استارتاپ زباله های معدن را به فلزات حیاتی برای ایالات متحده تبدیل می کند | اخبار MIT

در قلب انتقال انرژی یک انتقال فلز است. مزارع بادی، پنل‌های خورشیدی و ماشین‌های الکتریکی به مس، روی و نیکل چندین برابر بیشتر از جایگزین‌های گازسوز خود نیاز دارند. آنها همچنین به فلزات عجیب و غریب بیشتری با خواص منحصر به فرد، معروف به عناصر خاکی کمیاب، نیاز دارند، که برای آهنرباهایی که وارد چیزهایی مانند توربین های بادی و موتورهای برقی می شوند ضروری هستند.

امروزه، چین بر پردازش عناصر کمیاب خاکی مسلط است و حدود 60 درصد از این مواد را برای جهان تصفیه می کند. با پیش بینی افزایش سرسام آور تقاضا برای چنین موادی، دولت بایدن گفته است این وضعیت امنیت ملی و اقتصادی را تهدید می کند.

امروزه مقادیر قابل توجهی از فلزات خاکی کمیاب در ایالات متحده و بسیاری دیگر از نقاط جهان بلااستفاده مانده است. نکته این است که آنها با مقادیر زیادی زباله سمی معدن مخلوط شده اند.

Phoenix Tailings در حال افزایش فرآیند برداشت مواد، از جمله فلزات خاکی کمیاب و نیکل، از زباله های معدن است. این شرکت از آب و حلال‌های قابل بازیافت برای جمع‌آوری فلز اکسید شده استفاده می‌کند، سپس فلز را در مخلوط نمک مذاب گرم شده قرار می‌دهد و برق را اعمال می‌کند.

این شرکت که توسط فارغ‌التحصیلان MIT تأسیس شده است، می‌گوید که مرکز تولید آزمایشی آن در Woburn، ماساچوست، تنها سایتی در جهان است که فلزات خاکی کمیاب را بدون محصولات جانبی سمی یا انتشار کربن تولید می‌کند. در این فرآیند از الکتریسیته استفاده می‌شود، اما Phoenix Tailings در حال حاضر با قراردادهای انرژی تجدیدپذیر آن را جبران می‌کند.

این شرکت انتظار دارد تا سال 2026 بیش از 3000 تن از فلزات را تولید کند که حدود 7 درصد از کل تولید ایالات متحده در سال گذشته را تشکیل می دهد.

اکنون با حمایت وزارت انرژی، Phoenix Tailings لیست فلزاتی را که می‌تواند تولید کند گسترش می‌دهد و برنامه‌های خود را برای ساخت دومین مرکز تولید تسریع می‌کند.

برای تیم موسس، از جمله فارغ التحصیلان MIT توماس ویلاون ’14 و میشل چائو ’14 به همراه نیک مایرز و آنتونی بالادون، این کار پیامدهایی برای ژئوپلیتیک و سیاره زمین دارد.

Villalón می گوید: «اینکه بتوانید مواد خود را در داخل کشور بسازید به این معنی است که شما به دستور یک انحصار خارجی نیستید. ما بر ایجاد مواد حیاتی برای نسل بعدی فناوری‌ها متمرکز شده‌ایم. به طور گسترده‌تر، ما می‌خواهیم این مواد را از راه‌هایی دریافت کنیم که در بلندمدت پایدار باشند.»

مقابله با یک مشکل جهانی

ویلون پس از گذراندن دوره 3.091 (مقدمه ای بر شیمی حالت جامد) در اولین سال تحصیلی خود در MIT به شیمی و علم مواد علاقه مند شد. در سال آخر، او فرصتی برای کار در بوستون متال، یکی دیگر از اسپین‌اف‌های MIT که از فرآیند الکتروشیمیایی برای کربن زدایی فولادسازی در مقیاس استفاده می‌کند، یافت. این تجربه باعث شد ویلون، که در رشته علوم و مهندسی مواد تحصیل کرده بود، به فکر ایجاد فرآیندهای متالورژی پایدارتر بیفتد.

اما ملاقات تصادفی با مایرز در مطالعه کتاب مقدس در سال 2018 طول کشید تا ویلون به این ایده عمل کند.

ویلون به یاد می‌آورد: «وقتی به موضوع برق‌رسانی رسیدیم، درباره برخی از مشکلات عمده جهان صحبت می‌کردیم. «این بحث در مورد اینکه ایالات متحده چگونه مواد خود را به دست می آورد و چگونه باید در مورد برق رسانی به تولید آنها فکر کنیم، شد. در نهایت به این فکر کردم که “من یک دهه است که در این فضا کار می کنم، بیا بریم کاری در مورد آن انجام دهیم.” نیک موافقت کرد، اما من فکر می کردم که او فقط می خواهد در مورد خودش احساس خوبی داشته باشد. سپس در ماه جولای، او به طور تصادفی با من تماس گرفت و گفت: “دارم [$7,000]. کی شروع کنیم؟»

ویلون چائو، همکلاسی سابق خود در MIT و همکار رشته مهندسی و علم مواد را وارد کرد، و مایرز بالادون، همکار سابق خود را آورد و بنیانگذاران شروع به آزمایش فرآیندهای جدید برای تولید فلزات خاکی کمیاب کردند.

ویلون می گوید: «ما به اصول پایه بازگشتیم، ترمودینامیکی که با استادان MIT آنتوان آلانور و دونالد سادووی آموختم، و درک سینتیک واکنش ها. کلاس‌هایی مانند دوره 3.022 (تکامل ریزساختاری در مواد) و 3.07 (مقدمه‌ای بر سرامیک) نیز واقعاً مفید بودند. من هر جنبه ای را که در MIT مطالعه کردم لمس کردم.

بنیانگذاران همچنین از MIT’s Venture Mentoring Service (VMS) راهنمایی دریافت کردند و برنامه I-Corps بنیاد ملی علوم ایالات متحده را طی کردند. Sadoway به عنوان مشاور برای شرکت خدمت کرد.

بنیانگذاران پس از تهیه پیش نویس یک نسخه از طراحی سیستم خود، مقداری آزمایشی از زباله های معدن را خریداری کردند که به لجن قرمز معروف است و یک نمونه اولیه راکتور را در حیاط خلوت ویلاون راه اندازی کردند. بنیانگذاران در نهایت مقدار کمی محصول را به دست آوردند، اما مجبور شدند برای قرض گرفتن تجهیزات علمی مورد نیاز برای تعیین اینکه دقیقاً چه چیزی است، تقلا کنند. معلوم شد که مقدار کمی کنسانتره خاکی کمیاب همراه با آهن خالص است.

امروز، در پالایشگاه این شرکت در Woburn، Phoenix Tailings زباله‌های معدنی غنی از فلزات خاکی کمیاب را در مخلوط خود قرار داده و آن را تا حدود 1300 درجه فارنهایت گرم می‌کند. هنگامی که یک جریان الکتریکی به مخلوط اعمال می شود، فلز خالص روی یک الکترود جمع می شود. این فرآیند حداقل ضایعات را پشت سر می گذارد.

ویلون توضیح می‌دهد: «کلید همه این‌ها فقط شیمی نیست، بلکه نحوه پیوند همه چیز با هم است، زیرا با خاک‌های کمیاب، باید خلوص بسیار بالایی در مقایسه با فلزی که به طور معمول تولید می‌شود، داشته باشید. “در نتیجه، شما باید در تمام طول مسیر به خلوص مواد خود فکر کنید.”

از خاک های کمیاب گرفته تا نیکل، منیزیم و غیره

Villalón می گوید که این فرآیند در مقایسه با روش های تولید معمولی مقرون به صرفه است، هیچ محصول جانبی سمی تولید نمی کند و زمانی که از منابع انرژی تجدید پذیر برای برق استفاده می شود، کاملاً بدون کربن است.

تاسیسات Woburn در حال حاضر چندین عنصر خاکی کمیاب را برای مشتریان تولید می کند، از جمله نئودیمیم و دیسپروزیم که در آهنربا مهم هستند.. مشتریان از این مواد برای مواردی مانند توربین‌های بادی، خودروهای الکتریکی و کاربردهای دفاعی استفاده می‌کنند.

این شرکت همچنین دو کمک مالی با برنامه ARPA-E وزارت انرژی ایالات متحده دریافت کرده است که مجموعاً بیش از 2 میلیون دلار است. کمک مالی آن در سال 2023 از توسعه سیستمی برای استخراج نیکل و منیزیم از زباله های معدن از طریق فرآیندی که از کربن سازی و دی اکسید کربن بازیافتی استفاده می کند، پشتیبانی می کند. هم نیکل و هم منیزیم مواد حیاتی برای کاربردهای انرژی پاک مانند باتری ها هستند.

جدیدترین کمک مالی به شرکت کمک می کند تا فرآیند خود را برای تولید آهن از ضایعات معدنی بدون گازهای گلخانه ای یا محصولات جانبی سمی تطبیق دهد. Phoenix Tailings می‌گوید که فرآیند آن با طیف گسترده‌ای از انواع سنگ‌ها و مواد ضایعاتی سازگار است، و این شرکت مواد زیادی برای کار دارد: استخراج و فرآوری سنگ‌های معدنی سالانه حدود 1.8 میلیارد تن زباله در ایالات متحده تولید می‌کند.

Villalón توضیح می دهد: “ما می خواهیم دانش خود را از پردازش فلزات کمیاب خاکی بدست آوریم و به آرامی آن را به بخش های دیگر منتقل کنیم.” ما فقط باید برخی از این مواد را در اینجا اصلاح کنیم. راهی نیست که نتوانیم بنابراین، از دیدگاه نظارتی چگونه به نظر می رسد؟ چگونه می‌توانیم رویکردهایی ایجاد کنیم که نه تنها در حال حاضر، بلکه 30 سال آینده از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی منطبق باشند؟»