النهوض بالابتكار في تطبيقات المعادن النادرة وتقنياتها

هذا المحتوى مأخوذ من منحة كلية Stanford Advanced Materials لعام 2025 مقدمة من جاهسيان ميكل.

الملخص

تعتمد كل التقنيات الضرورية للصناعة المعاصرة تقريبًا على المعادن النادرة، فالمغناطيسات الدائمة في قلب توربينات الرياح والسيارات الكهربائية تعمل بالنيوديميوم والديسبروسيوم، ومكونات الفضاء الجوي يتم تقويتها بالتنغستن، ويضمن التنتالوم موثوقية الإلكترونيات المتطورة والزراعات الطبية. ومع ذلك، فإن التأثير البيئي غير المستدام للتعدين والتكرير التقليدي، بالإضافة إلى سلاسل التوريد التي تتركز بشكل كبير في عدد قليل من الدول، يمثلان تحديين متزامنين لهذه المواد التي لا يمكن الاستغناء عنها.

مع التركيز على استعادة العناصر الأرضية النادرة (REEs)، وخاصة النيوديميوم، من محركات الأقراص الصلبة للكمبيوتر المستعملة، يقدم هذا المشروع طريقاً مستداماً من خلال "التعدين الحضري". تستعيد العملية أكاسيد العناصر الأرضية النادرة عالية النقاء مع انبعاثات أقل بكثير من التعدين التقليدي من خلال الجمع بين إزالة المغنطة الحرارية والفصل الميكانيكي الانتقائي والاستخلاص الكيميائي المستوحى من المواد الحيوية.

تعالج هذه الفكرة مشكلتين ملحتين في جميع أنحاء العالم: التوسع السريع في النفايات الإلكترونية والحاجة المتزايدة للمعادن النادرة في الصناعات عالية التقنية. تستفيد صناعات مثل الطاقة المتجددة والفضاء والإلكترونيات والدفاع من أساس مادي أكثر أماناً واستدامة حيث يتم إعادة دمج العناصر النادرة المستعادة في سلاسل التوريد الصناعية.

من خلال تحويل النفايات الإلكترونية إلى مادة وسيطة يمكن الاعتماد عليها للتقنيات القادمة، يضع هذا الابتكار التعدين الحضري كاستراتيجية للموارد الصناعية بالإضافة إلى استراتيجية إعادة التدوير. من شأن هذه الاستراتيجية تأمين المعادن النادرة اللازمة لدفع الابتكار في القرن القادم مع تعزيز التصنيع المتقدم وتقليل الضرر البيئي للولايات المتحدة وحلفائها حول العالم.

1. مقدمة

إن المعادن النادرة هي الأبطال المجهولين للاقتصادات المعاصرة، فهي ضرورية للتقنيات الحيوية في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية والرعاية الصحية والطاقة المتجددة والفضاء بسبب خصائصها الكهربائية والحرارية والمغناطيسية الخاصة. تُصنع المغناطيسات الدائمة في المحركات والتوربينات من النيوديميوم والديسبروسيوم والبراسيوديميوم.ونظراً لكثافته العالية ونقطة انصهاره، يُعد التنجستن ضرورياً للوقاية من الإشعاع وأدوات القطع والمحركات النفاثة. ويُعد التنتالوم مكوناً أساسياً في المكثفات عالية الأداء والزراعات الطبية نظراً لمقاومته للتآكل.

وقد أصبح الحصول على المعادن النادرة أكثر صعوبة على الرغم من أهميتها. وهناك نقاط ضعف كبيرة ناجمة عن التركز الجيوسياسي، مثل حقيقة أن دولة واحدة تتولى أكثر من 90% من تكرير المعادن النادرة في العالم. كما أن التعدين التقليدي ينطوي على مشاكل خطيرة تتعلق بالاستدامة أيضاً، مثل المخلفات المشعة وإزالة الغابات. وفي الوقت نفسه، تتزايد النفايات الإلكترونية على مستوى العالم؛ فوفقاً للأمم المتحدة، يتم إنتاج أكثر من 60 مليون طن متري سنوياً.

إن الطلب المتزايد والعرض المحدود هما ضغطان يوفران فرصًا وتحديات في آن واحد. لا يمكن للمجتمع الاستمرار في تحمل التكلفة البيئية، ولكن لا يمكن للصناعات أن تتحمل النقص في هذه المعادن النادرة. إن استعادة العناصر النادرة من الأقراص الصلبة المهملة هو الحل المستدام الذي أقترحه. إن إجراء "التعدين الحضري" هذا بمثابة مثال على كيفية تعايش كل من التدوير والابتكار وقابلية التوسع الصناعي مع اتجاهات تطوير المعادن النادرة في المستقبل.

2. المشهد الحالي للمعادن النادرة

للمعادن النادرة مجموعة واسعة من الاستخدامات الصناعية المترابطة:

• صناعة الطيران: يمنح التيتانيوم هياكل الطائرات قوتها خفيفة الوزن، ويثبت الهافنيوم السبائك الفائقة، وتقوي سبائك التنغستن شفرات التوربينات.
• الطاقة المتجددة: تستخدم المغناطيسات القائمة على النيوديميوم في توربينات الرياح؛ ويستخدم الجرمانيوم والإنديوم في الخلايا الشمسية؛ وتزداد أهمية الليثيوم والكوبالت في تخزين الطاقة.
• التكنولوجيا الطبية: تشمل الأمثلة على كيفية دعم المعادن النادرة للصحة العالمية البريليوم في أجهزة التصوير، وزراعة التنتالوم، ومغناطيسات التصوير بالرنين المغناطيسي التي تستخدم العناصر الأرضية النادرة.
• الإلكترونيات والحوسبة: يسلط استقرار الزركونيوم في السيراميك والمكثفات، ودور النيوبيوم في الموصلات الفائقة، ومغناطيسات التربة النادرة في تخزين البيانات الضوء على مركزيتها.

ومع ذلك، لا يزال الحصول على هذه المواد صعبًا، فمقابل كل كيلوغرام من أكاسيد التربة النادرة، تحتوي خامات العناصر الأرضية النادرة التقليدية عادةً على أطنان من نفايات الصخور أو 0.05% فقط من المعادن القابلة للاستخدام، وعادةً ما تلوث الأحماض والمذيبات اللازمة للمعالجة مصادر المياه القريبة، وتتركز سلاسل الإمداد للمعادن مثل التنتالوم والتنغستن في المناطق المعرضة للقيود التجارية أو النزاعات.

وفي الوقت نفسه، فإن تركيزات المعادن في النفايات الإلكترونية أعلى بكثير من تركيزاتها في الخامات الطبيعية، حيث يمكن استخلاص كمية من الذهب والكوبالت والعناصر الأرضية النادرة من طن متري واحد من الهواتف الذكية أكثر من العديد من المناجم. ومع ذلك، لا تزال معدلات إعادة التدوير في جميع أنحاء العالم أقل من 20% بشكل عام وأقل من 1% بالنسبة للعناصر الأرضية النادرة. ويوضح هذا التفاوت كيف أن البنية التحتية والابتكار، وليس الندرة، هما السببان الرئيسيان لعدم كفاءة الموارد.

3. الابتكار المقترح: التعدين الحضري للأقراص الصلبة

على الرغم من أن إطار العمل الأساسي له تطبيقات أوسع عبر المعادن النادرة، إلا أن الابتكار المعروض هنا يركز على استعادة النيوديميوم.

هناك بالفعل أنظمة معمول بها لجمع وتفكيك أصول تكنولوجيا المعلومات، وإدارة أجهزة الكمبيوتر المتوقفة عن العمل من الشركات والمؤسسات الأكاديمية. يمكن استخلاص مغناطيس النيوديميوم بشكل فعال من محركات الأقراص الصلبة كمكونات مميزة يمكن التعرف عليها.

المعالجة الميكانيكية وإزالة المغناطيسية

لضمان مناولة أكثر أمانًا، يتم تسخين المغناطيسات في ظروف خاضعة للتحكم لإزالة خصائصها المغناطيسية. ولتحسين مساحة السطح للتفاعلات الكيميائية، يتم بعد ذلك تمزيقها.

الاستخلاص والإذابة الانتقائية

يتوخى هذا النهج بروتوكولات هجينة - الأحماض المعدنية الخفيفة مع مخلّبات عضوية مصممة على غرار هياكل البروتين الطبيعية - بدلاً من الأحماض الكاوية للغاية. وتترك هذه الأحماض وراءها شوائب مثل الحديد أو النيكل بينما تستهدف أيونات الأرض النادرة. وتكون النتيجة فصل انتقائي مع نفايات ثانوية أقل.

التنظيف وإعادة الاستخدام

يتم إنتاج أكسيد النيوديميوم عالي النقاء عن طريق تكليس المحاليل المستعادة بعد ترسبها إلى أكسالات. وتعمل هذه الأكاسيد على سد الفجوة بين التطبيقات الصناعية من الجيل التالي والإلكترونيات المنتهية الصلاحية من خلال إعادة دمجها في عملية إنتاج المغناطيس.

ويمكن أيضًا معالجة المعادن النادرة الأخرى، مثل الليثيوم من البطاريات أو خيوط التنغستن أو مكثفات التنتالوم بهذه الطريقة. ونتيجة لذلك، يوفر التعدين الحضري طريقة متعددة الاستخدامات لمعالجة أهمية المعادن الكبيرة.

4. التطبيقات الصناعية والاتجاهات المستقبلية

يتم إعادة دمج المعادن النادرة وغيرها من العناصر النادرة التي يتم استخلاصها على الفور في الأنظمة الصناعية:

• الفضاء والدفاع: تعتمد السبائكعالية الحرارة ، ومكونات الأقمار الصناعية، وأنظمة الدفع النفاثة، على إمدادات موثوقة من التنغستن والتنتالوم والمغناطيسات الأرضية النادرة. وبالنسبة لهذه الصناعات الحيوية، فإن التعدين الحضري يحسن أمن الإمدادات.
• الطاقة الخضراء: من المتوقع أن يتضاعف الطلب على النيوديميوم في السيارات الكهربائية ثلاث مرات بحلول عام 2030؛ ويوازن الاسترداد الموثوق به بين كثافة التعدين والتبعيات الجيوسياسية.
• الأنظمة الطبية: الأجهزة القابلة للزرع، ومعدات الإشعاع، وتكنولوجيا التصوير بالرنين المغناطيسي كلها مدعومة بإمدادات ثابتة من التنتالوم والبريليوم.
• الإلكترونيات: يدعم الزركونيوم والنيوبيوم المستعادان الدوائر المتكاملة والمكثفات، مما يؤدي إلى تقدم تكنولوجيا أشباه الموصلات.

من المتوقع أن يتحول الاستهلاك العالمي للمعادن من الاتجاهات الخطية إلى الاتجاهات الدائرية. وتشجع اللوائح التنظيمية على التوريد المستدام، وتعتمد الجهات الصناعية الفاعلة إجراءات إعادة التدوير بشكل أكثر تواتراً، كما أن التطورات في التصميم تفضل الإلكترونيات المعيارية التي تجعل استرداد المكونات أسهل. وبالتالي، فإن التعدين الحضري له تأثير على القدرة التنافسية الصناعية في القرن الحادي والعشرين وكذلك على أهداف الاستدامة.

5. الخاتمة

على الرغم من أن المعادن النادرة ضرورية للتكنولوجيا الحديثة، إلا أن مستقبلها غير مؤكد ما لم تعتمد الصناعة ممارسات جديدة في مجال التوريد. يعد التعدين الحضري طريقة قابلة للتطبيق وقابلة للتطوير وصديقة للبيئة لاستعادة المعادن القيمة من النفايات الإلكترونية.

يمهد هذا الاختراع الطريق لسلاسل التوريد المستدامة في مجالات الإلكترونيات والطاقة والرعاية الصحية والفضاء من خلال التركيز على مغناطيس النيوديميوم في محركات الأقراص الصلبة والانتقال إلى معادن حيوية أخرى. وبذلك، تتم إعادة صياغة النفايات كمورد صناعي بدلاً من كونها عبئاً.

يمكن للمجتمع أن يضمن استمرار وفرة المعادن الضرورية للتقدم، وأن تكون آمنة ومستدامة إذا استمر الجيل القادم من العلماء والمهندسين والمبتكرين في خلق هذه الأطر. التعدين الحضري هو مستقبل المرونة الصناعية وتطبيقات المعادن النادرة؛ فهو أكثر من مجرد إعادة تدوير.