التكنولوجيات الناشئة في مجال استخراج العناصر الأرضية

A 2021 paper in Nature] described a "magnetic nano-harvester" that rapidly concentrates rare earth ions from dilute solutions using a low-field magnetic separator, opening the door to non-traditional REE sources like industrial wastewater and mine drainage.

أساليب التحليل المغناطيسي والكهربائي

ويستخدم استخراج المواد الكيمائية الكهربائية التيارات الكهربائية في الودائع أو إزالة أواصر الطاقة المتجددة من الحل بصورة انتقائية، وهذه التقنيات هي في جوهرها نماذج ويمكن أن تُستخدم بالكهرباء المتجددة، مما يجعلها مناسبة تماما للعمليات اللامركزية أو الصغيرة الحجم، ومن البدائل الناشئة تبادل إيونات الكهروكيميائي، حيث تُطبق إمكانية على استهلاك مُسَوِّل من الطاقة العالية القدرة على العمل بمجموعات نقل الأيوني.

ويستخدم التنويم المغناطيسي مجموعة من الكيمبرانيات المتناوبة للخامات والنسيج الأنيون تحت تيار مباشر، وبإلحان الكيمبراني، تمكن الباحثون من إثراء المنتجات ذات القيمة العالية بصورة انتقائية (مثل الديسبروسويوم والتربيوم) من الحلول المختلطة، وأفادت دراسة تجريبية في جامعة ديلفت للتكنولوجيا بأن نسبة التركيزات التي تزيد عن 99 في المائة من وحدات التلقيم.

وهذه الأساليب جذابة بوجه خاص لإعادة تدوير المنتجات من المنتجات التي تنتهي حياتها مثل المغناطيسات، والمصابيح الفلورية، وبطاريات النيكل المميتة الهيدرايد، لأنها تتجنب المواد الكيميائية القاسية ويمكن أن تكون آلية تماماً، وهي تتوافق مع مبادئ الاقتصاد الدائري.

النُهج البيولوجية والهاجينية الناشئة

وبالإضافة إلى التطهير الأحيائي البحت، يقوم الباحثون بدمج النظم البيولوجية مع العمليات المادية أو الكيميائية لخلق دقات هجينة، وعلى سبيل المثال، يستخدم الاستيعاب الأحيائي الكتلة الحيوية الميتة (مثل الطحالب أو جدران الخلايا البكتيرية) التي تم تعديلها كيميائياً لتربط أجهزة الاستنشاق بالكهرباء، ويمكن تعبئة السائل الأحيائي في الأعمدة، مع تركيب المعادن من الحل، ثم تجريد من حمض مائي.

ومن بين الابتكارات ذات الصلة استخدام بيولوجيا اصطناعية مهندسة - حيث يتم برمجة الميكروبات لإنتاج بروتينات مُلزِمة أو نانويلات متراكمة على كميات محددة من السائل المُعادن، وقد قام فريق في مختبر لورانس بيركلي الوطني بإنشاء مضيق E. coli، وقد عبر عن حلول منافسة في المائة من مادة البلازما.

تطهير: النباتات كمستخدمين

أما النباتات التراكمية للمركبات - الأنواع التي تركز المعادن في أنسجة هذه النباتات بصورة طبيعية، فهي قيد التحقيق لاستخراجها، وفي حين أنه لا يوجد أي مصنع معروف بأن يتراكم بشدة على الأرض النادرة، فإن بعض الأسمدة ونباتات الخردل يمكن أن تأخذ كميات كبيرة من التربة الملوثة، ويستخدم الباحثون تعديلاً جينياً لتعزيز الحيازة ونقل المواقع إلى مواقع التصوير، ويمكن أن يوفر التعدين وسيلة منخفضة التكلفة ومخفضة الأثر لإعادة المطالبة بالأصولات هامشية.

الآثار الاقتصادية والبيئية

ويمكن أن يؤدي اعتماد تكنولوجيات الاستخراج الناشئة إلى تغيير اقتصاديات إنتاج الطاقة المتجددة تغييرا جذريا، فالاستخراج البيولوجي والاستيعاب الأحيائي يتطلبان، على سبيل المثال، استثمارا رأسماليا أقل من محطات التجهيز التقليدية ويمكن توسيع نطاقها أيضا، كما أنهما ينتجان نفايات أقل خطورة، مما يقلل من التزامات الإصلاح الطويلة الأجل، ووفقا لتقرير صادر عن وكالة الطاقة الدولية في عام 2023، تكلفة إنتاج كيلو غرام من أكسيد النيوديميوم في المائة عن طريق الوصل الأحيائي.

كما أن الفوائد البيئية هي أيضاً عوامل قاهرة، إذ أن تقييمات دورة الحياة للتطهير الأحيائي والفصل المغناطيسي تظهر انخفاضاً بنسبة 70 في المائة في انبعاثات غازات الدفيئة، وانخفاضاً بنسبة 90 في المائة في استهلاك المياه، وقرب تطهير الخيوط السامة، ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات: إذ لا يزال العديد من هذه التكنولوجيات في مستويات الاستعداد التكنولوجي المنخفضة (المستوى الثالث - 6 من القانون التجاري)، مما يعني أنها تحتاج إلى مزيد من التوضيحات على نطاق تجريبي قبل أن تقوم المصارف والمستثمرون بتمويل النباتات التجارية.

كما أن الأطر التنظيمية آخذة في التطور، كما أن قانون المواد الخام الحرجة للاتحاد الأوروبي، الذي صدر في عام 2023، يحدد أهدافاً تتعلق بقدرات التجهيز المحلي ومعدلات إعادة تدوير المواد ذات الصلة، ومن المرجح أن يؤدي ذلك إلى التعجيل باعتماد تكنولوجيات استخراج مستدامة داخل الكتلة، وبالمثل، يتضمن قانون الولايات المتحدة للاستثمار في الهياكل الأساسية والوظائف 140 مليون دولار لمشاريع البحث والبيان العملي في إطار مبادرة الطاقة المتجددة.

التوقعات المستقبلية وأولويات البحوث

وستشكل عدة اتجاهات العقد القادم لتكنولوجيا استخراج الطاقة المتجددة، أولا، سيمكن التحديث والتشغيل الآلي من رصد ومراقبة عمليات الاستخراج في الوقت الحقيقي، وتحقيق الحد الأمثل من العائدات، وتخفيض وقت الانكماش، ويمكن أن يتوقع الحساسات وأجهزة التتعلم الألي أفضل معدلات الهيدروجيني ودرجات الحرارة وأسعار التدفق بالنسبة لأعمدة استخراج المعادن، وثانيا، دمج عمليات الطاقة الكهربائية الكهروكيميائية الكهروكيميائية ذات البصمة المتجددة والريحية.

الاقتصاد العلماني والتعدين الحضري

وربما كانت أكبر فرصة في مجال استرداد الانبعاثات من الأجهزة الإلكترونية المهجورة، والمغنطيس، والمحفزات الصناعية، إذ أن معدلات إعادة التدوير الحالية للمعادن الصناعية تقل عن ٥ في المائة على الصعيد العالمي، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أن العمليات القائمة غير اقتصادية بالنسبة لتدفقات النفايات الصغيرة والمعقدة.

الاحتياجات في مجال السياسات والاستثمار

وسيتطلب توسيع نطاق هذه التكنولوجيات من المختبر إلى العمليات التجارية تمويلاً مستمراً وتعاوناً بين القطاعات، كما أن الشراكات بين القطاعين العام والخاص، مثل معهد المواد الحيوية في الولايات المتحدة (مركز إدارة الطاقة) والفريق الأوروبي المعني بتطوير صناعة الأرض، تتسارع في عملية التنمية، وتزيد الحوافز الحكومية - بما في ذلك الائتمانات الضريبية لتجهيز المواد المنخفضة الكربون، والولايات المتعلقة بالمحتوى المعاد تدويره في إطار مغناطيسات دائمة.

ولا يزال الاستثمار في البحوث الأساسية حاسما أيضا، ففهم الآليات الجزيئية للمعادن المجهرية الملزمة، وتصميم مستخرجات انتقائية ذات مبادئ كيمياء خضراء، ووضع مواد مغناطيسية قوية سيفتح سبلا جديدة لاستخراجها، فعلى سبيل المثال، أبلغ الباحثون في جامعة كامبريدج مؤخرا عن بروتين اصطناعي يربط بين المسح الضوئي 1000 مرة أكثر من أي معدن آخر، وهو اختراق يمكن أن يحقق الانتعاش الانتقائي من الرفات المطاطية.

خاتمة

وتمثل التكنولوجيات الناشئة في استخراج العناصر الأرضية النادرة تحولاً في النموذج بعيداً عن الممارسات الضارة بالبيئة في الماضي، إذ إن الوصل الأحيائي، واستخراج المذيبات المتقدمة، والفصل المغناطيسي، والأساليب الكهروكيميائية، والهجينات البيولوجية، كل منها يوفر مزايا فريدة من حيث الاستدامة والكفاءة والانتقائية، وفي حين أن أياً من هذه التكنولوجيات لم يحقق بعد انتشاراً تجارياً واسع النطاق، فإن سرعة وتيرة الابتكار وتزايد الدعم في مجال السياسات تشير إلى أن العقد القادم سيشهدان

ومن خلال الحد من الآثار البيئية لإنتاج الطاقة المتجددة وتمكين الانتعاش من المصادر غير التقليدية، ستساعد هذه التكنولوجيات على تأمين سلاسل الإمداد من أجل الانتقال من الطاقة النظيفة والاقتصاد الرقمي، وبالنسبة لأصحاب المصلحة في الصناعة، فإن البقاء على علم واستثمار في هذه الأساليب الناشئة سيكون أمراً أساسياً للبقاء على المنافسة في عالم مزود بالموارد، ومستقبل استخراج الأرض النادرة أنظف وأذكى وأكثر استدامة ويصل أسرع من كثير من التوقعات.