معدن یک صنعت آلوده است؛ آیا تکنولوژی جدید می‌تواند آن را پاک تر کند؟

در ماه مارس جو بایدن دستور داد منابع دولتی بیشتری به سمت استخراج فلزات و کانی‌های مورد نیاز برای باتری‌های خودروهای الکتریکی (EV) هداست شوند؛ از جمله نیکل، کبالت، گرافیت و لیتیوم.

این دستور رییس جمهور یکی از جنجالی‌ترین واقعیت‌های انتقال به انرژی سبز را مورد توجه قرار داد: برای جابجایی از منابع انرژی فسیلی کثیف به تجدیدپذیرها و EVهای بدون کربن، نیاز به معدن‌کاری بیشتر داریم ــ کسب و کاری که از لحاظ تاریخی بسیار آلوده کننده است.

معدن‌کاری شامل خارج کردن سنگ معدن از زمین، انتقال آن به کارخانه‌های فرآوری، خرد کردن آن، جداسازی و خالص‌سازی فلزات و در نهایت دور ریختن پسماندها است. زمین بریده می‌شود تا راه برای معدن و تجهیزات مربوط به آن باز شود؛ کاری که اغلب مقدار قابل توجهی انرژی و آب استقفاده و آلودگی هوا و پسماندهای خطرناک تولید می‌کند.

اما مجموعه‌ای از تکنولوژی‌های نوظهور، از هوش مصنوعی گرفته تا کربن‌گیری، می‌تواند استخراج کانی‌ها و فلزات حیاتی لازم برای انتقال انرژی را پایدارتر از امروز کند.

با انتظار افزایش تقاضا برای این مواد به خاطر حرکت دنیا از سوخت‌های فسیلی به خورشید، باد و خودروهای الکتریکی، علاقهٔ جدیدی از سوی دولت ایالات متحده و بخش خصوصی به معرفی تکنولوژی‌های جدید به بازار شکل گرفته است ــ و به سرعت.

دپارتمان انرژی آمریکا (DOE) در گزارشی جدید دربارهٔ حمایت از زنجیره‌های تامین برای انتقال به انرژی پاک، روی اهمیت حمایت دولت فدرال از روش‌های استخراج «پایدار از لحاظ محیط زیستی و نوین» مواد حیاتی تاکید می‌کند.

داگلاس هالت (Douglas Hollett)، مشاور ویژهٔ DOE در زمینهٔ فلزات و کانی‌های حیاتی، می‌گوید این گزارش این دیدگاه سازمان را منعکس می‌کند که استخراج مواد حیاتی تنها به یافتن منابع مورد نیاز و حفاری آن‌ها محدود نمی‌شود.

استخراج داده‌ها

مدت‌ها قبل از ساخته شدن یک معدن، زمین‌شناسان به محل معدن فرستاده می‌شوند تا در زمین سوراخ‌هایی حفر کنند و به دنبال ذخایر سنگ معدن ارزشمند بگردند.

اکتشاف معمولا کم‌آسیب‌ترین مرحلهٔ معدن‌کاری از لحاظ محیط زیستی است، اما همچنان می‌توان آن را بهبود داد. استارتاپ‌های کاوش معدن اندک اما رو‌به‌رشدی باور دارند که می‌توانند این کار را با استخراج داده‌ها انجام دهند.

یکی از این استارتاپ‌ها کوبولد متالز (KoBold Metals) است که از ابزارهای پیچیدهٔ علم داده و هوش مصنوعی (AI) استفاده می‌کند تا در داده‌های انبوه عمومی و تاریخی و همچنین داده‌هایی که در برنامه‌های میدانی مبتنی بر AI جمع‌آوری می‌شوند، شواهدی مبنی بر وجود ذخایر فلزات باتری پیدا کند.

کوبولد قصد دارد تا نرخ کشف را در مقایسه با روش‌های اکتشاف میدانی سنتی ۲۰ برابر افزایش و میزان زمین دستکاری شده برای پیدا کردن ذخایر سنگ معدن جدید کاهش دهد.

هالی بریج‌واتر (Holly Bridgwater)، زمین‌شناس اکتشافی در کمپانی استرالیایی نوآوری علوم زمین Unearthed، احساس می‌کند که هدف کوبولد با توجه به نرخ فعلی موفقیت در اکتشاف‌های معدن قابل دستیابی است: زمین‌شناسان تخمین می‌زنند امروزه کمتر از یک سایت از ۱۰۰ سایتی که برای معدن‌کاری بررسی می‌شود، واقعا به یک معدن تبدیل می‌شود.

کوبولد تابستان امسال در چند سایت در کانادا و زامبیا، که در آن‌ها شواهد وجود ذخایر نیکل و کبالت پیدا کرده، کار میدانی انجام خواهد داد. اما مسئول تکنولوژی جاش گلدمن (Josh Goldman)، می‌گوید این کمپانی «دو سال یا بیشتر» از تصمیم در مورد ارزش معدن‌کاری این سایت‌ها فاصله دارد.

به گفتهٔ گلدمن، اگر این کمپانی بتواند از AI برای کشف سنگ معدن‌های مخفی اما با کیفیت بالا ساستفاده کند، می‌تواند اثرات پایین‌دستی معدن‌کاری را کاهش دهد.

تامین قدرت تجدیدپذیر

کشف منابع با کیفت می‌تواند زیان معدن‌کاری را کاهش دهد، اما هرگونه فرایند سنتی معدن‌کاری همچنان اثرات محیط زیستی قابل توجهی خواهد داشت ــ مخصوصا بر اقلیم. حمل و نقل، خرد کردن و فرآوری سنگ بسیار انرژی‌بر است؛ بخش معدن ۶ مسئول درصد تقاضای انرژی جهان و ۲۲ درصد انتشار گاز صنعتی دنیا است.

با این که بسیاری از کمپانی‌های معدن شروع به خرید برق تجدیدپذیر کرده‌اند و برخی در حال آزمایش گزینه‌های حمل و نقل جایگزین مثل کامیون‌های سوخت هیدروژن هستند، این بخش همچنان به طور عمده برای تامین انرژی ماشین‌آلات سنگین و تجهیزات پرمصرف خود به سوخت‌های فسیلی وابسته است.

حداقل برای یک مادهٔ حیاتی، لیتیوم، می تواند یک راه پاک‌تر موجود باشد.

تقاضای جهانی برای لیتیوم، که به عنوان یک حامل انرژی در باتری‌های هر چیزی از گوشی‌های هوشمند گرفته تا خودروهای الکتریکی استفاده می‌شود، درصورتی که دنیا به سرعت از خودروهای بنزینی به الکتریکی حرکت کند، می‌تواند تا سال ۲۰۴۰، ۴۰ برابر شود.

برای دهه‌ها، پژوهشگران احتمال استخراج لیتیوم از شورابه‌های زمین‌گرمایی را بررسی کرده‌اند؛ آب‌های گرم و غنی از مواد معندی که برخی از برخی از نیروگاه‌های زمین‌گرمایی آن‌ها را برای تولید انرژی از اعماق زمین به سطح می‌آورند.

مایکل ویتاکر (Michael Whittaker)، پژوهشگر مرکز پژوهش و نوآوری منابع لیتیوم در DOE، می‌گوید ایده این است که تمام فرایند استخراج لیتیوم با استفاده از انرژی زمین‌گرمایی عاری از کربن انجام شود.

استخراج لیتیوم از شورابه‌های زمین‌گرمایی این پتانسیل را نیز دارد که آب بسیار کمتری نسبت به حوضچه‌های بخار بزرگ و هوای آزادی استفاده شود که برای متمرکز کردن لیتیوم موجود آب‌های کم‌عمق‌تر زیر پهنه‌های نمکی در آرژانتین و شیلی به کار می‌روند.

پیش از این که بتوان مقادیر زیادی لیتیوم از فرایند زمین‌گرمایی استخراج کرد، باید موانع بزرگی کنار زده شوند.

ویتاکر می‌گوید محتوای لیتیوم شورابه‌های زمین‌گرمایی نسبت به جایگزین‌های آمریکای جنوبی نسبتا کمتر است. در شورابه‌های زمین‌گرمایی عناصر دیگر، نظیر سدیم و پتاسیم، با غلظت‌های بیشتر از لیتیوم وجود دارند و با فرایند استخراج در تداخل هستند.

به گفتهٔ ویتاکر، در حال حاضر دستگاه‌های نیروگاه‌های زمین‌گرمایی شورابه‌های گرم را با سرعتی به سطح زمین می‌آورند و دوباره به اعماق تزریق می‌کنند، که لیتیوم نمی‌تواند استخراج شود. این به این معنی است که نمی‌توان ارزش بالقوه‌ای را از این فرایند تولید کرد.

علی‌رغم چالش‌های تکنیکی و موانع تجاری، DOE و بخش خصوصی چشم‌اندازهای نویدبخشی را در روش زمین‌گرمایی می‌بینند. تخمین‌های تقریبی بر اساس اندازه‌گیری‌های مربوط به شیمی و حجم شورابه‌ها و نشان می‌دهند که مقادیر عظیمی از لیتیوم زیر یک دریاچهٔ بسیار شور در جنوب کالیفرنیا به نام دریای سالتون جریان دارد.

ویتاکر می‌گوید «به اندازه‌ای لیتیوم زیر دریای سالتون موجود است که می‌تواند احتمالا تقاضای ایالات متحده برای باتری‌های EV را تا پایان این دهه تامین کند.»

استخراج پسماند

برخی پژوهشگران و کارآفرینان باور دارند که منابع مورد نیاز برای انتقال انرژی در پسماندهای معادن قدیمی و متروکه پیدا می‌شود.

Nth Cycle استارتاپی است که تکنولوژی استخراج فلزات باتری مثل کبالت، نیکل و منگنز را از پسماندهای معادن، سنگ معدن‌های رده پایین و تکنولوژی‌های از کار افتاده مثل باتری‌های EV توسعه داده است.

تکنولوژی اصلی این استارتاپ، به نام «الکترو استخراج»، هیچکدام از مواد شیمیایی قوی یا کوره‌های دمای بالای عملیات معدن‌کاری سنتی را استفاده نمی‌کند ــ فقط برق، که می توان آن را از منابع تجدیدپذیر تامین کرد.

فلزات انتخابی از سنگ‌های فشرده شده و مایع از طریق گذراندن پسماند معدن از مجموعه‌ای از فیلترهای برقی بر پایهٔ کربن جدا می‌شوند.

مگان اوکانر (Megan O’Connor)، بنیان‌گذار و مدیر اجرایی این استارتاپ، می‌گوید سیستم‌های فیلتراسیون ۳۰ متر مربعی این کمپانی می‌توانند به محل معادن منتقل شوند.

طبق داده‌های کمپانی، در آنجا آن‌ها می‌توانند ۹۵ درصد فلزات باقی‌مانده را از موادی که به عنوان پسماند در نظر گرفته می‌شوند، جدا کنند. این کمپانی، که در فوریهٔ امسال ۱۲٫۵ میلیون دلار بودجه تامین کرد، برنامه دارد تا اولین مشتری معدن خود را تا پایان امسال معرفی کند.

برای تقریبا یک دهه، DOE در حال بررسی امکان استخراج فلزات نادر ــ گروهی از عناصر فلزی و واکنش‌پذیر که در توربین‌های بادی دریایی، موتورهای EV و نیمه‌هادی‌ها استفاده می‌شوند ــ از پسماند معادن زغال سنگ، مانند خاکستر زغال، بوده است.

در ماه فوریه این دپارتمان برنامهٔ ۱۴۰ میلیون دلاری خود را برای برپایی تجهیزات استخراج و جداسازی به منظور نمایش این ایده در مقیاس تجاری اعلام کرد. هالت این پروژه را یک فرصت هیجان‌انگیز برای دیدن این اعلام کرد که آیا صدها سایت پسماند زغال‌سنگ با وضعیت بحرانی می‌توانند چیزی ارزشمند تولید کنند یا نه.

کربن‌زدایی عمیق

بعد از این که معدنچیان هر چیز ارزشمندی را از سنگ‌ها جدا کردند، پسماندی اغلب سمی به نام دنباله (Tailing)، معمولا در محل دفن می‌شوند. اما اگر عملیات معدن روی برخی سنگ‌های خاص ــ سنگ‌های فرامافیک (Ultramafic)، که محتوای منگنز و قلیاییت بالایی دارند ــ انجام شوند، این دنباله‌ها پتانسیل جذب کربن از هوا را دارند.

گرگ دیپل (Greg Dipple)، استاد زمین‌شناسی دانشگاه بریتیش کلمبیا، می‌گوید «چیزی که در دنباله‌های فرامافیک معدن، که ما روی آن‌ها کار می‌کنیم، رخ می‌دهد، این است که آن‌ها CO₂ را از اتمسفر جذب می‌کنند و آن را به فرم کانی‌های محکم در می‌آورند. این ماندگارترین و پایدارترین شکل ذخیرهٔ کربن است.»

پژوهش دیپل نشان داده است که دنباله‌های معدنی فرامافیک به تنهایی می‌توانند سالانه ده‌ها هزار تن CO₂ را از اتمسفر جدا کنند. اما او می‌گوید که این فرایند را می توان با برخی مداخلات ساده و کم هزینه سه تا چهار برابر قوی‌تر کرد؛ مثلا با هم زدن دنباله‌ها برای قرار دادن سنگ‌ها در معرض هوا و اضافه یا حذف کردن آب داخل این پسماند پودری.

دیپل باور دارد که در کنار استفاده از انرژی تجدیدپذیر و خودروهای هیدروژنی یا الکتریکی، این شکل کربن‌گیری پتانسیل این را دارد که معادن را کربن-منفی سازد ــ یعنی CO₂ جذب شده از هوا از چیزی که تولید می‌کنند بیشتر باشد.

در سال ۲۰۲۱، دیپل و همکارانش کاربین مینرالز (Carbin Minerals) را بنیان‌گذاری کردند؛ استارتاپی که قصد دارد تکنولوژی آن‌ها را تجاری کند.

کاربین مینرالز، که روی همکاری با معدنچیان نیکل که در سنگ‌های فرامافیک کار می‌کنند متمرکز است، در حال حاضر روی توافق همکاری با چند معدن تلاش می‌کند. در ماه آوریل، این استارتاپ یکی از ۱۵ برندهٔ انقلابی رقابت حذف کربن XPRIZE ایلان ماسک عنوان شد.

پایدارترین حد ممکن

در حالی که تکنولوژی‌های جدید وعده می‌دهند که معادن آینده می‌توانند از لحاظ محیط زیستی بسیار پایدارتر باشند، بسیاری از آن‌ها سال‌ها از به‌کارگیری در مقیاس تجاری دور هستند ــ اگر اصلا در عمل ممکن باشند.

و رویکردهای معدن‌کاری پاک‌تر تنها یک تکه از پازل هستند: ما همچنین باید در بازیافت فلزات از پنل‌های خورشیدی، باتری‌های EV و دیگر تکنولوژی‌های از کار افتاده پیشرفت کنیم تا نیاز به معدن‌کاری را کاهش دهیم.

سرانجام، قوانین و مقررات سخت‌گیرانه‌تری لازم هستند تا تضمین شود در جاهایی که معدن‌کاری برای برآوردن تقاضای روزافزون فلزات مورد نیاز است، این کار با رضایت جوامع محلی و به گونه‌ای انجام می‌گیرد که آن‌ها به طور مستقیم منتفع شوند.

در حالی که آثار معدن‌کاری هیچگاه صفر نمی‌شود، بریج‌واتر می‌گوید این صنعت می تواند بهتر از این عمل کند ــ و مسئولیت تلاش برای این کار را بر عهده دارد.

بریج‌واتر می‌گوید «اساسا معدن‌کاری یعنی استخراج فلزات. همیشه برای این کار به انرژی نیاز است؛ همیشه نوعی ردپا در این کار وجود دارد. هدف ما این است که تا جای ممکن پایدار باشیم.»