پسماند سوختهای فسیلی سالها بهعنوان مشکل زیستمحیطی دیده میشد؛ اما پژوهشهای تازه نشان میدهد همین زبالههای صنعتی میتوانند به منبعی چند ده میلیارد دلاری از عناصر نادر خاکی تبدیل شوند. خاکستر انباشتهشده در نیروگاههای زغالسنگی آمریکا، حالا در مرکز توجه زمینشناسان، مهندسان مواد و سیاستگذاران انرژی قرار گرفته است.
از «زباله» تا منبع استراتژیک عناصر نادر
در مقالهای که در سال ۲۰۲۴ منتشر شد، گروهی از زمینشناسان دانشگاه تگزاس در آستین برآورد کردند که خاکستر بهجامانده از سوزاندن زغالسنگ در نیروگاههای حرارتی میتواند تا حدود ۱۶۵ میلیارد دلار عناصر نادر خاکی (REEs) در خود جای داده باشد؛ از این مقدار، نزدیک به ۹۷ میلیارد دلار بهطور بالقوه قابل استخراج و بازیافت است. این اعداد برای کشوری که عمده نیاز خود به این مواد حیاتی را از واردات تأمین میکند، پیام روشنی دارند: یک منبع بومی، درست زیر پای ما دفن شده است.
بریجیت اسکانلون، زمینشناس مدرسه علوم زمین جکسون، درباره این رویکرد میگوید: «این نمونه کامل شعار تبدیل زباله به ثروت است. ما در تلاشیم چرخه را ببندیم؛ از پسماند، منبع تازه بهدست بیاوریم و همزمان اثرات زیستمحیطی را کاهش دهیم.» این نگاه دوگانه – هم اقتصادی و هم محیطزیستی – یکی از جذابترین جنبههای ایده استخراج عناصر نادر از خاکستر زغالسنگ است.
عناصر نادر خاکی چیست و چرا اینقدر مهم شدهاند؟
«عناصر نادر خاکی» به گروهی ۱۷تایی از عناصر گفته میشود که شامل ۱۵ عنصر لانتانید در جدول تناوبی بههمراه ایتریوم و اسکاندیم هستند. این عناصر اگرچه نامشان برای عموم چندان آشنا نیست، اما در قلب فناوریهای مدرن و انرژی پاک حضور پررنگی دارند. از تولید آهنرباهای قدرتمند در توربینهای بادی و موتور خودروهای برقی، تا ساخت باتریها، تلفنهای هوشمند، نمایشگرها، فناوریهای لیزری و حتی سامانههای دفاعی پیشرفته، همگی به درجات مختلف به این عناصر وابستهاند.
در آمریکا این عناصر در دسته «مواد معدنی حیاتی» طبقهبندی میشوند؛ موادی که اختلال در زنجیره تأمین آنها میتواند برای اقتصاد و امنیت ملی چالشآفرین باشد. در حال حاضر، حدود ۷۰ درصد نیاز آمریکا به عناصر نادر خاکی از چین تأمین میشود. همین وابستگی، در کنار تنشهای ژئوپلیتیکی و ملاحظات زیستمحیطی معادن کلاسیک، کشورهای مختلف را بهدنبال منابع جایگزین و روشهای نوآورانه استخراج انداخته است.
چگونه خاکستر زغالسنگ به مخزن عناصر نادر تبدیل میشود؟
زغالسنگ مادهای «خالص» نیست؛ بلکه بقایای فسیلشده گیاهان با ترکیبی از کانیها و عناصر کمیاب است که طی میلیونها سال در لایههای رسوبی فشرده و کربنیزه شدهاند. هنگام تشکیل این لایهها، مقادیر ناچیزی از عناصر گوناگون، از جمله عناصر نادر خاکی، در بافت زغالسنگ به دام میافتد. این غلظتها در زغالسنگ خام آنقدر پایین است که استخراج مستقیمشان از خود زغالسنگ بهصرفه نیست و ارزش سوختی زغالسنگ را توجیه نمیکند.
اما وقتی زغالسنگ در نیروگاه میسوزد، ماجرا تغییر میکند. اجزای قابل اشتعال مانند کربن، هیدروژن و بخشی از گوگرد به گاز تبدیل و به هوا رها میشوند؛ در حالی که اجزای نسوختنی، مانند کانیهای رسی، کوارتز و عناصر نادر، در قالب خاکستر جامد باقی میمانند. با از بین رفتن بخش عمده جرم اولیه زغالسنگ بهصورت دود، غلظت عناصر نادر در خاکستر شیشهمانند بهدستآمده حدود ۴ تا ۱۰ برابر بیشتر از زغالسنگ نسوخته میشود.
این غلظت هنوز هم از کانسارهای تجاری کلاسیک پایینتر است، اما یک مزیت کلیدی دارد: نیازی به معدنکاری جدید نیست. خاکستر، پیشاپیش استخراج شده، حمل شده و در حوضچهها یا محلهای دفن انباشته شده است. یعنی هزینههای حفاری، باطلهبرداری و بخش بزرگی از زیرساخت استخراج، عملاً از قبل پرداخت شده؛ و این همان چیزی است که پروژه را از نظر اقتصادی جذاب میکند.
برآورد ذخایر: چند میلیون تن عنصر نادر در پسماندها
گروه تحقیقاتی با هدایت مشترک بریجیت اسکانلون و زمینشناس رابرت ریدی، دههها داده مربوط به ترکیب شیمیایی خاکستر، راندمان روشهای استخراج آزمایشگاهی و موقعیت جغرافیایی محلهای انباشت پسماند در سراسر آمریکا را گردآوری و تحلیل کردند. آنها تخمین زدند در دوره ۱۹۸۵ تا ۲۰۲۱، حدود ۱۱ میلیون تن عناصر نادر خاکی در نهشتههای خاکستر زغالسنگ قابل دسترس انباشته شده است؛ رقمی تقریباً هشت برابر ذخایر رسمی فعلی عناصر نادر آمریکا.
بهطور جزئیتر، ارزش تئوریک ۱۵ عنصر لانتانید در کل خاکستر زغالسنگ آمریکا حدود ۵۶ میلیارد دلار برآورد شده است. با در نظر گرفتن اینکه در بسیاری از سایتها تنها ۳۰ تا ۷۰ درصد خاکستر واقعاً در دسترس و قابل برداشت است، ارزش این بخش در دسترس به حدود ۱۴ میلیارد دلار کاهش مییابد. پژوهشگران محاسبه کردند از همین بخش قابل دسترس، لانتانیدهایی که با فناوریهای موجود، بهطور واقعبینانه قابل استخراج هستند، حداکثر حدود ۸٫۴ میلیارد دلار ارزش دارند.
نقطه جهش واقعی زمانی رخ میدهد که دو عنصر ایتریوم و اسکاندیم نیز وارد محاسبات شوند؛ عناصری که در آلیاژهای پیشرفته، صنایع هوانوردی و الکترونیک کاربرد چشمگیری دارند. با افزودن این دو، ارزش نظری کل عناصر نادر موجود در خاکستر زغالسنگ آمریکا به حدود ۱۶۵ میلیارد دلار میرسد که از این میان، تقریباً ۹۷ میلیارد دلار آن – بر اساس مدل پژوهشگران – واقعبینانه قابل بازیابی است.
چالش فناوری: استخراج صنعتی هنوز در ابتدای راه
اگرچه این اعداد چشمگیر هستند، اما باید در نظر داشت که بخش بزرگی از این پتانسیل، هنوز در حد محاسبات تئوریک و پایلوتهای آزمایشگاهی باقی مانده است. روشهای مختلفی برای جداسازی عناصر نادر از خاکستر در حال بررسی است؛ از شستوشوی اسیدی و استفاده از حلالهای آلی گرفته تا فناوریهای نو مانند حلالهای یونی، استخراج با مایعات فوقبحرانی و حتی رویکردهای زیستی با استفاده از میکروارگانیسمها.
هر کدام از این روشها مزایا و معایب خود را دارند: برخی کارآیی بالایی دارند اما هزینه شیمیایی و زیستمحیطی زیادی تحمیل میکنند؛ برخی دیگر سبزتر و پایدارترند، اما هنوز برای مقیاس صنعتی آماده نشدهاند. هدف نهایی، یافتن توازنی است که بتواند نرخ بازیافت مناسب، هزینه معقول و حداقل اثر منفی بر محیط زیست را همزمان تأمین کند.
پژوهشگران در مقاله خود تأکید میکنند که توسعه فناوری استخراج از خاکستر، علاوه بر تقویت امنیت انرژی و مواد حیاتی، میتواند به تأمین مالی «پاکسازی» سایتهای رهاشده خاکستر کمک کند؛ سایتهایی که در بسیاری موارد، حوضچههای روباز یا محلهای دفن بدون لایهبندی مناسب هستند و خطر نشت مواد سمی به آبهای زیرزمینی و اکوسیستمهای اطراف را ایجاد میکنند.
منابع بالقوه دیگر: از آتشفشانها تا گیاهان فوقانباشتگر
خاکستر زغالسنگ تنها گزینه روی میز نیست. در سالهای اخیر، تحقیقات متعددی نشان دادهاند که سامانههای آتشفشانی قدیمی نیز میتوانند میزبان کانسارهای غنی از عناصر نادر خاکی باشند. مایکل آننبرگ، زمینشناس دانشگاه ملی استرالیا، در تحلیلی اشاره کرده است که بسیاری از آتشفشانهای خاموش غنی از آهن، هماکنون برای استخراج سنگ آهن بهرهبرداری میشوند و با اصلاح فرآیندها و توسعه فناوری، میتوان در همین معادن موجود، عناصر نادر را نیز بهطور همزمان تولید کرد.
منبع شگفتآور دیگر، خود گیاهان هستند. در پژوهشی که بهتازگی منتشر شده، دانشمندان گونهای سرخس را شناسایی کردهاند که توانایی خارقالعادهای در جذب و انباشت عناصر نادر خاکی در بافتهای خود دارد. این گیاه از خاکهای فلزی و غنی از عناصر نادر تغذیه میکند و بهطور طبیعی، این مواد را در اندامهایش متمرکز میسازد؛ فرایندی که به «فیتوماینینگ» یا «استخراج گیاهی» معروف است.
لیوقینگ هه، زمینشناس آکادمی علوم چین و همکارانش، در مقاله خود توضیح میدهند: «عناصر نادر برای فناوریهای انرژی پاک و ابزارهای پیشرفته حیاتیاند، اما تأمین آنها با چالشهای زیستمحیطی و ژئوپلیتیکی روبهرو است. فیتوماینینگ، بهعنوان راهبردی سبز برای استفاده از گیاهان فوقانباشتگر در استخراج فلزات از خاک، میتواند مسیر تازهای برای تأمین پایدار عناصر نادر باز کند؛ هرچند هنوز بسیار کمکاویده شده است.»
هرچند روشهایی مانند استخراج گیاهی، از نظر زمانی کندتر و از نظر بازده حجمی محدودتر از معدنکاری کلاسیک هستند، اما میتوانند برای احیای اراضی آلوده، ترکیب تولید زیستتوده و بازیافت فلزات، و تأمین بخشی از تقاضا در مقیاسهای محلی، نقش مکمل ارزشمندی ایفا کنند.
جمعبندی
مسئله عناصر نادر خاکی، سالها بیشتر به معادن کلاسیک و رقابت ژئوپلیتیکی بر سر ذخایر متمرکز بود؛ اما نگاه امروز در حال جابهجایی است. خاکستر زغالسنگ در آمریکا نمونهای روشن از این تغییر پارادایم است: جایی که پسماند آلاینده، به منبع بالقوه استراتژیک تبدیل میشود. در کنار آن، گزینههایی چون کانسارهای آتشفشانی و فیتوماینینگ با گیاهان فوقانباشتگر، نشان میدهد آینده تأمین این مواد، ترکیبی از فناوریهای زمینشناختی، شیمیایی و زیستی خواهد بود.
پرسش اصلی دیگر این نیست که آیا عناصر نادر وجود دارند یا نه؛ بلکه این است که جهان تا چه حد حاضر است برای استخراج آنها مسیرهای کمخطرتر، پایدارتر و خلاقانهتر را جدی بگیرد. پاسخ به این پرسش، تا حد زیادی شکل اقتصاد انرژی پاک و فناوریهای پیشرفته در دهههای پیشرو را تعیین خواهد کرد.
