טיהור כל הנחושת שאנחנו צריכים כדי להעביר חשמל דרך כל דבר, מרכבים ועד טורבינות רוח זה עסק מלוכלך.
אחד מההמצאות הגדולות ביותר של הטכנולוגיה החלו במחלוקת בין שני איטלקים על רגלי צפרדעים.
בשנת 1800, מדענים ברחבי העולם הוקסמו מחשמל. יישומים מעשיים, לעומת זאת, היו חמקמקים, בעיקר משום שאיש לא הצליח להבין כיצד ליצור זרם רציף. באותו זמן, הפיזיקאי אלסנדרו וולטה עמד מול לואיג'י גלווני, רופא-מדען שחקר צפרדעים - ספציפית, רגליים מנותחות עדיין מחוברות לחוט השדרה שלהן ומותקנות על פליז או ברזל ווים. גלווני שם לב שכאשר נגע בבדיקה עשויה ממתכת אחרת ברגליים, הן התעוותו. משוכנע שהשרירים מייצרים את התחושה, גאלוואני כינה את הממצא שלו חשמל חיות.
וולטה טען שהרגליים של הדו-חיים לא יוצרות את הבאזז אלא מגיבות לזרם שנוצר על ידי מתכות מנוגדות. כדי להוכיח זאת, הוא בנה ערימה של פרוסות מתכת מתחלפות (ניסיון מוקדם אחד עם אבץ ונחושת) מופרדות על ידי בד ספוג בתמלחת כדי להוליך זרם. כאשר נגע בחוט בכל קצה של המגדל, זרם חשמל יציב, ללא צורך בחלקים של בעלי חיים. ערימת וולטאית זו, כפי שנקראה, הייתה הסוללה החשמלית הראשונה. לאחר שוולטה הדגים את המכשיר בפריז, נפוליאון כל כך התרשם שהוא אפילו נתן לוולטה מדליה - ופנסיה.
מהר קדימה למאה ה-21, ואחד מיסודות הליבה של וולטה, נחושת, הוא הרבה יותר מאמצעי להפריך השערות צפרדעים.
המתכת האדומה, שהיא גם אחת העתיקות בעולם, היוותה את עמוד השדרה של חיינו אוהבי הנורות מאז עידן המוזהב. במוליכותו, הוא עדיף על כל משפחתו היסודית למעט כסף. בניגוד לכסף, עם זאת, הוא עמיד - ואין חשמול בלעדיו. טורבינת רוח חדשה מהחוף, למשל, דורשת 21,000 פאונד של נחושת. בינתיים, כל רכב המונע על ידי סוללות משתמש ב-183 פאונד ממנו, קילומטר מלא מהחומר. (מכוניות המונעות בגז יורדות, לכל היותר, 49 פאונד.) הביקוש השנתי לרכבי רכב חשמליים בלבד יהיה 3.6 מיליון טון עד 2030, לפי CRU, חברת בינה עסקית עם עין על שוק המתכות.
"זו אחת המתכות המרכזיות להפחתת פחמן", אומר ברנרד רספאוט, מנכ"ל סניף אירופי של איגוד הנחושת הבינלאומי, המלכ"ר למען הנחושת העולמית תַעֲשִׂיָה. "ככל שנחשמל יותר, כך נזדקק ליותר נחושת."
עם זאת, קבלת יותר מזה יוצרת חידה סביבתית. רוב 22.7 מיליון טון הנחושת המיוצרים מדי שנה דורשים קלייה של עפרות כדי לטהר את המתכת. המכונה פירומטלורגיה, זהו תהליך בטמפרטורה גבוהה המבוצע ביותר מ-120 מפעלי התכה ברחבי העולם, כולל שלושה בארה"ב. עם זאת, כל טון נחושת מותך פולט 2 טון פחמן. אמנם אנו זקוקים ליותר נחושת, אך לא סביר שמפעלי התכה נוספים יגיעו לאינטרנט באמריקה מודעת יותר לאקלים, לפי מועצת המנהיגות לביטחון אנרגיה, קבוצה מבוססת וושינגטון הבירה שמטרתה להפחית את הנפט בארה"ב תלות. "התעשייה מכירה בכך שאנחנו צריכים לשחרר את הפחמן בתהליך של ייצור נחושת", מוסיפה רספוט.
דילמה זו משכה את תשומת לבו של אנטואן אלאנור, מטלורג ופרופסור במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. Allanore הוא אחד מגל חדש של ממציאים שמנסים לנקות את ייצור המתכת. הוא מתמחה בהפקת חומרים מסלע מבלי לשרוף דלקים מאובנים כמו פחם או גז. בפברואר 2022 הוא השלים את העבודה על הפרויקט האחרון שלו, במימון משרד האנרגיה האמריקני: כור שמשתמש בתהליך שנקרא אלקטרוליזה, המשתמש בזרם כדי להפריד בין נחושת לעפרה. למעשה, בעוד שוולטה פרסה נחושת כדי להעביר חשמל, המערכת של אלאנור משתמשת בחשמל לייצור נחושת.
המעבדה של אלאנור ב-MIT הראתה כי אלקטרוליזה יכולה גם לחלץ ניקל, קובלט ומנגן - שלושה מינרלים אחרים החיוניים לסוללות ליתיום-יון. אבל נחושת היא המלך.
לדברי האל סטילמן, שפרש מתפקיד מנהל פיתוח והעברת טכנולוגיה ב- איגוד הנחושת הבינלאומי בשנת 2020, המתקן של אלאנור הוא "צעד גדול", כמו גם מדעי פְּרִיצַת דֶרֶך. "זה מעולם לא נעשה קודם לכן, זיקוק אלקטרוליטי של נחושת", הוא אומר.
נכון לעכשיו, המכשיר של Allanore מייצר רק קילו או שניים של נחושת כל 24 שעות, אבל זו הדגמה של עיקרון גדול יותר. בינתיים, התעשייה משתמשת גם בשיטות אחרות לטיהור עפרות מסוימות ללא פליטת התכה. כדי להצליח, אלאנור יצטרך לשכנע את המפיקים שהטכנולוגיה שלו נקייה ויעילה יותר. הצעד הבא שלו? גרסה של הכור שמייצרת טון של היסוד ליום. "החשמול של ייצור מתכת הוא פורץ דרך", הוא אומר. "זה לא רק מאפשר לנו להימנע מדלקים ופליטות פחמן מסוימות, זה פותח את הדלת לפרודוקטיביות גבוהה יותר." אם העולם הופך ירוק, גם ייצור מתכת יכול.
מסביב לעולם של ייצור מתכות, הרעיון של שימוש בחשמל כמשהו יותר ממה שמחזיק את האורות במפעלי התכה תפס אחיזה. זה טריטוריה שאלנור כבר מכיר: הוא היה מהנדס מחקר במשך כמעט חמש שנים ב-ArelorMittal, יצרנית פלדה עולמית גדולה. בעודו שם, הוא עזר לתכנן ולבנות את הכור הגדול בעולם לזיקוק ברזל באמצעות טכניקה הנקראת electrowinning, שבה זרם מפריד מתכת תלויה בתמיסת אלקטרוליט. ArcelorMittal בונה מתקן פיילוט כדי ליישם אותו.
כמו נחושת, פלדה מתחילה כסלע. באופן ספציפי, כמו עפרת ברזל, המורכבת מקשרים הדוקים של אטומי ברזל וחמצן. פירומטלורגיה משמשת לשבירת הקשרים הללו, הצעד הראשון בייצור פלדה. תנורי פיצוץ מסיביים שורפים קוקה, צורה מעובדת של פחם, בטמפרטורה של עד 3,000 מעלות פרנהייט, הטמפרטורה שבה הברזל של העפרה המחוממת משחרר את מצמד החמצן שלו. פחמן דו חמצני הוא תוצר לוואי עיקרי. בעולם התעשייה מייצרת 2 מיליארד טון פלדה מדי שנה, אבל היא זורקת יותר מ-3 מיליארד טון של CO2 - בערך 9% סך פליטות החממה של כדור הארץ ומספר מתנגש ישירות עם יעדים שנקבעו על ידי הפאנל הבין-ממשלתי של האומות המאוחדות לאקלים שינוי.
לאחר שעזב את ArcelorMittal ב-2008, אלאנור לקח שבתון במרכז הלאומי הצרפתי למחקר מדעי ולאחר מכן הצטרף ל-MIT ב-2010 כדי להמשיך את עבודתו על פלדה חשמלית. בשנת 2012, הוא ייסד את Boston Metal, חברה שנבנתה מ-MIT שמשתמשת בזרם במקום קוקי כדי לחמם עפרות ברזל. עמיתו ומייסד-שותף הוא דונלד סאדוווי, מהנדס חומרים ב-MIT, שעבודתו על אלקטרוליזה מתכת מתחילה בשנות השמונים. "זה העתיד", אומר סאדוווי. "אם אתה רוצה להיות אפס פליטות, אתה צריך לתכנן מחדש את כל התהליכים הכבדים הללו, עתירי כימיקלים, עתירי אנרגיה, עתירי פליטות."
נחושת בהחלט מתאימה. יותר משני שליש ממנו מעובד באמצעות פירו-מטלורגיה, שלרוב מתודלקת על ידי גז ופחם. על פי נתונים של סוכנות האנרגיה הבינלאומית, תנור התכה טיפוסי צורך כ-3,830 קילוואט-שעה של אנרגיה כדי לספק טון אחד של נחושת - בערך מה שמשק הבית הממוצע בארה"ב משתמש בארבעה חודשים - ומוציא חצי מיליון טון שָׁנָה. אבל המתכת האדומה מגיעה גם עם אתגרים משלה. בניגוד לפלדה, המכילה מעט פחמן בצורתו הסופית, נחושת חייבת להיות נקייה כמעט מכל זיהומים כדי להעביר חשמל כפי שהחיים המודרניים דורשים. המוליכות שלו עומדת ביחס ישר לטוהר שלו, מציין אלאנור. החיווט בסמארטפון, למשל, מושלם ב-99.9 אחוז. נחושת מכורה אינה קרובה לרמה זו.
עפרה טרייה מהאדמה מורכבת מיסודות רבים, ובראשם גופרית, האטום שאליו נקשרת נחושת ישירות בסלע. בשלב זה, חומר הגלם הוא בדרך כלל פחות מאחוז נחושת. לפני שהוא פונה למפעל התכה, חברות כרייה מרסקות אותו לגרגירים דמויי חול שהם משליכים לקצף נוזלי כדי להתחיל להסיר יסודות קורט כמו עופרת ואבץ. מה שנשאר נקרא תרכיז נחושת, שהוא רק כ-25 אחוז טהור.
התרכיז עובר למתקן ההיתוך, אשר צולה אותו, תוך שימוש בגז טבעי כדי ליצור טמפרטורות גבוהות עד 2,300 מעלות צלזיוס. הפיצוץ הזה יוצר שני דברים: סיגים, מוצר פסולת המכיל ברזל, סיליקה ומינרלים אחרים; ונחושת מט, או נוזלית, שעדיין כוללת מעט ברזל וסולפיד והיא טהורה ב-60 אחוז. מט מותך עובר לכבשן אחר עם טמפרטורות גבוהות דומות - זה שנקרא ממיר - שם חמצן מנופח תופס אטומי גופרית, ויוצר דו תחמוצת הגופרית. (מפעלי התכה לוכדים את רוב דו תחמוצת הגופרית הנפלטת והופכים אותו לחומצה הגופרית הם יצטרכו בהמשך התהליך.) ההתקנה פולטת נחושת שלפוחית, שמגיעה לטוהר של 98 אָחוּז.
אמצעי הייצור הקונבנציונליים אמנם משתמשים בחשמל לזיוף המתכת, אבל רק בסופו: נחושת שלפוחית מוזגים לתבניות, אשר מוכנסות לאחר מכן לתמיסת אלקטרוליט המורכבת בחלקה מהגופרית הכלואה חוּמצָה. התגובה שמתרחשת לאחר מכן דומה למנגנונים בתוך סוללה. לוחות הנחושת שלפוחית, מקוררים ומעוצבים, פועלים כאנודות (החלק בתא שנותן אלקטרונים), ויריעות דקות של נחושת טהורה משמשות כקתודות (החלק הקולט אלקטרונים). כאשר מופעל זרם, רק יוני נחושת בעלי מטען חיובי עוברים מהאנודות אל הקתודות. כל שאריות מתכות, כמו ברזל או עופרת, משתחררות מהאנודות ונופלות לתחתית המיכל, ומשאירות אחריהן קתודות נחושת שהן כמעט 100 אחוז טהורות.
עוד בשנת 2013, אלאנור החל לתהות אם הוא יכול להשתמש בחשמל, במקום בגז טבעי, כדי לטהר נחושת. "זו המתכת מספר אחת שהאנושות השתעשעה איתה, אז זה חשוב", הוא אומר.
שיטת האלקטרוליזה שהציע באותה שנה החליפה את כל השלבים בהיתוך מסורתי באחד בלבד, שגם הפריד בין נחושת מגופרית וגם חיסל את הברזל שיכול להוות עד מחצית מהעפרה. על הנייר, התוכנית הייתה פשוטה: הרעיון הבסיסי אינו שונה כל כך מהאופן שבו בוסטון מתכת משתמשת בזרם כדי להזיל עפרות ברזל, אשר נוצרות לגושי פלדה כשהן מתקררות.
בשנת 2018, המשרד ליעילות אנרגטית ואנרגיה מתחדשת בתוך משרד האנרגיה האמריקני העניק לאלנור מענק של 1.9 מיליון דולר כדי לנסות זאת. "ה-DOE הבין את הקשר הזה בין יותר חשמול, פחות צריכת אנרגיה, ובכל זאת הצורך ביותר מתכות", הוא נזכר.
במעבדה של אלאנור ב-MIT, המתקן לטיהור הנחושת יושב בתוך משהו שדומה לתא טלפון גדול מדי מהאסכולה הישנה. בור קרמי עם קתודה בתחתית ואנודה בחלק העליון מלא כשני קילו של תרכיז נחושת ותבשיל אלקטרוליטים מורכב בחלקו מלנתנום גופרתי, יסוד תגובתי מבחינה כימית המטיב ליצור תרכובות עם מינרלים קורט הקשורים לנחושת בֶּצֶר.
לאחר מכן מניחים את הבור בתוך תנור גז קטן שמגיע לטמפרטורה של כ-2,372 מעלות פרנהייט. כאשר רכז הנחושת מתחמם ומתנזל, זרם עובר דרך הקתודה. תוך דקות ספורות, הנחושת מתחילה לרדת אל הקתודה בעוד אטומי גופרית נעים כלפי מעלה אל האנודה. המתכת הנופלת מתקררת כנחושת מטוהרת, מוכנה לעיצוב לחיווט; הגופרית שיוצאת היא גופרית אינרטית, יסודית, לא דו תחמוצת גופרית רעילה. התהליך עדיין דורש אנרגיה כדי לייצר טמפרטורות קיצוניות, אבל נדרש רק פיצוץ בודד כדי ליצור נחושת טהורה.
לפי הווטרינר של איגוד הנחושת הבינלאומי סטילמן, השימוש של אלאנור בלנטנום הוא תובנה מדעית ייחודית. "לא יכולת להשתמש בתגובה אלקטרוליטית עם נחושת כדי להפריד אותה לפני הצעד שלו של הוספת לנתנום", אומר סטילמן, שכיום משמש כיועץ בכיר לקבוצת מחקר שעובדת על שרשרת אספקת המתכות במעבדה הלאומית Argonne ליד שיקגו. "זה יוצר מצב שבו אתה יכול לקבל הפרדה של יוני הנחושת מהחומרים האחרים."
המעבדה של אלאנור הראתה כי אלקטרוליזה יכולה גם לחלץ ניקל, קובלט ומנגן - שלושה מינרלים אחרים החיוניים לסוללות ליתיום-יון. אבל נחושת היא המלך. מועצת המנהיגות לביטחון אנרגיה מציעה שנצטרך לייצר את אותה כמות של מתכת ב-25 השנים הבאות שעשינו ב-5,000 הקודמות כדי לענות על הביקוש לרכבים חשמליים לבד. זה לא כולל את עמדות הטעינה שלהם, שגם צריכות חיווט.
הגדלה של הטכנולוגיה כך שהיא מייצרת ברציפות טון אחד של נחושת ביום (שלא לדבר על רבים) היא מכשול גדול, מאפשר סטילמן - אחד שעליו ייקח מספר צעדים כדי להתגבר עליו. ראשית יש את המזומנים שאלנור תצטרך כדי ליצור כור טייס גדול מספיק. הוא יצטרך להשיג קבלן הנדסי עם קשרים לתעשיית הכרייה כדי לייצר כור בגודל תעשייתי. אז הוא חייב להוכיח שבקנה מידה זה השימוש בכור חסכוני יותר מתהליך ההיתוך המסורתי.
"תמיד ישנה השאלה מי יממן", אומר סטילמן. "עם זאת, ישנם כורי נחושת רבים שמתעניינים בסוג זה של טכנולוגיה וביתרונות הסביבתיים שלה."
בינתיים, Respaut של איגוד הנחושת הבינלאומי מעריך שכ-20% מהייצור העולמי כבר מגיע ממכרות שמשתמשים בתהליך הנקרא הידרומטלורגיה. במערך זה, ריאגנטים על בסיס מים ממיסים נחושת מעפרות בטמפרטורות רגילות כדי ליצור מתכת נוזלית הניתנת לטיהור בשיטה דומה לשלב האחרון בשימוש בהתכה צמחים.
הידרו-מטלורגיה, לעומת זאת, מתאימה רק לעפרות נחושת תחמוצת, שהיא פחות בשפע מעפרת הנחושת הסולפידית שהכור של אלאנור יכול להסיט ממפעלי התכה מסורתיים. יתר על כן, עיבוד הידרו-מטלורגי עדיין לוקח מספר שלבים כדי ליצור נחושת טהורה. כאשר אלאנור מדבר על היתרונות של עיבוד מתכת מבוסס זרם, הוא מתכוון לכך שבשלב אחד, הוא יכול להניב נחושת נוזלית טהורה, מוכנה לעיצוב חיווט לאלקטרוניקה ומופעל באמצעות סוללות כלי רכב.
ובכל זאת, הכור שלו הוא רק מכשיר הדגמה שמסוגל לייצר רק כמה קילוגרמים של נחושת. Allanore רוצה להציג את זה בפני כמה חברות השנה כדי להדגים איך נראה ייצור איכותי, מהיר יותר ובר קיימא יותר. לאחר מכן, הוא מקווה לערוך סבב נוסף של בדיקות, רצוי בשיתוף עם אתר התכה או כרייה, כדי לראות אם כור גדול יותר יכול לייצר בצורה מהימנה טון נחושת אחד ביום.
"אנחנו צריכים להאיץ את הדרך שבה אנחנו יכולים לגשת לנחושת בטוהר גבוה", הוא אומר. "וזה באמת המקום שבו לטכנולוגיה ולחשמול יש תפקיד מפתח."
הסיפור הזה רץ במקור בגיליון המתכת של קיץ 2022 של PopSci, בתור היצירה השנייה בסדרה בת שלושה חלקים על סוללות. לקרוא חלק ראשון ו חלק שלישי הַבָּא. או בדוק אחר PopSci+ סיפורים.