۵ درصد کاهش قیمت داشت و فلزات دیگری چون نیکل، کبالت، منگنز و گرافیت ۳۰ تا ۴۵ درصد کاهش را در قیمت‌ها شاهد بودند.
در مقابل، قیمت مس نسبتا انعطاف‌پذیر باقی ماند. ترکیبی از روندهای جدید در عرضه و تقاضا همراه با افزایش قیمت نامتعارف در سال‌های ۲۰۲۱ و ۲۰۲۲ به کاهش قیمت‌ها کمک کرد. در نتیجه، با وجود رشد تقاضا، اندازه بازار برای مواد معدنی مهم در انتقال انرژی با کاهش ۱۰ درصدی به ۳۲۵ میلیارد دلار در سال ۲۰۲۳ رسید.
وضعیت بازار عناصر کمیاب زمین
در سال ۲۰۲۳ ارزش بازار عناصر کمیاب زمین بیشتر از ۳.۴ میلیارد دلار بود و انتظار می‌رود در سال ۲۰۲۴ ارزش آن از ۳.۷ میلیارد دلار عبور کند. بنا بر پیش‌بینی‌ها از بازار تقاضا برای عناصر کمیاب زمین، ارزش بازار این مواد معدنی کمیاب تا ۲۰۳۲ به بیشتر از ۸.۵ میلیارد دلار خواهد رسید.
افزایش تقاضا برای محصولاتی چون گوشی‌های همراه، تبلت، لپتاب و تجهیزات الکترونیکی مشابه اصلی‌ترین عامل در افزایش تقاضا برای این عناصر کمیاب بوده است. همچنین، هم‌زمان با دیجیتالی شدن عملیات صنعتی و شهری، بخصوص در استفاده از تجهیزات الکترونیک مانند اینترنت اشیاء صنعتی و خودروهای الکتریکی، تقاضا برای عناصر کمیاب زمین حتی بیشتر از این پیش‌بینی‌ها خواهد بود.
فلزات و عناصر کمیاب و کاربردهای آن‌ها
در این بخش به برخی از کاربردهای اساسی فلزات و عناصری می‌پردازیم که تحول دیجیتال را ممکن می‌سازند.
لیتیوم
اصلی‌ترین تولیدکنندگان لیتیوم کشورهای چین، شیلی و استرالیا هستند؛ بخصوص، بزرگترین ذخایر کشف‌شده لیتیوم و معادن بزرگ آن در کشور شیلی قرار گرفته‌اند. کاربردهای لیتیوم شامل موارد زیر است:
- استفاده در باطری خودروهای الکتریکی
- گوشی‌های همراه
- لپتاپ و تبلت
- ماهواره
- پهباد
- انواع منابع ذخیره انرژی الکتریسیته
از سال ۲۰۱۷ تا ۲۰۲۲ تقاضا برای لیتیوم ۳ برابر شده است. به ویژه، شرکت‌های سرمایه‌گذار در استخراج لیتیوم ۵۰ درصد بر سرمایه‌گذاری‌های خود افزوده‌اند که به ۹۰ درصد افزایش در استخراج آن منجر شده است. در حال حاضر، هیچ جایگزین (حداقل با توجیه اقتصادی) برای لیتیوم وجود ندارد.
نیکل
تولیدکنندگان اصلی نیکل کشورهای اندونزی، روسیه و چین هستند. کاربرد اصلی نیکل در صنعت خودروهای الکتریکی، تولید انواع باتری، استیل ضدزنگ، نیروگاه‌های انرژی و توربین‌های بادی است. برای سال‌ها اصلی‌ترین کاربرد نیکل در صنعت فولادسازی بوده است، اما تا سال ۲۰۴۰ این جایگاه به صنعت خودروسازی و باتری می‌رسد. در بازه ۲۰۱۷ تا ۲۰۲۲ تقاضا برای نیکل بیشتر از ۴۰ درصد افزایش یافته است.
کبالت
شاخص‌ترین تولیدکنندگان کبالت کشورهای کنگو، اندونزی و چین هستند. کاربردهای اصلی آن نیز در تولید تجهیزات الکترونیک مانند گوشی همراه و تبلت، ابزارهای صنعتی، آلیاژها با پایه نیکل و صنعت خودروهای الکتریکی هستند.
در بازه ۲۰۱۷ تا ۲۰۲۲ تقاضا برای کبالت بیشتر از ۷۰ درصد ارتقاء یافته است؛ این در حالی است که کاربردهای آن در تحول دیجیتال ۴۰ درصد افزایش یافته است.
مس
کشورهای شاخص در تولید مس شیلی، پرو و چین هستند. کاربردهای آن نیز شامل استفاده در شبکه‌های توزیع انرژی الکتریسیته، توربین‌های بادی، پنل‌های خورشیدی، ذخیره انرژی و خودروهای الکتریکی است. مس عنصری اساسی برای تمام جنبه‌های تحول دیجیتال و فناوری‌های مرتبط با آن است. ذخیره جهانی مس در حدود ۸۷۰ میلیون تن است و تقاضای سالانه برای آن بیشتر از ۲۸ میلیون تن می‌باشد.
گرافیت
قدرت غالب در تولید گرافیت چین است (بیشتر از ۷۰ درصد تولید جهانی). گرافیت در تولید باتری‌ها، ساخت انوع مواد نسوز و روان‌کننده‌ها کاربرد شاخص دارد. میزان تقاضا برای گرافیت در سال ۲۰۲۵ نزدیک به ۷۰۰ هزار تن خواهد بود، این تقاضا برای سال ۲۰۱۸ تنها ۱۳۰ هزار تن بود.
عناصر کمیاب زمین
در تولید عناصر کمیاب زمین نیز چین قدرت غالب به حساب می‌آید و تقریبا ۶۰ درصد تولید را به خود اختصاص داده است (همراه با ۹۰ درصد فعالیتهای مرتبط با فرآوری این عناصر از منابع مختلف). عناصر کمیاب عنصری حائز اهمیت در تولید آهنرباهای دائمی مورد استفاده در موتور خودروهای الکتریکی، تجهیزات توربین‌های بادی و دیگر تجهیزات الکترونیک هستند. انتظار می‌رود تا سال ۲۰۵۰ تقاضا برای این عناصر بیشتر از ۸۰ درصد رشد کند.
در حال حاضر، ریسک اصلی متناظر با تأمین تقاضا برای عناصر کمیاب زمین، تسلط بالای چین بر این مواد معدنی است. به همین دلیل است که در چند سال اخیر کشورهای دیگری چون استرالیا و آمریکا سرمایه‌گذاری‌های زیادی در زمینه ایجاد معادن در خاک خود یا سایر کشورها داشته‌اند.
چالش‌های متناظر با استخراج عناصر کمیاب زمین
استخراج عناصر کمیاب زمین بدون ایجاد آسیب زیست‌محیطی، بیشتر به دلیل نحوه استخراج آن‌ها، بسیار دشوار است. یکی از روش‌های استخراج شامل حذف خاک‌های سطحی، ایجاد یک استخر آبشویی بزرگ و استفاده از مواد شیمیایی برای جداسازی عناصر کمیاب زمین از سنگ معدن است. این مواد شیمیایی ممکن است به لایه‌های آب زیرزمینی نفوذ کنند، باعث فرسایش خاک و آلودگی هوا شوند. روش شاخص دیگر که با حفاری و لوله‌زدن و پمپاژ مواد همراه است، عواقب مشابهی را به همراه دارد.
علاوه بر این، از آنجایی که عناصر کمیاب زمین اغلب در نزدیکی توریم و اورانیوم رادیواکتیو یافت می‌شوند، پسماندهای باقیمانده پس از جداسازی این عناصر از سنگ معدن (باطله‌های معدنی) حاوی مواد شیمیایی، نمک‌ها و مواد رادیواکتیو است. نشت این مواد به منابع آب و خاک باعث بروز بحران‌های زیست‌محیطی و انسانی می‌شود. بخصوص، برای تولید یک تن از عناصر کمیاب زمین حدود ۲۰۰۰ تن زباله سمی به وجود می‌آید.
راه‌حل‌هایی برای چالش‌های استخراج عناصر کمیاب زمین
با افزایش روند تقاضا برای عناصر کمیاب زمین، عملیات معدنی متناظر به بهینه‌سازی بیشتر و استفاده از شیوه‌های نوآورانه با کاهش حداکثر تأثیرات منفی زیست‌محیطی نیاز دارند. خوشبختانه در چند سال اخیر تحقیقات موفقی در زمینه تعریف رویه‌های ایمن‌تر و پایدارتر در استخراج این عناصر پیشنهاد شده‌اند که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم.
بیوماینینگ یا معدنکاری زیستی
تحقیقات زیادی برای استفاده از علم زیست شناسی در فعالیتهای معدنی انجام گرفته است. برای مثال، دانشمندان دانشگاه کرنل در حال توسعه رویکرد جدیدی در معدنکاری هستند که در آن از میکروب‌های خاصی برای تولید اسیدهای آلی و جداسازی عناصر کمیاب زمین از گنگ‌های معدنی یا زباله‌های الکترونیکی بازیافتی استفاده می‌شود.
در بیولیچینگ ژن‌های موثر در عمل جداسازی شناسایی و با جهش هدفمند آن‌ها، میکروب‌های کارآمدتری تولید می‌کنند. در دانشگاه هاروارد به طور موفقیت‌آمیز از باکتری‌‌های موجود در جلبگ‌های دریایی برای ساخت فیلترهایی با قابلیت جذب عناصر کمیاب زمین استفاده شده است. این فیلترها لایه‌های مختلف با PHهای متفاوتی دارند که هر کدام مختص جذب یکی از عناصر کمیاب از توده معدنی هستند. در آلمان نیز از گونه‌های جدیدی از سیانوباکتری‌ها برای جذب عناصر کمیاب زمین از پساب معدنی یا زباله‌های الکترونیکی بازیافتی استفاده می‌شود.
استفاده از جریان‌های الکتریسیته
محققان چینی از جریان‌های الکتریکی برای آزادسازی عناصر کمیاب سنگین، آن‌هایی که اعداد اتمی بالایی مانند دیسپروزیم و تربیوم دارند، از سنگ معدن استفاده می‌کنند. روش الکتروکینتیک جدید یک میدان الکتریکی در حول توده ایجاد می‌کند تا کارایی عملیات شستشوی توده بهبود یابد و مقدار کمتری از مواد شیمیایی برای عمل جداسازی به کار رود.
اگروماینینگ یا معدنکاری مبتنی بر کشاورزی
اگر خاک یک منطقه غنی از نیکل، کروم و کبالت باشد، اما فاقد مواد مغذی لازم برای کشت محصولات کشاورزی باشد، آن‌گاه می‌توان شیوه‌های جدیدی در استخراج مواد معدنی در آن تعریف کرد. اگروماینینگ یا فیتوماینینگ (ترکیبی از شیوه‌های کشاورزی صنعتی و استخراج مواد معدنی) شیوه‌های جدیدی در معدنکاری است که در آن‌ها از گیاهان با قدرت رشد بالا استفاده می‌کنند تا عناصر کمیاب را با استفاده از گیاه جذب و پس از برداشت آن‌ها بتوان عناصر را از گیاهان استخراج کرد.
بازیافت مواد
برنامه محیط‌زیست سازمان ملل تخمین‌زده که بیش از ۵۳ میلیون تن زباله الکترونیکی تنها در سال ۲۰۱۹ تولید شده است. ارزش مواد خام موجود در این زباله‌ها بیشتر از ۵۷ میلیارد دلار است. بازیافت این مواد باارزش می‌تواند باعث کاهش نیاز به برداشت بیشتر از ذخایر معدنی شود (تا ۳۰ درصد از تقاضای آینده).
کشورهایی مانند سوئد و آلمان به بزرگترین واردکنندگان زباله‌های الکترونیکی بدل شده‌اند، تنها با این هدف که زنجیره تأمین مطمئنی برای استخراج عناصر کمیاب از این زباله‌های به وجود آورند.
جمع‌بندی
فلزات و عناصر کمیاب به مواد مغذی لازم برای تحول انرژی و تحول دیجیتال جهان بدل شده‌اند. در اکثر برنامه‌ها و فعالیتهای توسعه‌ای از فلزات و عناصر کمیاب زمین به عنوان عاملین اصلی در توسعه پایدار یاد می‌شود. اما این عناصر اگر به درستی استخراج و استفاده نشوند خود به چالش‌هایی بدتر برای محیط‌زیست و توسعه پایدار جوامع بدل می‌گردند.
در کانون تمام بررسی‌ها درباره عناصر کمیاب زمین نقش چالش‌های ژئوپلیتیک بسیار بارز است. بخصوص، اقتصادهای بزرگی چون آمریکا، آلمان و انگلیس بسیار نگران موقعیت استراتژیک و مسلط چین در برداشت عناصر کمیاب زمین هستند.
سوالات متداول
مواد معدنی حیاتی کدامند و چرا برای فناوری و صنعت مدرن مهم هستند؟
مواد معدنی حیاتی عناصری هستند که نقش اصلی را در جریان تحول دیجیتال و انرژی بازی می‌کنند. از جمله این عناصر می‌توان به مس، کبالت، نیکل، لیتیوم و عناصر کمیاب زمین نام برد.
عناصر کمیاب زمین چیست؟
عناصر کمیاب زمین یا REEها گروهی از ۱۷ عنصر شیمیایی کم و بیش مشابه هستند که شامل ۱۵ لانتانید جدول تناوبی به اضافه اسکاندیم و ایتریم است. آن‌ها را به این دلیل کمیاب یا نادر می‌نامند که به ندرت در اشکال متمرکز و قابل بهره‌برداری اقتصادی یافت می‌شوند.
منابع اولیه عناصر کمیاب زمین کدامند و کدام‌ها پیشرو در تولید آن‌ها هستند؟
بزرگترین ذخایر این عناصر در چین، برزیل، ویتنام، روسیه و هند قرار دارند. چین با اختلاف و با ۶۰ درصد از ذخایر جهان بر بازار عناصر کمیاب زمین تسلط دارد. از دیگر تولیدکنندگان مهم می‌توان به ایالات متحده، استرالیا و میانمار نام برد.
باتری لیتیومی چیست؟
باتری لیتیومی نوعی از باتری‌های قابل شارژ است که از یون لیتیوم به عنوان عنصر اصلی در ذخیره الکتریسیته استفاده می‌کند. به دلیل وزن سبک، دوام بالا و ظرفیت بالایی که دارد، باتری لیتیومی در انواع تجهیزات الکترونیکی و خودروهای الکتریکی کاربرد زیادی دارد.
