تقع المعادن في قلب الاقتصاد العالمي، بدءًا من توليد الطاقة وتخزينها ووصولاً إلى النقل. لكن سلاسل التوريد لديها تواجه ثلاثة تحديات مترابطة: تضاؤل ​​الاحتياطيات، وارتفاع الطلب، وارتفاع انبعاثات الغازات الدفيئة^1–3.

وبمعدلات الاستخراج والاستخدام الحالية، فإن الاحتياطيات المعروفة لبعض المعادن، بما في ذلك النحاس والنيكل والكروم، لن تستمر إلا للعقود القليلة القادمة.^1,2. ولا تأخذ هذه المعدلات في الاعتبار الطلب المتزايد مع نمو سكان العالم وظهور تكنولوجيات جديدة³ (انظر “مشكلة من ثلاثة أجزاء”).

علاوة على ذلك، فإن تعدين واستخراج معظم المعادن، وكذلك صهرها وتكريرها وسبائكها وصبها وتشكيلها، يعد مصدرًا كبيرًا للغازات الدفيئة. وتمثل صناعة الصلب وحدها حوالي 8% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية، أو 3.6 مليار طن³ – أكثر من ثلاثة أضعاف ما يساهم به قطاع الطيران.

لا توجد حاليًا حلول ملموسة أو خطط تنفيذ طويلة المدى ومقبولة بشكل عام. وهنا، واستنادًا إلى خبرتنا في علوم وهندسة المواد، نعرض الخطوط العريضة لمجموعة من خمس استراتيجيات يمكنها معًا مواجهة التحديات. إن الحلول التي تختارها المجتمعات سيكون لها عواقب واسعة النطاق على أساليب حياتنا واقتصادنا ورفاهية كوكبنا والأجيال القادمة.

مبادلة المواد

يمكن لتعديل بسيط في التركيب الكيميائي للمادة أن يقطع شوطا طويلا في تقليل كمية المعادن المستخدمة. خذ الصلب، على سبيل المثال. يتم استخدام حوالي مليار طن من الفولاذ الكربوني والمنغنيز كل عام على مستوى العالم في المباني والبنية التحتية الأخرى. ومع ذلك، فإن استخدام نوع آخر من الفولاذ — الذي يحتوي تقريبًا على نفس الكميات من الكربون والمنجنيز والسيليكون، ولكنه يحتوي أيضًا على كميات صغيرة من النيوبيوم (حوالي 0.03% من الوزن) — يزيد من قوة المادة وصلابتها.⁴. يعد الفولاذ المصنوع من سبائك النيوبيوم الدقيقة أغلى قليلاً من الفولاذ التقليدي. ولكن لأنها أقوى، هناك حاجة إلى مواد أقل^4,5، وخفض التكلفة الإجمالية للمبنى. يمكن أن يؤدي تقليل استهلاك الفولاذ أيضًا إلى تقليل ثاني أكسيد الكربون₂ الانبعاثات^4,5 بنحو 20%.

ويدرس الباحثون بدائل أخرى أيضًا. على سبيل المثال، يمكن استبدال المغناطيسات الأرضية النادرة، التي تتطلب عناصر مثل الديسبروسيوم أو التيربيوم، بأخرى أقل ضررًا بيئيًا تعتمد على نيتريد الحديد.⁶. وبطاريات أيون الصوديوم⁷ يمكن أن تحل محل بطاريات الليثيوم أيون للتحايل على القيود العالمية على إمدادات الليثيوم، وتكاليف الاستخراج المرتفعة والأضرار البيئية التي تسببها أثناء الاستخراج. ويدرس العلماء أيضًا البطاريات الحرارية التي تخزن الطاقة على شكل حرارة بدلاً من الكهرباء، وهي مصنوعة من مواد مثل الأسمنت والصخور المكسرة.

ولتسريع اعتماد المواد ذات البصمة الكربونية المنخفضة، يجب على الحكومات تحديث السياسات واللوائح التنظيمية. ويمكن للحكومات والصناعة أيضًا إنشاء خطط لإصدار الشهادات تكافئ اختيارات المواد منخفضة الانبعاثات، مما يساعد المصممين والمهندسين والمستهلكين على اتخاذ قرارات مستنيرة. ويتعين على الجامعات أن تعمل على إدراج مبادئ الاستبدال في تعليم الهندسة والمواد، لتدريب القوى العاملة على اختيار المواد التي تخلف تأثيراً ضئيلاً على البيئة، وليس فقط الأداء العالي.

ويتعين على الأوساط الأكاديمية والصناعة أن تعمل معاً بشكل وثيق، من خلال الزمالات التي تمولها الصناعة، وبرامج ومؤسسات البحوث المشتركة، مثل مراكز البحوث الهندسية في الولايات المتحدة، والتي تدعمها المؤسسة الوطنية للعلوم.

اعتماد التقنيات الخضراء

تحتاج صناعة إنتاج المعادن بشكل عاجل إلى الحد من تأثيرها البيئي. إنتاج الألمنيوم، على سبيل المثال، مسؤول عن حوالي 270 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون₂ سنة (عُشر سنة الفولاذ). كما أنها تطلق أنواعًا سامة تحتوي على الفلور، وهي غازات دفيئة قوية. ويطلق صهر النحاس كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكبريت، مما يساهم في هطول الأمطار الحمضية.

هناك حاجة إلى تقنيات التصنيع الخضراء التي تقلل الانبعاثات. كثير موجود بالفعل. على سبيل المثال، يمكن للفرن العالي لإعادة تدوير الغاز الذي يعيد استخدام ثاني أكسيد الكربون الناتج عن عملية صناعة الحديد أن يقلل الانبعاثات بشكل كبير⁸. يمكن أيضًا إعادة تدوير المنتجات الثانوية الضارة الأخرى. ففي صهر النحاس، على سبيل المثال، يمكن تحويل ثاني أكسيد الكبريت إلى مركبات قابلة للاستخدام، مثل حمض الكبريتيك.

الابتكارات في مجال معالجة المعادن المائية والترشيح الحيوي⁹ التي تستخدم الكائنات الحية الدقيقة لتحطيم المعادن الموجودة في الخامات وإطلاق معادن نقية تُحدث ثورة في عملية الاستخراج. ويمكنها الحصول على النيكل والنحاس والذهب من الخامات ذات التركيزات المنخفضة من هذه العناصر وتجنب إجراءات الصهر كثيفة الاستخدام للطاقة، مما يتيح استخراج المعادن من مصادر كانت في السابق باهظة التكلفة للغاية بحيث لا يمكن استخراجها أو تم رفضها باعتبارها غير قابلة للاستخدام، مثل المنتجات الثانوية للتعدين والعمليات الصناعية الأخرى والنفايات الإلكترونية.

ومع ذلك، من الناحية العملية، لا يتم اعتماد العديد من هذه التقنيات المتقدمة بسبب تكلفتها. ويجب على الحكومات أن تساعد الشركات والأفراد من خلال السياسات أو الحوافز، مثل القروض منخفضة الفائدة، ومنح الاستثمار، وآليات تسعير الكربون. يُظهر الترويج للطاقة الشمسية كيف يمكن للحوافز الحكومية تسريع اعتمادها على الرغم من التكاليف الأولية المرتفعة. ومن الممكن أن يقدم برنامج الائتمان الضريبي للاستثمار في الولايات المتحدة والبرامج على مستوى الولاية إعانات الدعم، والقروض بدون فائدة، ودعم الطاقة الشمسية المجتمعية.

اذهب بشكل دائري

هناك طريقة أخرى لتقليل استهلاك المعادن وهي تحسين متانة المنتجات التي تحتوي على معادن وقابلية إصلاحها وإعادة تدويرها. يجب على الشركات تصميم منتجات طويلة الأمد وتقديم إعادة التدوير في نهاية العمر. وقد اعتمدت العديد من الشركات، بما في ذلك شركتا التكنولوجيا العملاقة أبل وديل، ممارسات دائرية من خلال برامج تجديد معتمدة.

ويجب على الحكومات أن تدعم هذه الجهود من خلال الإشراف على بيانات إعادة التدوير، وإنفاذ متطلبات الإفصاح، ووضع حوافز لإعادة التدوير وإدارة النفايات.¹⁰. وقد تبنى الاتحاد الأوروبي هذا النهج. على سبيل المثال، خطة عمل الاقتصاد الدائري وتوجيهات التصميم البيئي الخاصة بها تفوض معايير متانة المنتجات وقابليتها للإصلاح. يجب على المنظمات الدولية توحيد الممارسات، ويجب على الوكالات البيئية أو الهيئات المستقلة مراقبة الامتثال والتقدم. أصدرت المنظمة الدولية للتوحيد القياسي معايير بشأن التصميم البيئي والتصميم للتفكيك. يقدم فريق الموارد الدولي التابع لبرنامج الأمم المتحدة للبيئة ومنظمة التعاون الاقتصادي والتنمية إرشادات بشأن تدفقات المواد المستدامة¹¹.

ويجب أن يكون تسريع إعادة تدوير المعادن أولوية قصوى أيضًا. يتم بالفعل إعادة تدوير الفولاذ والألومنيوم والنحاس على نطاق واسع، ولكن هناك حاجة إلى إدخال تحسينات عاجلة على عناصر أخرى، مثل النيكل والكوبالت والمنجنيز والعناصر الأرضية النادرة. طرق الفرز المتقدمة وبرامج التعدين الحضري¹² التي يمكنها استعادة المعادن الثمينة من النفايات الإلكترونية أمر بالغ الأهمية.

ففي عام 2021، على سبيل المثال، حددت وزارة الاقتصاد والتجارة والصناعة اليابانية الخطوط العريضة لانتقال البلاد إلى الاقتصاد الدائري. ووفقا لوزارتي الاقتصاد والبيئة في البلاد، تم جمع حوالي 15 مليون جهاز منزلي على مستوى البلاد في السنة المالية 2021.

يمكن تحسين عمليات التصنيع أيضًا. فالطباعة ثلاثية الأبعاد، على سبيل المثال، تقلل من النفايات عن طريق بناء الأشياء طبقة بعد طبقة، باستخدام الكمية الضرورية فقط من مسحوق المعدن الخام¹³.

بناء سلاسل التوريد المرنة