Litiumin ja mineraalien louhinnan tehokkuuden lisääminen teko‑lumpeenkukilla

Vaihtoehto mineraalien louhinnalle

Maailman teollisuuden tarvitsemia keskeisiä mineraaleja voidaan käytännössä saada vain kolmesta lähteestä: louhimalla kiveä, kierrättämällä tai puhdistamalla liuenneita mineraaleja. Raudan ja alumiinin kaltaiset materiaalit saadaan pääasiassa perinteisistä kaivoksista, ja myös kierrätyksellä on oma osuutensa.

Litiumin kaltaisten materiaalien tärkeimpiä lähteitä ovat kuitenkin suolaliuokset eli mineraalipitoiset vedet, jotka on haihdutettava niiden sisältämien mineraalien keräämiseksi. Samanlaista menetelmää käytetään usein kahden tärkeän lannoitteen, nitraattien ja potaskan, tuotannossa.

Menetelmä vaatii tuhansien eekkereiden laajuisia haihdutusaltaita, joista aiheutuu paikallisille ekosysteemeille huomattavia ympäristöhaittoja.

Lähde: SQM

Tähän asti altaiden lämmittäminen ja veden haihduttaminen on perustunut yksinomaan auringonsäteilyyn. Prosessi on kuitenkin hyvin tehoton, minkä vuoksi se vaatii valtavia pinta-aloja.

Tilanne voi olla muuttumassa Princetonin yliopiston tutkijoiden ja suuren litiumintuottajan Sociedad Química y Minera de Chilen (SQM ) yhteistyössä kehittämän uuden, haihtumista nopeuttavan materiaalin ansiosta.

Tutkijat julkaisivat keksintönsä Nature Water -lehdessä¹ otsikolla ”Rajapinnan aurinkohaihdutus kestävään suolaliuoslouhintaan”.

Litiumin massatuotanto

Vähemmän kestävä vihreä energia

Kun litiumia ei louhita kivestä eli spodumeeniesiintymistä, se saadaan useimmiten mineraalisuolaliuoksista, joissa se on sekoittuneena muihin suoloihin ja liuenneisiin mineraaleihin. Suolaliuos pumpataan yleensä pohjavedestä tai valmistetaan uuttamalla litiumia mineraalipitoisista esiintymistä makealla vedellä.

Maailmassa on tällä hetkellä käytössä kymmeniätuhansia hehtaareja litiumin tuotantoon tarkoitettuja aurinkohaihdutusaltaita. Niistä 6 000 hehtaaria eli noin 14 800 eekkeriä sijaitsee Chilessä.

Menetelmä kuormittaa näiden alueiden vesivaroja erittäin voimakkaasti. Litiumrikkaat alueet ovat yleensä aavikoita, mikä on alun perin mahdollistanut litiumin rikastumisen taloudellisesti hyödynnettäviksi esiintymiksi. Vähäinen käytettävissä oleva vesi saattaa siksi päätyä lähes kokonaan litiumteollisuudelle, mikä vaarantaa paikalliset ekosysteemit ja yhteisöt.

Energian kulutus

Haihdutusaltaat hyödyntävät aurinkoenergiaa ”ilmaiseksi”. Se on parempi vaihtoehto kuin sähköä käyttävät menetelmät, kuten mekaaninen höyryn puristus tai erittäin korkean paineen käänteisosmoosi.

Vaikka sähköön perustuvat menetelmät saattavat olla ekologisempia, niitä olisi mahdotonta toteuttaa tässä mittakaavassa. Pelkästään Chilen haihdutusaltaat hyödyntävät noin 65 terawattituntia aurinkoenergiaa, mikä vastaa yli 70:tä prosenttia Chilen vuotuisesta sähköntuotannosta, noin 90 terawattitunnista.

Haihdutusallasmenetelmä on edullinen mutta hyvin tehoton: alle puolet aurinkoenergiasta muuttuu haihtumista edistäväksi lämpöenergiaksi.

Tähän ongelmaan Princetonin tutkijoiden keksintö pyrkii vastaamaan.

Lannoitteet

Haihdutusaltaissa tuotetaan litiumin lisäksi lannoitteita. SQM valmistaa vuosittain noin 1,5 miljoonaa tonnia nitraattisuoloja caliche-malmista ja suolatasankojen suolaliuoksista.

Lähde: SQM

Nitraatit ovat osa monimutkaista kemiallista seosta, josta SQM erottaa suolaliuoksista muun muassa litiumkloridia, kaliumkloridia, magnesiumkloridia, boorihappoa ja kaliumsulfaattia. Kaliumia yhdistetään sitten nitraattiin kaliumnitraatin valmistamiseksi.

Tämä ei ole merkittävä lannoitelähde verrattuna suoraan louhintaan tai maakaasuun perustuvaan typpilannoitteiden Haber–Bosch-synteesiin. Kyse on silti ympäristöä kuormittavasta tuotantoprosessista, jota tehokkaammat haihdutusaltaat voisivat parantaa.

Haihdunnan optimointi

Aikaisemmat löydökset

Uusin haihdutusaltaiden tehokkuutta parantava tutkimus- ja kehitystyö perustuu saman tutkimusryhmän ja muiden alan tutkijoiden aiempaan työhön rajapinnan aurinkohaihdutuksen parissa.

Rajapinnan aurinkohaihdutuksessa käytetään erittäin hyvin valoa absorboivaa materiaalia, joka kerää lähes kaiken auringonsäteilyn ja imee samalla suolaista, mineraalipitoista vettä.

Lähde: ResearchGate

Myös suolojen kertymistä ja kiteytymistä on pyritty estämään, sillä ne heikentäisivät tehoa ajan mittaan. Ratkaisuja ovat esimerkiksi suolan takaisinvirtauksen parantaminen, Janus-rakenteiset ratkaisut ja suunnattu kiteytyminen.

Julkis-yksityinen kumppanuus

Työ tehtiin osana Princetonin yliopiston START Innovators -ohjelmaa. Akateemisen apurahan ja yrityskiihdyttämön yhdistävä ohjelma auttoi tutkijoita jatkamaan teknologiansa kehittämistä samalla, kun he laativat liiketoimintasuunnitelmaa ja rakensivat alkuvaiheen yritystä.

”Yksi innovaatiotoimiston ydintehtävistä on auttaa rakentamaan ekosysteemiä, jossa tiedekuntamme jäsenet ja tutkijat voivat siirtää teknologiansa tehokkaasti kaupalliselle sektorille.”

Craig Arnold – innovaatioista vastaava varadekaani ja yliopiston innovaatiojohtaja

Lähestymistavan tavoitteena on nopeuttaa teknologian siirtymistä laboratorioideoista teolliseen mittakaavaan ja muuttaa tutkijoiden tekninen osaaminen entistä paremmin käytännön sovelluksiksi.

”Professori Renin ja hänen ryhmänsä kaltaisten tutkijoiden kanssa voimme auttaa muuttamaan tapaa, jolla he tarkastelevat ideoitaan. Tavoitteenamme on muuttaa osallistujien näkökulmaa perusteellisesti, jotta heidän ajattelunsa on ohjelman päättyessä aivan erilainen kuin sen alkaessa.

Esitämme heille vaikeita kysymyksiä, jotka voivat jäädä tutkijan perinteisen toiminta-alueen ulkopuolelle mutta ovat välttämättömiä akateemisten innovaatioiden muuttamiseksi onnistuneiksi ratkaisuiksi.”

Nena Golubovic – luonnontieteiden ja tekniikan Design for Impact -ohjelman johtaja

Työ näyttää tuottaneen tulosta: alle kahdessa vuodessa teknologia eteni ”lasten kahluualtaiden pienistä prototyypeistä” kaupallistamista varten suunniteltujen tuotteiden testaamiseen Etelä-Amerikan mineraalintuotantolaitoksissa.

”Princeton tarjosi perustan, ekosysteemin ja resurssit, joiden avulla opimme pienyrityksen menestymiseen tarvittavat taidot ja tiedot.”

Sean Zheng – Princeton Critical Mineralsin toimitusjohtaja (entinen PureLi)

Tehokkuuden lisääminen

Aiemmassa prototyypissä vettä kuljettavana materiaalina käytettiin puuta. Nyt tutkijat kehittivät kierretyistä selluloosakuiduista valmistettuja kiteyttimiä, jotka nopeuttavat veden haihtumista ja erottavat kiteytymisen alueellisesti valikoivaa litiumin talteenottoa varten.

Hiilipohjaisissa materiaaleissa käytettiin myös omia pinnoitteita, jotka mahdollistavat nopean haihtumisen, mineraalien erottelun ja likaantumisen ehkäisyn.

Princeton Critical Minerals testasi ensimmäistä prototyyppiään SQM:n todellisessa litiumin haihdutusaltaassa. Laite oli muodoltaan veden pinnalla kelluva lumpeenlehti.

Lähde: ResearchGate

Lämpökamerakuvissa veden pinta on selvästi kuumempi, ja keinotekoisen lumpeenlehden erityisellä alueella näkyy kuumia kohtia. Rakenne muutti 96 prosenttia aurinkoenergiasta lämpöenergiaksi, kun avoimen altaan hyötysuhde oli noin 50 prosenttia.

Lähde: ResearchGate

Tämä nopeutti haihtumista huomattavasti: keskimääräinen nopeus kaksinkertaistui, ja lisäys vaihteli suolaliuoksen pitoisuuden mukaan 40 prosentista 122 prosenttiin. Nopeampi prosessi vähensi myös voimakkaasti veden menetystä altaan pohjaan.

Lähde: ResearchGate

Lisätutkimus

Lämpökameratiedot osoittivat, että keinotekoiset lumpeenlehdet toimivat pitämällä auringon lämmön altaan pinnalla, missä se haihduttaa vettä, eivätkä altaan pohjalla, missä lämpö menisi hukkaan.

Koska lämpötila vaikuttaa mineraalien liukoisuuteen, lumpeenlehtien pintalämpötilan hienosäätö voisi parantaa litiumin tuotantoa entisestään.

”Nämä kysymykset nousivat esiin vasta kenttäkokeiden tulosten jälkeen. Jos olisimme pitäneet työn laboratoriossa, näitä uusia tutkimussuuntia ei ehkä olisi koskaan syntynyt.”

Z. Jason Ren – rakennus- ja ympäristötekniikan professori

Seuraava vaihe on käynnistää keinotekoisten lumpeenlehtien massavalmistus sekä selvittää laitteen taloudellisuutta ja Princeton Critical Mineralsin mahdollisia pitkän aikavälin liiketoimintamalleja.

Litiumin haihdutusyritykset

SQM on maailman toiseksi suurin litiumyhtiö. Sen omaisuus sijaitsee Chilessä, ja litium muodostaa suurimman osan liiketoiminnasta. Yhtiö on myös luonnollista alkuperää olevan kaliumnitraatin markkinajohtaja ja myy erikoiskemikaaleja, kuten jodia, kaliumkloridia, boorihappoa ja magnesiumklorideja.

Lähde: SQM

Huhtikuussa 2023 yhtiö joutui kohtaamaan Chilen suunnitelman maan litiumteollisuuden osittaisesta kansallistamisesta. Ensijärkytyksen jälkeen suunnitelman tarkemmat tiedot osoittivat, että maa aikoi edelleen houkutella ulkomaisia yksityisiä investointeja.

Valtion litiumyhtiö Codelco neuvottelee SQM:n sopimusta uudelleen, ja muita litiumesiintymiä tarjotaan hyödynnettäviksi. Voimassa olevaa sopimusta kuitenkin noudatetaan sen päättymiseen vuonna 2030 asti.

Neuvottelut ovat kesken, joten tietoa on vähän ja SQM:n pitkän aikavälin tulevaisuutta on vaikea ennustaa. Chilen talous on silti hyvin riippuvainen kaivostoiminnasta. Kansallistamissuunnitelmien aiheuttama vastareaktio heikensi luottamusta litiumalan lisäksi koko kaivosalaan ja pakotti hallituksen ainakin toistaiseksi rajoittamaan tavoitteitaan.

Kansallistamisuhkaa seurasi litiumin maailmanmarkkinahinnan pitkä lasku, joka painoi yhtiön osakekurssin selvästi alle vuoden 2022 lopun huipputason.

Lähde: Carbon Credit

Vuoden 2024 viimeisellä neljänneksellä litiumin myyntimäärä kasvoi 13 %, mutta keskimääräinen myyntihinta laski 41 % vuoden 2023 vastaavaan neljännekseen verrattuna.

Litiumin alhaisen hinnan vuoksi muut tuotteet muodostivat vuonna 2024 suhteellisesti aiempaa suuremman osan yhtiön tuloksesta. Jodi tuotti 39 prosenttia bruttovoitosta.

Lähde: SQM

Tilannetta voi pitää joko yhtiön todellisten riskien heijastumana tai mahdollisuutena sijoittajille, jotka hyväksyvät riskin ja tavoittelevat vahvaa osinkotuottoa.

Kuten kaikissa litiumsijoituksissa, sijoittajan kannattaa tuntea sähköautomarkkina, sen kysyntä ja litiumia käyttämättömien natriumioniakkujen kaltaisten uusien kemioiden mahdollisuudet. Litiumin hinnan voimakkaan vaihtelun on syytä odottaa jatkuvan lähitulevaisuudessa, vaikka osa laskuriskistä näyttää jo sisältyvän arvostukseen.

Voit lukea lisää litiumista ja akuista artikkeleistamme ”Romahtaako litiumin kysyntä uusien natriumioniakkujen myötä?”, ”Löytyykö ratkaisu litiumtarpeeseemme Arkansasista?” ja ”Sijoittaminen Nobel-palkittuihin saavutuksiin: litiumioniakut maailman voimanlähteenä”.

Uusimmat tiedot Sociedad Química y Minera de Chile S.A.:sta

^Viitteet:

^{1. Zheng, S., Oelckers, B., Khandelwal, A. et al.(2025). Interfacial solar evaporation for sustainable brine mining. NatureWater 3, 135–137. https://doi.org/10.1038/s44221-025-00394-y}