التحدي الحرجي في مجال الإمدادات المعدنية ووعد البحر العميق

إن التحول العالمي المتسارع إلى اقتصاد منخفض الكربون يخلق طلبا غير مسبوق على معادن محددة، وترميم المركبات الكهربائية، وتركيب الرياح، واللوحات الشمسية، والإلكترونيات المتقدمة، يتطلب إمدادا ثابتا ومأمونا بالنيكل والكوبالت والنحاس والمنغنيز، وتواجه عمليات التعدين الأرضية تحديات متزايدة: انخفاض درجات الخام، وزيادة استهلاك الطاقة والمياه، وتركيزات كبيرة من الكربون، والمخاطر الجغرافية المعقدة.

إن أحد أكثر البدائل واعدة وإثارة للجدل يكمن في السهول الهاوية للمحيط العميق، على عمق يتراوح بين ٠٠٠ ٤ و ٠٠٠ ٦ متر، وهنا توجد مجالات واسعة من المكندسات المتعددة الفلزات - ذات الحجم البطاطس - الغنية بالموائل المنغانية والنيكل والكوبالتية، والتي يمكن أن تشكل حدودا جديدة للإمدادات المعدنية.

فهم الموارد: تكوين العقيدات المتعددة الفلزات

فالعقيدات المتعددة الفلزات ليست اكتشافاً حديث العهد؛ وقد تم تحديدها أولاً خلال بعثة تشالنجر في عام 1870، وهي تشكل أكثر من ملايين السنين من خلال تباطؤ تهيؤ أكاسيد المعادن والهيدروكسيدات من مياه البحر وحمص الرواسب حول نواة، وغالباً ما تكون أسنان قرش أو قطعة من القصف، ويحتوي التكسير الناتج على جناح جغرافي ثابت نسبياً من المعادن.

وفي حين أن التكوين الدقيق يختلف حسب الموقع، فإن العقيدة العالية المستوى من منطقة كلاريون - كليبرتون تحتوي على ما يقرب من 27 إلى 30 في المائة من المنغنيز، و1.2 إلى 5 في المائة من النيكل الصناعي، و1.4 في المائة من النحاس، و0.2 في المائة من الكوبالت، وكميات أصغر من النحاس، والتيتانيوم، والعناصر الأرضية النادرة، وهذا هو جسم مختلف جداً عن النسيجات.

The Environmental Imperative for New Extraction Methods

وتُعد تكنولوجيا خط الأساس لجمع العقيدات، التي تسمى في كثير من الأحيان " مركبة موصل " كجراف كبير يعمل عن بعد تحت الماء أو فراغ أنظف، وتُغنى قاع البحار، وتُجمع ميكانيكياً العقيدات المعرضة، وتضخها إلى سفينة سطحية عبر نظام صعود، بينما تكون هذه الطريقة فعالة في جمع الركاز، فإنها تُحدث آثاراً إيكولوجية كبيرة.

وعلاوة على ذلك، فإن أعماق المحيطات هي حوض كربون حرج، حيث أن التكديس البطيء للمواد العضوية على السهول الهاوية قد أدى إلى عزل الكربون عن آلاف السنين، وقد يؤدي الاضطراب الميكانيكي الواسع النطاق إلى إعادة تنشيط هذا الكربون العضوي، وإطلاقه إلى عمود المياه، وربما يسهم في تحمض المحيطات، وقد دفعت هذه الشواغل إلى قيام تحالف عالمي من العلماء والمنظمات البيئية غير الحكومية يدعو إلى وقف إنتاج المعادن في أعماق البحار إلى أن تصبح المخاطر البيئية فعالة.

التكنولوجيات الناشئة لاستخراج المعادن

وقد حفزت هذه الأساليب الناشئة على الابتكار عبر عدة جبهات، وذلك إما لمعالجة العقيدات على السطح بمزيد من الكفاءة أو، بشكل أكثر جذرية، استخراج المعادن دون أن تصل إلى السطح مادياً العقيدات.

التجهيز الهيدروميتالوريطي المتقدم

وكثيرا ما تبدأ الأساليب التقليدية لمعالجة العقيدات بالتطهير أو الصهر، مما يقلل من الركاز إلى قنبل مبتلي، وفي حين أن الصهر كثيف للطاقة، يتطلب نفقات رأسمالية عالية، ويولد انبعاثات كبيرة من غازات الدفيئة، والخيار الناشئ الرئيسي هو الهيدروميتالورج المتقدم، وهي أسرة من عمليات الغسل الكيميائي تعمل في درجات حرارة وضغوط أقل.

وقد تم تطوير واختبار عدة دقات متمايزة على نطاق تجريبي، حيث تستخدم Cuprion ammoniacal leach process حلاً لكربونات الأمونيوم وأفران النيكل الخبيثة كعامل مخفض للنيكل النكهري والنحاس والكوبالت المستخرج من العقيدات، مع وجود نهج مقفل وملح آخر

In-Situ Leaching (Solution Mining)

وربما يكون أكثر الانحرافات جذرياً عن التعدين التقليدي في أعماق البحار هو النسيج في الموقع، المعروف أيضاً باسم تعدين الحلول، وهذا الأسلوب يزيل تماماً الحاجة إلى جمع العقيدات ورفعها إلى السطح، بل سينشر شبكة من الآبار المضغوطة في قاع البحر عبر حقل العقيدات، وسيؤدي ذلك إلى حل كيميائي مصمم بعناية للسائل المسبب للتآكل في طبقة المضخات المعدنية المثبطنة.

فالمزايا البيئية المحتملة للشبكة ذات أهمية، فهي تتجنب الاضطرابات المادية في قاع البحار، وتزيل تولد الأعمدة الرسوبية، ولا تتطلب رفع كميات كبيرة من المواد الصخرية الصلبة إلى السطح، ويمكن أن تعمل نظرياً ببصمة سطحية أصغر بكثير، غير أن التحديات التقنية لا تزال هائلة، وتشمل الأسئلة الرئيسية: هل يمكن التحكم بفعالية في تدفق السائل المكسي واحتوائه في إطار الندوب المستهدَف.

Electrochemical Extraction

ويمكن أن تؤدي الأساليب الكيمائية الإلكترونية إلى درجة عالية من الدقة والتحكم، إذ إن النهجين الأساسيين هما الكهرباء والكهرباء، وفي ، يمكن أن يكون الفرز الكهربائي منخفض الفولط (FLT:1]، يُطبق مباشرة على مركب من العقيدات المحطمة في حل كهربي مركب.

(ب) إن التراكم هو بالفعل تكنولوجيا موحدة في مجال الطاقة الهيدروميتالورجية الأرضية لإنتاج النحاس العالي النقاء والنيكل والكوبالت، ويكمن الابتكار في الجمع مباشرة مع خطوة الغسل في دائرة متكاملة واحدة، ومن مزايا هذه الأساليب المحتملة التكامل مع مصادر الطاقة المتجدِّدة.

التعدين البيولوجي والبث البيولوجي

فالطبيعة توفر بعض الحلول الأكثر اناقة، وتستخدم الألغام الأحيائية أنواعاً محددة من البكتيريا والأرخا والفطريات لتحفيز فتيل الفلزات من الركاز الصلب، وتستخدم هذه التكنولوجيا بالفعل تجارياً على الأرض لاستخراج النحاس من الركاز ذات الصف المنخفض والذهب من الركود أو الخزف، وتضعه على العقيدات المتعددة الفلزات خطوة طبيعية.

وتشمل الآلية خفض ثاني أكسيد المنغنيز في الميكروبيات (MnO2)، وهو المرحلة المعدنية الرئيسية في العقيدات، ويمكن لبعض البكتيريا والفطريات استخدام مينو-2 كمقبِّل كهربائي في المحطة الطرفية في خلاصها، مما يقلل من المنغنيز المذوب (Mn2+) ونظراً لأن مصفوفة أكسيد المنغنيز تذوب، فإنها تُطلق النيكل المُغَصَّق.

ويبحث المعهد الهولندي الملكي لبحوث البحار والمؤسسات الأخرى بنشاط إمكانات هذه الكائنات المجهرية للتعدين الأحيائي في أعماق البحار، ويمكن أن يغذي المفاعل الحيوي على متن سفينة أو منصة عائمة بالعقيدات المحطمة، والمياه البحرية، والإمداد بالميكروبات، وتشغل العملية بدرجات حرارة وضغوط لا تتطلب مواد كيميائية قاسية، وتستلزم وجود حد أدنى من سرعة التحوُّل في الطاقة.

الفصل المادي الانتقائي

ويمكن استغلال الخواص المادية للعقيدات قبل أي تجهيزات كيميائية أو بيولوجية، فالعقيدات هي دنّة، وغالبا ما تكون لها خصائص مغناطيسية مختلفة مقارنة بالرواسب الهزلية المحيطة بها، ويمكن استخدام أجهزة فصلية مغنطية عالية الجودة لتفريق الفرن بكفاءة عن الرواسب البرينية بعد خطوة سحقية ضئيلة، وهذه العملية تستخدم كميات ضئيلة جدا من المياه ولا مواد كيميائية.

التحليل المقارن لأساليب الاستخراج

ولا توجد تكنولوجيا واحدة هي حل عالمي، وسيتوقف النهج الأمثل على المفاضلة بين البصمات البيئية، وتكاليف رأس المال، وتكاليف التشغيل، والنضج التقني.

  • Advanced Hydrometallurgy] has the highest Technology Readiness Level (TRL). It uses established equipment and engineering principles, but it requires a large processing vessel, produces waste streams (tailings and effluents), and consumes chemicals and water.
  • In-Situ Leaching] offers the lowest seabed impact as it eliminates the collector vehicle and riser system entirely. However, it faces monumental engineering challenges regarding containment and reaction control in the deep ocean and is at a very low TRL.
  • Electrochemical Methods] offer high selectivity and the potential for a very clean, renewable-energy-powered process. they are in the pilot-to-demonstration phase and require significant electrical power input.
  • Biomining] is the most environmentally benign, using natural biological incentives at ambient conditions. It is currently at the laboratory scale and faces challenges in reaction rate and scalability for large throughputs.
  • Physical Separation] provides a low-energy, low-chemical pre-centration step that can benefit all other methods. It is a simple, robust technology suitable for integration into any flowsheet.

ومن السيناريو المحتمل للعمليات التجارية الأولى هو دفقة تدفقات هجينة: مركبة جمع منخفضة الأثر مُتمثلة في مصنع متطور لتجهيز المواد الهيدرولوميتلورجيا على متن سفينة، ومع مرور الوقت، يمكن للتكنولوجيات التمكينية أن تُبرز الحاجة إلى جمع مادي، مما يؤدي إلى صناعة تعدين في أعماق البحار مختلفة بشكل أساسي وأكثر استدامة.

الملاعب الرئيسية والطريق إلى التسويق

وتتركز هذه التكنولوجيات بين عدد قليل من الجهات الفاعلة الرئيسية في قطاع الصناعة ومؤسسات البحوث. وتنظم شركة المعادن () [FTMC] ]، من خلال فروعها NORI و TOML، تراخيص استكشاف في منطقة كلاريون - كليبرتون، وقد أجرت شركة TMC تجارب متعددة تجريبية لجمع المعادن، وهي تعمل بنشاط على تطوير تدفقات للتجهيز الهيدروميتالوري في شراكة مع شركة SGS Canada.

شركة (ميني إل) لصناعة المعادن في البحر العالمي (GSR) وشركة فرعية تابعة لشركة الحفر البلجيكية (DME) هي رائدة كبيرة أخرى، وقد اختبرت شركة (باتانيا الثانية) مركبة جمعها في منطقة كلاريون - كلتيهما تركز تركيزاً كبيراً على دراسات خط الأساس البيئية ورصد الأثر.

تصريف الأعمال التنظيمي والاجتماعي

فالتكنولوجيا وحدها لن تفتح قاع البحار العميقة، فالسلطة الدولية لقاع البحار، المنشأة بموجب اتفاقية الأمم المتحدة لقانون البحار، مسؤولة عن تنظيم الأنشطة المتصلة بالمعادن في المنطقة (قاع البحار الواقعة خارج نطاق الولاية الوطنية)، وتتولى الوكالة وضع مدونة شاملة للتشغيل، ومجموعة شاملة من الأنظمة التي تنظم الاستكشاف والاستغلال، بما في ذلك المعايير البيئية، والمدفوعات الملكية، وآليات تقاسم المنافع.

إن عدم وضع مدونة للتعدين في صيغتها النهائية هو مصدر رئيسي لعدم اليقين، وعلى الرغم من أن الوكالة الدولية للطاقة الذرية تعمل على هذه الأنظمة منذ سنوات، فإن العملية كانت موضع خلاف، إذ أن بعض الدول والمجموعات البيئية تدعو إلى وقف أو وقف احتياطي للتعدين في أعماق البحار، بحجة أن قاعدة المعارف العلمية غير كافية لضمان حماية النظم الإيكولوجية في أعماق البحار، وأن الوكالة الدولية للطاقة الذرية تخضع لضغوط من جانبين هما: من المتعاقدين على التعدين الذين يتطلعون إلى بدء العمليات، ومن المدافعين عن البيئة.

التآزر مع الانتقال العالمي للطاقة

والصلة بين العقيدات في أعماق البحار والتحول في الطاقة النظيفة هي علاقة مباشرة وقوية، إذ أن الوكالة الدولية للطاقة قد تضاعف الطلب الكلي على المعادن من أجل تكنولوجيات الطاقة النظيفة بمقدار أربعة أمثال بحلول عام 2040، وسيتطلب تحقيق الأهداف العالمية المتعلقة بالمناخ نشر مئات الملايين من المركبات الإلكترونية والمبالغ الهائلة من الطاقة النظيفة، مما يتطلب نشراً هائلاً من مواد البطارية والهياكل الأساسية للشبكات.

وتحتاج مجموعة من البطاريات الإلكترونية إلى عشرات الكيلوجرام من النيكل والكوبالت والنحاس، حيث توفر مصادر جديدة متنوعة جغرافياً لهذه المعادن الحرجة، يمكن للعقيدات المتعددة الفلزات أن تخفف من اختناقات سلسلة الإمداد وتخفض الاعتماد على عدد قليل من الدول المنتجة المهيمنة، علاوة على أن أساليب الإنقاذ الناشئة، لا سيما أهداف التواؤم الكهربائي القائمة في مجال الكهروكيميائيات الأحيائية.

"الطريق الأمامي"

إن استخراج المعادن من العقيدات الأرضية للمحيطات ينتقل من مفهوم نظري إلى واقع هندسي ملموس، كما أن الأساليب الناشئة التي يوصفها هنا - والمعالجة غير السليمة بيئيا، والتجهيز الكهروكيميائي، والتعدين البيولوجي، والفصل المادي الانتقائي - يمثلان مجموعة أدوات متطورة تهدف إلى التصدي للتحديات البيئية الهامة المرتبطة بمفاهيم التعدين التقليدية في أعماق البحار.