Αύξηση της Αποδοτικότητας Εξόρυξης Λιθίου και Μεταλλευμάτων με Τεχνητά Νερολούλουδα

Μια Εναλλακτική στην Εξόρυξη Μεταλλών

Όταν πρόκειται για την παραγωγή των βασικών μεταλλών που τροφοδοτούν τις βιομηχανίες του κόσμου, υπάρχουν πραγματικά μόνο 3 πιθανοί πόροι: εξόρυξη πετρωμάτων, ανακύκλωση και καθαρισμός διαλυμένων μεταλλών. Για υλικά όπως ο σίδηρος και το αλουμίνιο, τα παραδοσιακά ορυχεία είναι οι κύριοι προμηθευτές, με την ανακύκλωση επίσης να συμβάλλει.

Ωστόσο, για υλικά όπως το λίθιο, μία από τις κύριες πηγές είναι τα αλμυρά νερά, νερά πλούσια σε μέταλλα που πρέπει να εξατμιστούν για τη συλλογή των μεταλλών που περιέχουν. Παρόμοια μέθοδος χρησιμοποιείται συχνά για την παραγωγή των δύο πιο σημαντικών λιπασμάτων: νιτρών και κάσσιου.

Αυτή η μέθοδος απαιτεί τεράστιες λουτρόπολτες εξάτμισης που καλύπτουν χιλιάδες στρέμματα, επιβάλλοντας μεγάλο περιβαλλοντικό κόστος στα τοπικά οικοσυστήματα.

Πηγή: SQM

Μέχρι τώρα, η διαδικασία επιτεύχθηκε εξαρτώμενη αποκλειστικά από τις ακτίνες του Ήλιου για τη θέρμανση των λουτροπόλτων και την εξάτμιση του νερού. Αυτό είναι μακριά από μια αποδοτική διαδικασία, γι’ αυτό και απαιτούνται οι τεράστιες επιφάνειες.

Αυτό ίσως αλλάζει, χάρη σε ένα νέο υλικό που θα μπορούσε να επιταχύνει την εξάτμιση, αναπτυγμένο από ερευνητές του Πανεπιστημίου Princeton σε συνεργασία με τον γίγαντα παραγωγής λιθίου Sociedad Química y Minera de Chile (SQM ).

Δημοσίευσαν την εφεύρεσή τους στο Nature Water¹, υπό τον τίτλο “Διαπροσωπική ηλιακή εξάτμιση για βιώσιμη εξόρυξη αλμυρού νερού”.

Μαζική Παραγωγή Λιθίου

(Μη-Τόσο-Βιώσιμη) Πράσινη Ενέργεια

Όταν δεν εξάγεται από πετρώματα (αποθέματα σποδυμίνης), το λίθιο βρίσκεται κυρίως σε μεταλλικά αλμυρά νερά, αναμειγμένα με άλλα άλατα και διαλυμένα μέταλλα. Το αλμυρό νερό εξάγεται κυρίως από υπόγεια ύδατα ή δημιουργείται με διαλύση του λιθίου από μεταλλικά πλούσια αποθέματα με γλυκό νερό.

Προς το παρόν, δεκάδες χιλιάδες εκτάρια ηλιακών λουτροπόλτων χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για την εξαγωγή λιθίου, με τη Χιλή να διαθέτει 6.000 εκτάρια (14.800 στρέμματα).

Αυτή η μέθοδος ασκεί εξαιρετική πίεση στην υδάτινη διαθεσιμότητα αυτών των περιοχών. Επιπλέον, οι περιοχές πλούσιες σε λίθιο είναι συνήθως ερήμους, γι’ αυτό το λίθιο συγκεντρώνεται σε οικονομικά βιώσιμα αποθέματα. Συνεπώς, το περιορισμένο διαθέσιμο νερό μπορεί να κατευθυνθεί εξ ολοκλήρου προς τη βιομηχανία λιθίου, θέτοντας σε κίνδυνο τα τοπικά οικοσυστήματα και τις κοινότητες.

Κατανάλωση Ενέργειας

Αυτές οι λουτρόπολτες εξάτμισης είναι μια μέθοδος αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας «δωρεάν». Αποτελούν ανώτερη επιλογή σε σχέση με εναλλακτικές που χρησιμοποιούν ηλεκτρισμό, όπως η μηχανική συμπίεση ατμού ή η υπερυψήλας πίεσης αντίστροφη όσμωση.

Αν και πιθανώς πιο οικολογικές, αυτές οι μέθοδοι που βασίζονται στο ηλεκτρικό ρεύμα θα ήταν αδύνατο να εφαρμοστούν σε μεγάλη κλίμακα. Για παράδειγμα, μόνο οι χιλιανικές λουτρόπολτες εξάτμισης αξιοποιούν 65 TWh ηλιακής ενέργειας, ξεπερνώντας το 70 % της συνολικής ετήσιας παραγωγής της Χιλής (~90 TWh ετησίως).

Ένα σημαντικό ζήτημα είναι ότι, παρόλο που είναι οικονομική, η μέθοδος λουτροπόλτης εξάτμισης είναι μακριά από την αποδοτικότητα. Λιγότερο από το μισό της ηλιακής ενέργειας μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια, συμβάλλοντας στην εξάτμιση.

Εδώ μπαίνει η εφεύρεση των ερευνητών του Princeton.

Λιπάσματα

Όχι μόνο το λίθιο αλλά και τα λιπάσματα μπορούν να παραχθούν μέσω λουτροπόλτων εξάτμισης. Συγκεκριμένα, η SQM παράγει ετησίως 1,5 εκατομμύρια τόνους αλάτων νιτρών από ορυκτό καλίτσε και αλμυρά νερά.

Πηγή: SQM

Αυτή αποτελεί μέρος ενός σύνθετου χημικού μίγματος που η SQM εξάγει από τα αλμυρά νερά, συμπεριλαμβανομένου του χλωριούχου λιθίου, του χλωριούχου καλίου, του χλωριούχου μαγνησίου, του βορικού οξέος και του θειικού καλίου. Το κάλιο στη συνέχεια αναμειγνύεται για να σχηματίσει νιτρικό κάλιο.

Αν και δεν αποτελεί σημαντική πηγή λιπασμάτων σε σύγκριση με την άμεση εξόρυξη ή τη σύνθεση αζωτούχων λιπασμάτων με χρήση φυσικού αερίου (διαδικασία Haber‑Bosch), αυτή είναι μια ακόμη διαδικασία παραγωγής με περιβαλλοντικό αντίκτυπο που θα μπορούσε να βελτιωθεί με πιο αποδοτικές λουτρόπολτες εξάτμισης.

Βελτιστοποίηση της Εξάτμισης

Προηγούμενες Ανακαλύψεις

Η τελευταία έρευνα & ανάπτυξης για την ενίσχυση της αποδοτικότητας των λουτροπόλτων εξάτμισης βασίζεται σε προηγούμενη δουλειά των ίδιων ερευνητών και άλλων στον τομέα. Είχαν εργαστεί στο φαινόμενο που ονομάζεται διαπροσωπική ηλιακή εξάτμιση (ISE).

Το βασικό concept του ISE είναι η χρήση ενός υλικού με υψηλή απορρόφηση φωτός για τη σύλληψη σχεδόν 100 % της ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ ταυτόχρονα απορροφά το αλμυρό, πλούσιο σε μέταλλα νερό.

Πηγή: ResearchGate

Επιπλέον πρόοδος έχει σημειωθεί για την αποφυγή συσσώρευσης αλατιού και κρυστάλλωσης, που θα μειώνα την αποδοτικότητα με την πάροδο του χρόνου, ιδιαίτερα βελτίωση ροής αλατιού, σχεδιασμούς Janus, και κατευθυντική κρυστάλλωση.

Δημόσια-Ιδιωτική Συνεργασία

Αυτή η εργασία πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο του προγράμματος START Innovators του Πανεπιστημίου. Το πρόγραμμα, ένας συνδυασμός ακαδημαϊκής υποτροφίας και επιταχυντή νεοσύστατων, επέτρεψε στους ερευνητές να συνεχίσουν την ανάπτυξη της τεχνολογίας τους ενώ δημιουργούσαν επιχειρηματικό σχέδιο και ανέπτυσσαν νεοσύστατες επιχειρήσεις.

“Βοηθώντας στην καλλιέργεια ενός οικοσυστήματος όπου το διδακτικό προσωπικό και οι ερευνητές μας μπορούν να μεταφράσουν αποτελεσματικά τις τεχνολογίες τους στον εμπορικό τομέα αποτελεί βασική λειτουργία του Γραφείου Καινοτομίας.”
Craig Arnold – Αντιπρύτανης Καινοτομίας και Υπεύθυνου Καινοτομίας Πανεπιστημίου.

Αυτή η προσέγγιση επιδιώκει να επιταχύνει τη μεταφορά της τεχνολογίας από ιδέες του εργαστηρίου σε βιομηχανική κλίμακα και να μεταφράσει καλύτερα τις τεχνικές δεξιότητες των ακαδημαϊκών ερευνητών σε πρακτικές εφαρμογές.

“Αυτό που μπορούμε να κάνουμε με ερευνητές όπως ο Καθηγητής Ren και η ομάδα του είναι να βοηθήσουμε να επαναπροσανατολίσουμε τον τρόπο σκέψης τους για τις ιδέες τους. Στόχος μας είναι να αλλάξουμε ριζικά τις προοπτικές των συμμετεχόντων, ώστε να φύγουν από το πρόγραμμα μας με εντελώς διαφορετική προοπτική από αυτήν που είχαν όταν εισήλθαν.

Τους θέτουμε σύνθετες ερωτήσεις που μπορεί να βρίσκονται εκτός του παραδοσιακού πεδίου ενός ερευνητή, αλλά είναι ουσιώδεις για τη μετάφραση των ακαδημαϊκών καινοτομιών σε επιτυχημένα αποτελέσματα.

Nena Golubovic – Διευθύντρια του προγράμματος Design for Impact στις Επιστήμες και τη Μηχανική

Αυτό φαίνεται να έχει λειτουργήσει, με την τεχνολογία να περνά από «μικρά πρωτότυπα σε παιδικές πισίνες» σε δοκιμές προϊόντων έτοιμων για εμπορευματοποίηση σε εγκαταστάσεις παραγωγής μεταλλευμάτων στη Νότια Αμερική σε λιγότερο από 2 χρόνια.

“Το Princeton παρείχε τη βάση, το οικοσύστημα και τους πόρους που μας δίδαξαν τις δεξιότητες και τη γνώση που χρειαζόμαστε για να πετύχουμε ως μικρή επιχείρηση.”
Sean Zheng – Διευθύνων Σύμβουλος της Princeton Critical Minerals (πρώην PureLi)

Αύξηση Αποδοτικότητας

Ενώ το προηγούμενο πρωτότυπο χρησιμοποιούσε ξύλο ως υλικό μεταφοράς νερού, οι ερευνητές εφηύραν στριμωγμένους κρυσταλλοποιητές κυτταρίνης. Επιτρέπει όχι μόνο γρήγορη εξάτμιση νερού αλλά και χωρικά διαχωρισμένη κρυστάλλωση για επιλεκτική ανάκτηση λιθίου.

Χρησιμοποίησαν επίσης ιδιόκτητες επικαλύψεις για τα υλικά μας βασισμένα σε άνθρακα, επιτρέποντας γρήγορη εξάτμιση, διαχωρισμό μετάλλων και αντι-επίστρωση.

Η startup Princeton Critical Minerals δοκίμασε το πρώτο της πρωτότυπο σε μια πραγματική λουτρόπολτη εξάτμισης λιθίου που ανήκει στη SQM, με σχήμα νυχτολούλουδου που επιπλέει στην επιφάνεια του νερού.

Πηγή: ResearchGate

Όταν παρατηρείται με θερμική κάμερα, είναι σαφές ότι η επιφάνεια του νερού είναι πολύ πιο ζεστή, με ιδιαίτερα θερμά σημεία σε μια ειδική ζώνη του τεχνητού νυχτολούλουδου. Ο σχεδιασμός απέδειξε ότι μπορεί να μετατρέπει το 96 % της ηλιακής ενέργειας σε θερμική, σε σύγκριση με την απόδοση 50 % των ανοιχτών λουτροπόλτων.

Πηγή: ResearchGate

Αυτό συνολικά βελτίωσε ριζικά το ρυθμό εξάτμισης, ο οποίος διπλασιάστηκε κατά μέσο όρο (αύξηση 40–122 % ανάλογα με τις συγκεντρώσεις του αλμυρού νερού). Επίσης, είχε το αποτέλεσμα της σημαντικής μείωσης της απώλειας νερού στον πυθμένα της λουτρόπολτης, καθώς η διαδικασία έλαβε χώρα πολύ πιο γρήγορα.

Πηγή: ResearchGate

Περαιτέρω Έρευνα

Τα δεδομένα της θερμικής κάμερας απέδειξαν ότι ο κύριος τρόπος λειτουργίας των τεχνητών νυχτολούλουδων είναι η διατήρηση της ηλιακής θερμότητας στην επιφάνεια της λουτρόπολτης, όπου πραγματοποιείται η εξάτμιση, αντί στον πυθμένα, όπου η θερμότητα χάνεται.

Καθώς η θερμοκρασία επηρεάζει τη διαλυτότητα των μετάλλων, μπορεί η περαιτέρω ρύθμιση της θερμοκρασίας στην επιφάνεια των νυχτολούλουδων να βελτιώσει ακόμη περισσότερο την παραγωγή λιθίου.

“Αυτές οι ερωτήσεις εμφανίστηκαν μόνο αφού είδαμε τα αποτελέσματα των πεδίου δοκιμών. Αν είχαμε διατηρήσει την εργασία μας στο εργαστήριο, αυτές οι νέες κατευθύνσεις ίσως ποτέ δεν θα είχαν προκύψει.”
Z. Jason Ren – Καθηγητής Πολιτικού και Περιβαλλοντικού Μηχανικού

Ένα ακόμη βήμα θα είναι η έναρξη μαζικής παραγωγής των τεχνητών νυχτολούλουδων και η διερεύνηση της οικονομίας της συσκευής, καθώς και των πιθανών μακροπρόθεσμων επιχειρηματικών μοντέλων για την Princeton Critical Minerals.

Εταιρείες Εξάτμισης Λιθίου

Η SQM είναι η δεύτερη μεγαλύτερη εταιρεία εξόρυξης λιθίου παγκοσμίως, με περιουσιακά στοιχεία στη Χιλή και το λίθιο να αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της επιχειρηματικής δραστηριότητας της εταιρείας. Είναι επίσης η ηγετική εταιρεία στην παραγωγή φυσικού νιτρικού καλίου και πωλεί εξειδικευμένα χημικά όπως ιώδιο, χλωριούχο κάλιο, βορικό οξύ και χλωριούχα μαγνησίου.

Πηγή: SQM

Τον Απρίλιο 2023, η εταιρεία έπρεπε να αντιμετωπίσει μια κίνηση της Χιλής που απειλεί με μερική εθνικοποίηση της βιομηχανίας λιθίου της χώρας. Πέρα από το αρχικό σοκ, περαιτέρω λεπτομέρειες του σχεδίου διευκρίνισαν ότι η χώρα εξακολουθεί να επιδιώκει την προσέλκυση ιδιωτικών ξένων επενδύσεων.

Πιο συγκεκριμένα, η εθνική εταιρεία λιθίου Coldeco επαναδιαπραγματεύεται σύμβαση με τη SQM, και άλλα αποθέματα λιθίου θα προσφερθούν για εκμετάλλευση. Η υπάρχουσα σύμβαση θα τηρηθεί ωστόσο και θα ισχύει μέχρι το 2030.

Καθώς οι διαπραγματεύσεις συνεχίζονται, υπάρχει πολύ λίγες πληροφορίες και είναι δύσκολο να προβλεφθεί το μακροπρόθεσμο μέλλον της SQM. Παρόλα αυτά, η Χιλή είναι μια χώρα που εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την εξόρυξη για την οικονομία της, και η αρχική αντίδραση κατά των σχεδίων εθνικοποίησης, που επηρέασε όχι μόνο την εμπιστοσύνη στο λίθιο αλλά σε όλη την εξόρυξη, ανάγκασε την κυβέρνηση να περιορίσει τις φιλοδοξίες της (προς το παρόν;).

Η απειλή εθνικοποίησης ακολουθήθηκε από μια σταθερή πτώση των διεθνών τιμών του λιθίου, η οποία προκάλεσε πτώση στην τιμή της μετοχής της εταιρείας, κάτω από το υψηλό της στα τέλη του 2022.

Πηγή: Carbon Credit

Ως αποτέλεσμα των χαμηλών τιμών του λιθίου, η εταιρεία έχει παράγει πολύ περισσότερα έσοδα το 2024, αναλογικά, από άλλα προϊόντα σε σύγκριση με το παρελθόν, με το ιώδιο να ευθύνεται για το 39 % των μικτών κερδών.

Πηγή: SQM

Αυτό μπορεί να θεωρηθεί είτε ως αντανάκλαση του πραγματικού κινδύνου της εταιρείας είτε ως ευκαιρία για επενδυτές που είναι διατεθειμένοι να αναλάβουν τον κίνδυνο και να συλλέξουν μια σταθερή απόδοση μερισμάτων.

Όπως και για όλες τις επενδύσεις στο λίθιο, οι επενδυτές θα θέλουν να είναι εξοικειωμένοι με το τοπίο των ηλεκτρικών οχημάτων (ζήτηση και το δυναμικό της καινοτόμου χημείας όπως οι μπαταρίες νάτριο‑ιόντων, που δεν χρησιμοποιούν λίθιο) και αναμένουν ότι η υψηλή μεταβλητότητα των τιμών του λιθίου θα παραμείνει στο προσεγγίσιμο μέλλον, ακόμη και αν οι κίνδυνοι πτώσης φαίνονται εν μέρει ενσωματωμένοι.

Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για το λίθιο και τις μπαταρίες στα άρθρα μας «Θα Πέσει η Ζήτηση για Λίθιο με τις Νέες Μπαταρίες Νάτριο‑Ιόντων;», «Το Arkansas Κατέχει την Απάντηση στις Ανάγκες μας για Λίθιο;» και «Επένδυση σε Επιτεύγματα Βραβείου Νόμπελ: Μπαταρίες Λιθίου‑Ιόντων για την Εξατομική Ενέργεια».

Τελευταία Ειδήσεις για Sociedad Química y Minera de Chile S.A.

^{Μελετές που Αναφέρονται:}

^{1. Zheng, S., Oelckers, B., Khandelwal, A. et al.(2025). Διαπροσωπική ηλιακή εξάτμιση για βιώσιμη εξόρυξη αλμυρού νερού. NatureWater 3, 135–137. https://doi.org/10.1038/s44221-025-00394-y}