إن حقيقة وجود هذا المسحوق تحديدًا أمرٌ معجزٌ في الأساس. هذا هو الاستنتاج الذي لا مفر منه بالنسبة لي في هذه المرحلة، بعد نوع من الندوة المصغرة المرتجلة، المتجولة، التي ألقاها روزنتال هنا في ممر الجبل، كاليفورنيا، بالقرب من حدود نيفادا. روزنتال هو المؤسس المشارك والرئيس التنفيذي لشركة إم بي ماديريلز، الشركة الوحيدة في أمريكا الشمالية التي تعمل على استخراج خامات الأرض النادرة، وهذا الجزء المهم، استخراج كميات كبيرة من مركبات الأرض النادرة الصالحة للاستخدام الصناعي [[LINK10]].

البودرة التي يُظهرها لي هي مزيج من أكاسيد التّراب النّادر النّقية، غالباً نيوديميوم مع بعض البرازوديوم. إنها المكوّن الأساسي في العديد من العمليات والمنتجات الحرجة في تصنيع أشباه الموصلات، والنّظم الإلكترونيّة البصريّة، والتحفيز الكيميائيّ، وبشكلٍ ملحوظ، المغانط الدّائمة القوية. هذه المغانط هي التي تدخل في جميع المحركات المستخدمة في المركبات الكهربائية، وفي أنظمة التحكم في المناخ، والأجهزة المنزلية، والأدوات، وفي المُولدات المستخدمة في توربينات الرياح، وفي الملايين من سماعات الرأس والمايكروفونات المباعة كل عام.

خلال الساعات القليلة الماضية، مع ارتفاع درجة الحرارة نحو ٤٣ درجة مئوية (١١٠ درجة فهرنهايت)، كنتُ أسير مع روزنتال حول منجم الحفر المكشوف لشركة MP ومرافق المعالجة الواسعة في صحراء موهافي الشمالية الشرقية. وفي وقت سابق، بينما وقفنا على حافة حفرة المنجم الشاسعة، أشار روزنتال إلى طبقات الصخور البنية والحمراء في جدران الصخر الرمادي الفاتح البعيد تحتنا، والتي تحتوي على خامات الأرض النادرة. قال: “هناك تعدين للأرض النادرة هنا منذ عام ١٩٥٢. نعتقد أننا سنستمر لمدة ثلاثين عامًا على الأقل”.

ذلك يُبعث على الطمأنينة لدى مسؤولي الحكومات والرؤساء التنفيذيين في أوروبا وأمريكا الشمالية واليابان وكوريا، الذين أطلقوا برامج واسعة النطاق لإنتاج العناصر الحيوية في الولايات المتحدة وأستراليا وكندا. تهدف هذه الجهود إلى ضمان إمداد بِعناصر الأرض النادرة الحيوية في حال قررت الصين – التي تُنتج
[[LINK14]] حوالي 90 في المئة [[LINK14]] من الأرض النادرة المُعالجة، المُستعدة للاستخدام الصناعي – تقييد تصديرها. والآن، بعد أكثر من عقد من الجهد، وبعد مليارات الدولارات التي أنفقتها الشركات الخاصة وكذلك حكومات الولايات المتحدة ودول أخرى، سيكون عام 2025 عامًا يجب أن تُصبح فيه بعض نتائج كل هذا المال والنشاط واضحة.

“سجل النجاح في هذه الصناعة مُزرٍ للغاية.”
—مايكل روزنتال، المؤسس المشارك، ماتيريالز إم بي

تتوقع شركة MP Materials، على سبيل المثال، زيادة إنتاج منتجها من النيوديميوم البراسيوديميوم هذا العام، مع إكمال منشأة لإنتاج مغناطيس دائم عالي الجودة بالقرب من فورت وورث، تكساس. وفي الوقت نفسه، تتوقع شركة MP، المنافسة الكبيرة الوحيدة خارج الصين،
شركة ليناس للأرض النادرة في بيرث، أستراليا، البدء في العمل على منشأة ضخمة لمعالجة الأرض النادرة قيد الإنشاء في سيدريفت، تكساس، بتمويل قدره 258 مليون دولار أمريكي من وزارة الدفاع الأمريكية.

ولكن كل جزءٍ من هذه المشاريع الكبيرة، المعروفة جيدًا، يُعدّ مُحتملاً لتحقيق تحوّلٍ كبيرٍ، مشروعٌ بالكاد يُعرف على الإطلاق، حتى داخل مجتمع الاستثمارات في المعادن النادرة، والمُطوّرين، والباحثين. هذا العام، سيعمل الباحثون في مختبر أوك ريدج الوطني على تشغيل وتحليل خط تجريبي قائم على طريقة كيميائية جديدة لاستخراج المعادن النادرة، اخترعها الكيميائي
سانطا يانسونة-بوبوفا. ويبدو أنها قادرة على خفض المُذيبات، والماء، والطاقة اللازمة لاستخراج المعادن النادرة بنسبة تصل إلى ٦٠ في المائة مقارنةً بطريقة الاستخراج القياسية. ويمكن أن يُثبت هذا التقدم التكنولوجي ضرورةً حيويةً للشركات الأمريكية، والأسترالية، وغيرها من الشركات التي تُناضل من أجل المنافسة ضد العملاق الصيني في مجال المعادن النادرة، الذي يُشغل عشرات من منشآت المعالجة، ويمتلك قيودًا أقل على اللوائح البيئية.

عمل تجارة المعادن النادرة يتحدى التصنيف

لا يوجد شيء تقريباً بسيط ومباشر في صناعة الأرض النادرة. إنها مشروع تجاري قائم على التكنولوجيا تعتمد عليه العديد من الصناعات العالمية الحاسمة، الرائدة في مجال التكنولوجيا المتقدمة. كما أنها تقع في نقطة التقاء حيوية بين الجغرافيا السياسية والدفاع. وهي صناعة لها سجل بيئي مُعقد تاريخياً، لكنها أصبحت الآن حاسمة لبعض أكبر الصناعات وأسرعها نمواً، والتي تهدف إلى التخفيف من [[LINK17]] تغير المناخ.
[[LINK17]]

ارتفعت مخاوف عدم الارتياح إزاء هيمنة الصين على إنتاج المعادن الأرضية النادرة في ديسمبر الماضي، عندما أعلنت الصين أنها ستُـ تبدأ بحظر تصدير بعض المواد الحيوية إلى الولايات المتحدة. يُذكر أن الحظر لا يشمل المعادن الأرضية النادرة، لكنّ المنع أثار ذكري واقعة عام 2010 التي قطعت فيها الصين مؤقتًا جميع مبيعات المعادن الأرضية النادرة إلى اليابان بعد نزاع صيد. وبعد ثلاث سنوات،[[LINK19]] أحدث تقرير[[LINK19]] من خدمة البحوث التابعة للكونغرس الأمريكي ضجة كبيرة من خلال الإشارة إلى أن كل طائرة مقاتلة إف-35 لايتنينغ الثانية تحتوي على 414 كيلوغرامًا (حوالي 920 رطلًا) من مواد المعادن الأرضية النادرة.

سرعان ما بدأ التدفق النقدي. جاء ذلك من وكالات أمريكية، وبشكل ملحوظ البنتاجون، بالإضافة إلى جهات أخرى في اليابان وكوريا، ومن المستثمرين الخاصين. برزت عشرات الشركات والمبادرات – بحسب آخر تعداد، [[LINK21]] أكثر من 146 [[LINK21]] مشروعًا كبيرًا للأرض النادرة قيد التنفيذ، منها ما لا يقل عن 96 مشروعًا في أمريكا الشمالية، وأستراليا، وأوروبا، وأمريكا الجنوبية.

في الولايات المتحدة، تركز معظم الجهود على الاكتفاء الذاتي. لكن الطريق من هنا إلى هناك سيكون صعبًا للغاية. يقول روزنثال: “تصنيع المعادن الأرضية النادرة أمرٌ صعبٌ للغاية. إنه مكلف للغاية، وتحتاج إلى الكثير من المعدات، وسجل النجاح في هذه الصناعة سيئ للغاية”.

فليس من المستغرب، إذن، أن تُعدّ تقريباً جميع مشاريع التعدين النادرة الكبيرة البالغ عددها 146 مشروعاً مشاريع استخراج، وليس معالجة، ولن تُسهم كثيراً في تنويع إمدادات الأرض النادرة. ويوافق روزنتال على ذلك قائلاً: “من المهم أن يكون لدينا سلسلة إمداد أكثر تنوعاً، خارج الصين، وأكبر حجماً. لكن الصناعة تعاني من سوء الخدمة بسبب كمية الضجيج والصحافة غير المبررة المتعلقة بالموارد (مواقع مناجم الاستكشاف) التي لا يُفهم جيداً. ما نحتاجه حقاً أكثر هو قدرات المعالجة، من جميع أجزاء سلسلة الإمداد”. يشير روزنتال إلى أن منجم الأرض النادرة الجديد لا يفعل شيئاً لزيادة التنوع الجغرافي للإمداد إذا كان لابد من الذهاب بإنتاجه إلى الصين لمعالجته إلى أكاسيد الأرض النادرة.

تُعدّ مركبات الأرض النادرة المحتوية على النيوديميوم، مثل مسحوق أكسيد البريوديميوم-النيوديميوم هذا المُنتَج من قبل شركة MP Materials في موقعها بمنطقة ماونتين باس، ذات أهمية صناعية وعسكرية وتجارية هائلة.MP Materials

اليوم، أصبحت هذه الترتيبات شائعة. فالهيمنة الصينية على معالجة المعادن الأرضية النادرة كبيرة لدرجة أن شركة MP Materials Corp، الشركة الأم التي تسيطر على عمليات التعدين والمعالجة في ماونتين باس، ترسل بعض خاماتها إلى الصين لمعالجتها. وتملك شركة صينية، وهي Shenghe Resources Holding Co، حوالي 7.7% من أسهم شركة MP Materials.

يُقدّر روزنتال أن الصين أنشأت ما لا يقل عن 50 مصنعًا لفصل عناصر الأرض النادرة في السنوات العشر الماضية. للمقارنة، خارج الصين، لا توجد سوى ثلاثة منشآت فصل قادرة على إنتاج أكاسيد عناصر الأرض النادرة على نطاق صناعي. واحدة منها هي مصنع ماونتين باس، والآخر هو مصنع سيلميت في سيللامي، إستونيا، المملوك لشركة نيوبرفورمنس مالتيريالز، مقرها تورونتو، والثالث هو مصنع ليناس المتقدم للمواد، بالقرب من كوانتان في ماليزيا. (يُنتج منشأة ليناس الأخرى، في كالغوري، أستراليا، خليطًا من كربونات عناصر الأرض النادرة التي يمكن تحويلها إلى أكاسيد صناعية مفيدة في مواقع العملاء.)

إعادة توزيع التكرير

يبدأ تحويل خام الأرض النادرة إلى أكاسيد الأرض النادرة بعملية تُسمى التحسين في هذه الصناعة. هنا، تُكسر الصخور أولاً إلى قطع من الحصى، ثم تُمزج بالماء وتُسحق إلى معجون. ثم، في العملية الصديقة للبيئة نسبيًا المستخدمة في جبل باس، وتُسمى عملية تطفو الخُث، يُضاف نوع من المواد الكيميائية، يُسمى عامل التوتر السطحي، إلى المعجون. يُدخل هذا المزيج إلى سلسلة من الأوعية، أو الخلايا، حيث يتسبب عامل التوتر السطحي في ارتباط حبيبات الأرض النادرة بشكل انتقائي بفقاعات تطفو إلى أعلى الخلايا. وعندما تطفو الفقاعات لأعلى، تحمل معها حبيبات الأرض النادرة، مُنفصلةً إياها عن حبيبات النفايات. بعد مراحل متعددة، ما تبقى بعد التجفيف هو مسحوق ناعم يُسمى تركيز الأرض النادرة. والهدف هو أن يكون هذا التركيز على الأقل ٦٠ بالمائة أكاسيد الأرض النادرة من حيث الوزن.

الخطوة التالية تُسمى الاستخلاص. في منجم ماونتين باس، يُحرق المركّز ثم يُستخلص باستخدام حمض الهيدروكلوريك لإذابة العناصر النادرة ذات القيمة العالية في المحلول. تُزال معظم كمية السيريوم، وهو عنصر أرضي نادر منخفض القيمة، في هذه المرحلة.

أكياس من مسحوق أكسيد النيوديميوم والبريسيوديوم، حيث تحتوي كل حقيبة على طن متري واحد من المركب، في انتظار الشحن من مستودع في موقع ماونتين باس في كاليفورنيا.مايكل تيسلر/MP Materials

المرحلة التالية هي الأكثر تعقيدًا وأهمية. هنا، تُفصل العناصر النادرة المحددة المطلوبة، مثل النيوديميوم والبرزيوديميوم، عن باقي العناصر النادرة. تُسمى التقنية القياسية
[[LINK24]] استخلاص المُذيبات[[LINK24]]، وهي لا تختلف كثيرًا عن العملية التي اخترعها الباحثون في[[LINK25]] مختبر أرجون الوطني[[LINK25]] و[[LINK26]] مختبر أوك ريدج الوطني[[LINK26]] قبل ٧٠ عامًا.

تُسمى هذه الطريقة بسائل-سائل، لأنها تستخدم مذيبين غير قابلان للامتزاج، أحدهما مائي والآخر زيتى. تُذاب العناصر النادرة في أحد المذيبات، الذي يُخلط بقوة مع المذيب الآخر. لاستخراج العناصر النادرة المحددة، تستخدم العملية مُستخلصًا عضويًا، وتستغل الاختلافات الدقيقة في ميل هذا المُستخلص للروابط للعناصر النادرة المختلفة في ظروف العملية الخاصة.

هكذا يعمل الأمر. يوجد محلول مائي حمضي يحتوي على عناصر الأرض النادرة، يُسمى الطور المائي. يُمزج مع طور زيتّي، أو عضوي، يتكون من ذلك المُستخلص العضوي ومُذيب. يُعدّل التقنيّون ظروف العملية، مثل درجة الحرارة والضغط، للسماح للمُستخلص بالارتباط بشكل تفضيلي بأيونات الأرض النادرة المحددة المُراد استردادها، مثل النيوديميوم. عندما يُمزج الطور المائي والطور العضوي بقوة، ترتبط أيونات النيوديميوم بالمُستخلص، مما يسحبها إلى الطور العضوي. نظرًا لأن هذا الطور الزيتي لا يمتزج مع الطور المائي، فإن أيونات النيوديميوم تُفصل عن غيرها. عمليًا، يحدث المزج المُعنّف في أوعية تسمى المُمزجات، ثم تُدفع السوائل المُمزوجة إلى وعاء مجاور يُسمى المُستقر، حيث تتفصّل الطوران ببطء، مع تراكم عناصر الأرض النادرة المستهدفة في الطور العضوي وتنظيف عناصر الأرض النادرة الأقل رغبةً إلى الطور المائي.

يحدث هذا الخلط والاستقرار مرارًا وتكرارًا. كل مرة يزداد تركيز عناصر الأرض النادرة المرغوبة تدريجيًا. بعد العديد من التكرارات، يتم عادةً نقل عناصر الأرض النادرة المستهدفة مرة أخرى إلى الطور المائي. ثم يتم استردادها بواسطة تقنية الترسيب.

إذا بدا الأمر بسيطًا للغاية، فليس كذلك. في مصنع ماونتين باس، يأخذني روزنثال إلى المبنى، الأكبر من ملعب كرة القدم، حيث تتم عملية الاستخراج. لقد جولت في العديد من المواقع الصناعية والتكنولوجية الضخمة، لكنني لم أر شيئًا يشبه هذا. بعد أن تكيفت عيني مع الضوء الخافت، أرى أعمدة من أوعية ضخمة متزاوجة، ترتفع فوقي، إلى مسافات بعيدة. كل منها حوالي 20 مترًا مكعبًا (حوالي 5000 جالون)، وهناك ما لا يقل عن مئة منها (يُقال إن العدد الدقيق سر تجاري). هذه هي الخلاطات والمستقرّات.

كيف أعادت أوك ريدج اختراع استخراج عناصر الأرض النادرة؟

يمكن أن يُصبح عملية استخلاص المذيبات السائلة-السائلة، عند ضبطها بشكل صحيح، فعالة للغاية، مُنتجة أكاسيد التربة النادرة بنقاء أعلى من 99.9 بالمائة. لكن لها بعض العيوب الكبيرة. في هذه العملية، تكون المرحلة العضوية مركبًا قائمًا على الفوسفات، مثل فوسفات ثلاثي-البوتيل، بينما المرحلة المائية حمضًا قويًا، مثل حمض الهيدروكلوريك أو النيتريك أو الكبريتيك. تُستخدم هذه المذيبات والمُتفاعلات بكميات هائلة، والتي يمكن إعادة تدويرها ولكن يجب التخلص منها في النهاية.

يهدف الكثير من الأبحاث الآن إلى
تحديد عوامل استخلاص أفضل—على سبيل المثال، تلك التي تمكن من عمليات أقل حمضية أو التي تربط كيميائيًا بشكل أكثر انتقائية مع العناصر الأرضية النادرة المطلوبة. مقياس فعالية عامل الاستخلاص هو عامل الفصل، الذي يشير إلى مقدار عنصر الأرض النادرة المستهدف الذي يتم سحبه من المحلول نسبةً إلى العناصر الأرضية النادرة المجاورة أثناء مرورها بجولة واحدة من خلاطات-مستوطنات. بالنسبة للنظام التقليدي اليوم، تتفاوت عوامل الفصل للعناصر الأرضية النادرة المجاورة بين 1.1 وحوالي 6. للمقارنة، يمكن أن تتجاوز عوامل الفصل لعمليات كيميائية صناعية أخرى 100.

“إذا تمكّنت من مضاعفة أو ثلاثة أضعاف معامل الفصل، فيمكنك تقليل عدد خلاطات المُستقرّرات إلى النصف أو تخفيضه بنسبة تصل إلى الثلثين”، يقول توم لوغراسّو، مدير تحالفٍ بقيادة الحكومة الأمريكية يُسمّى مركز الابتكار في المواد الحيوية، والذي يرعى الأبحاث حول هذه المشكلة. “ولو وجدت طريقة علاجية فعالة لتقليل التكاليف، والتكاليف الرأسمالية، واستخدام الأراضي، واستخدام المياه، وتحسين الصحة البيئية للمعالجة، فستكون هي إيجاد مواد كيميائية آمنة بيئيًا، وستكون أيضًا أفضل في فصل الأرض النادرة عن بعضها البعض”.

<>

“`html

ابتكرت الكيميائية الباحثة سانتا جانسوني-بوبوفا، في مختبر أوك ريدج الوطني، الكيميائيّ دجا-6 الذي من شأنه أن يُحدث ثورةً في استخراج المعادن الأرضية النادرة.كارلوس جونز/مختبر أوك ريدج الوطني/وزارة الطاقة الأمريكية

في مختبر أوك ريدج، يُنجز المشروع الذي تقوده جانسوني-بوبوفا، بتمويل من مركز الابتكار في المواد الحيوية، ذلك تمامًا. تُشير جانسوني-بوبوفا إلى أنه مع العملية التقليدية، تصبح المحاليل أكثر حمضيةً مع تقدمها عبر مراحل متعاقبة من الخلاطات المُستقرة.

“`

«للاسترداد تلك العناصر الأرضية النادرة في نظام الفصل النفطي المائي»، تشرح، «يجب عليك استخدام محلول مائي أكثر تركيزًا – محلول أكثر حمضية»، تُلاحظ. ذلك، بدوره، بحسبها، يتطلب استخدام قلوي لتخفيض حموضة المحلول، حتى يتمكن التيار المائي من إعادة التدوير. «هذا يعني إضافة المزيد من المواد الكيميائية إلى النظام، وهو أمر غير مثالي، والذي، في النهاية، ينتج المزيد من النفايات، مما يثير المخاوف البيئية»، تقول.

حلّها؟ استخدام مُستخلص لا يعمل على أساس تعديلات في الحموضة. “إنه يعمل بواسطة آلية مختلفة، تعديلات في قوة الأيونات”، تقول جانسوني-بوبوفا. “هذا يعني أنه يمكننا البدء بحلّ حمضيّ أكثر تركيزًا، ثمّ إعادة تدوير ذلك الحلّ الحمضيّ دون إضافة أيّ مواد كيميائية. وعندما نريد استعادة تلك العناصر الأرضية النادرة، فإننا نستخدم حلًّا حمضيًا مُخففًا جدًّا، يمكن أيضًا إعادة تدويره بعد ترسيب العناصر الأرضية النادرة. يمكننا أساسًا استعادة تلك العناصر الأرضية النادرة بالماء. لا تُضاف أيّ مواد كيميائية إضافية إلى النظام، وكلّ الحمض الذي نستخدمه في العملية يمكن إعادة تدويره. هذا هو الجمال”.

وذلك ليس كلّ الجمال. إنّ المُستخلصات الجديدة أكثر انتقائية بكثير، مما يحسّن معامل الفصل بمقدار اثنين إلى ثلاثة أضعاف مقارنةً بالعمليات الحالية.

<>

تم ابتكار عملية جديدة عالية الكفاءة لاستخراج عناصر الأرض النادرة المحددة في مختبر أوك ريدج الوطني. تعتمد العملية على مادة كيميائية، وهي دايغليكولاميد-6 (DGA-6) [في الكأس أعلاه] التي تُصنع حاليًا من قبل مختبرات مارشالتون للأبحاث.كارلوس جونز/ORNL/وزارة الطاقة الأمريكية

المنقى الجديد من عائلة كيميائية تُدعى دايغليكولاميدات، أو DGAs. تشير جانسون-بوبوفا إلى المادة التي يعمل فريقها حاليًا على تطويرها باسم DGA-6. يُستخدم في الطور النفطي، ومنقى جديد آخر، طورته أيضًا فرقها، يُستخدم في الطور المائي. تقول: “هدفنا هو إظهار تدفق العملية وإقناع الصناعة بأن هذه عملية أفضل”.

لديه بالفعل مُحوّل واحد في هذا المجال. ماك فوستر هو شريك مُشترِك في
[[LINK29]] مختبرات مارشالْتون للأبحاث[[LINK29]]، التي تُزوّد المواد الكيميائية لعمليات الاستخراج في صناعات النووي والأرض النادرة. لقد تعاون مع جانسون-بوبوفا، وهو مُعجب بما شاهده. يقول: “مقارنةً بأحدث المُستخرجات [التقليدية]، فإن هذه الفئة الجديدة من مُستخرجات DGAs أنظف بكثير في عملها لأن هذه المُستخرجات متعادلة. إنها ليست أحماض. لذا، فهي لا تتطلب تقلبات كبيرة تتضمن حياد كميات كبيرة من الأحماض. إنها أكثر كفاءة”.

مُصنع مارشالْتون، المُرَخّص بإنتاج المُستخلص DGA-6، يُنتج كمياتٍ مُتوسطةً منه للتقييم والاختبار في أوك ريدج. كما يقدم المُصنعُ المشورة حول التسويق والتجاريَّة لفريق جانسون-بوبوفا. يضيف فوستر: “لقد حسّنّا عملية إنتاج DGA-6. وذلك يعني أن ما نقوم به ليس موجوداً في الأدبيات. وهذا يُؤدّي إلى انخفاضٍ في تكلفة إنتاج المُستخلص. وهو أكثر ملاءمةً للتوسّع في الإنتاج.”

أعودُ إلى جبل باس، وأسأل روزنتال عن عمل أوك ريدج. يُعجبُه ما سمعه حتى الآن. يقول: “إذا كان المُستخلص من أوك ريدج أكثر انتقائيةً، فلن نحتاج إلى العديد من الخزانات.”

سيتعين على منتجي المعادن الأرضية النادرة الغربيين، على المدى الطويل، شيءٌ استثنائيٌّ لتعزيز جهودهم في المنافسة مع نظرائهم الصينيين – الذين يسعون أيضًا إلى استخدام أحماض دايغليكولاميد كمواد مُستخلِصة لمعالجة المعادن الأرضية النادرة [[LINK30]]. وإذا لم يكن ذلك عملية أوك ريدج، فسيتعين عليه أن يكون شيئًا شبيهاً بهاً للغاية. وكلما كان ذلك أسرع، كان ذلك أفضل.

المصدر: المصدر