Yapay Nilüfer Yapraklarıyla Lityum ve Mineral Çıkarım Verimliliğini Artırmak

Mineraller İçin Madenciliğe Alternatif

Dünyanın sanayilerini besleyecek temel mineralleri üretmeye gelince, gerçekten sadece 3 olası kaynak vardır: kaya madenciliği, geri dönüşüm ve çözünmüş minerallerin arıtılması. Demir ve alüminyum gibi maddeler için geleneksel madenler birincil tedarikçiler olup, geri dönüşüm de katkı sağlar.

Ancak, lityum gibi maddeler için birincil kaynaklardan biri, minerallerle zengin, buharlaştırılarak içerdikleri mineraller toplanan brinlerdir. Benzer bir yöntem, iki en önemli gübre olan nitrat ve potasın üretiminde de sıkça kullanılır.

Bu yöntem, binlerce dönüm alanı kaplayan devasa buharlaşma havuzları gerektirir ve yerel ekosistemlere ağır bir çevresel maliyet yükler.

Kaynak: SQM

Şu ana kadar, havuzları ısıtmak ve suyu buharlaştırmak için yalnızca Güneş ışınlarına güvenilerek bu başarı elde edilmiştir. Bu, verimli bir süreçten uzaktır; bu yüzden büyük yüzey alanları gerekmektedir.

Bu durum, Princeton Üniversitesi araştırmacıları ve lityum üretim devi Sociedad Química y Minera de Chile (SQM ) iş birliğiyle geliştirilen, buharlaşmayı hızlandırabilecek yeni bir malzeme sayesinde değişmek üzere.

Bu icatlarını Nature Water¹ dergisinde, “Sürdürülebilir Brin Madeninde Arayüzsel Güneş Buharlaşması” başlığıyla yayımladılar.

Lityumu Büyük Ölçekte Üretmek

(O kadar Sürdürülebilir Olmayan) Yeşil Enerji

Kaya (spodumen) yataklarından çıkarılmadığında, lityum çoğunlukla diğer tuzlar ve çözünmüş minerallerle karışık mineral brinlerinde bulunur. Brin, genellikle yeraltı sularından çıkarılır ya da taze suyla mineral açısından zengin yatakların leşasyonu ile elde edilir.

Şu anda, dünyada lityum çıkarımı için on binlerce hektarlık güneş havuzları kullanılmaktadır; Chile 6.000 hektar (14.800 dönüm) sahaya sahiptir.

Bu yöntem, bu bölgelerin su arzı üzerinde aşırı baskı oluşturuyor. Durumu daha da kötüleştiren, lityum açısından zengin alanların genellikle çöller olmasıdır; bu da lityumun ekonomik açıdan uygulanabilir yataklarda yoğunlaşmasının temel nedenidir. Bu yüzden mevcut sınırlı su, tamamen lityum endüstrisine yönlendirilebilir ve yerel ekosistemler ile topluluklar risk altına girebilir.

Enerji Tüketimi

Bu buharlaşma havuzları, “ücretsiz” olarak güneş enerjisini kullanmanın bir yoludur. Mekanik buhar sıkıştırma veya ultra yüksek basınçlı ters osmoz gibi elektrik kullanan alternatiflere göre üstün bir seçenektir.

Daha ekolojik olma ihtimali yüksek olsa da, bu elektrik temelli yöntemler ölçekli olarak uygulanamaz. Örneğin, sadece Şili’deki buharlaşma havuzları yılda 65 TWh güneş enerjisi toplamakta, bu da Şili’nin toplam yıllık üretiminin %70’ini (yaklaşık 90 TWh/yıl) aşmaktadır.

Önemli bir sorun, maliyetinin düşük olmasına rağmen buharlaşma havuzu yönteminin verimli olmamasıdır. Güneş enerjisinin yarıdan azı termal enerjiye dönüşerek buharlaşmaya katkı sağlar.

Burada Princeton araştırmacılarının icadı devreye giriyor.

Gübreler

Lityumun yanı sıra gübreler de buharlaşma havuzlarıyla üretilebilir. Özellikle, SQM yılda 1,5 milyon ton nitrat tuzunu caliche cevheri ve salar brinlerinden üretmektedir.

Kaynak: SQM

Bu, SQM’nin brinlerden çıkardığı, lityum klorür, potasyum klorür, magnezyum klorür, borik asit ve potasyum sülfat gibi bir dizi karmaşık kimyasal karışımın bir parçasıdır. Potasyum daha sonra potasyum nitrat oluşturmak için karışıma eklenir.

Doğal gaz (Haber-Bosch süreci) kullanılarak nitrojen bazlı gübrelerin sentezi ya da doğrudan madencilikle karşılaştırıldığında büyük bir kaynak olmasa da, bu süreç daha verimli buharlaşma havuzlarıyla iyileştirilebilecek çevresel etkili bir üretim yöntemidir.

Buharlaşmayı Optimize Etmek

Önceki Keşifler

Buharlaşma havuzu verimliliğini artırmaya yönelik en yeni Ar-Ge çalışması, aynı araştırmacılar ve bu alandaki diğerleri tarafından yapılan önceki çalışmalara dayanıyor. Daha önce arayüzsel güneş buharlaşması (ISE) adı verilen fenomen üzerinde çalışmışlardı.

ISE’nin temel kavramı, neredeyse %100 güneş ışınımını yakalayan yüksek ışık absorbe edici bir malzeme kullanarak aynı zamanda tuzlu, mineral açısından zengin suyu da absorbe etmektir.

Kaynak: ResearchGate

Ek olarak, zamanla verimliliği azaltacak tuz birikimi ve kristalleşmeyi önlemek için tuz geri akışının artırılması, Janus yapısal tasarımları ve yönlü kristalleşme gibi yöntemler geliştirilmiştir.

Kamu-Özel Ortaklığı

Bu çalışma, Üniversitenin START Innovators programı kapsamında yürütülmüştür. Akademik burs ve startup hızlandırıcısının birleşiminden oluşan bu program, araştırmacıların teknolojilerini geliştirmeye devam ederken bir iş planı oluşturup erken aşama girişimler kurmalarını sağlamıştır.

“Fakültemiz ve araştırmacılarımızın teknolojilerini ticari sektöre etkili bir şekilde çevirebilecekleri bir ekosistem oluşturmak, Yenilik Ofisi’nin temel işlevlerinden biridir.”

Craig Arnold – Vice Dean for Innovation and University Innovation Officer.

Bu yaklaşım, laboratuvar fikirlerinin endüstriyel ölçeğe aktarımını hızlandırmayı ve akademik araştırmacıların teknik becerilerini pratik uygulamalara daha iyi dönüştürmeyi hedeflemektedir.

“Profesör Ren ve ekibi gibi araştırmacılarla yapabildiklerimiz, onların fikirlerine farklı bir bakış açısı kazandırmaktır. Amacımız, katılımcıların programdan tamamen farklı bir perspektifle ayrılmasını sağlamaktır.

Araştırmacının geleneksel kapsamının dışına çıkabilecek ancak akademik yeniliklerin başarılı sonuçlara dönüştürülmesi için hayati öneme sahip karmaşık sorular soruyoruz.”

Nena Golubovic – Director of the Design for Impact program in Sciences and Engineering

Bu, teknoloji “çocuk havuzlarındaki küçük prototiplerden” Güney Amerika’daki mineral üretim tesislerinde ticari ölçeğe hazır ürünlerin testine iki yıl içinde geçmesiyle sonuçlanmıştır.

“Princeton, küçük bir işletme olarak başarılı olmamız için gereken beceri ve bilgileri bize öğreten temel, ekosistem ve kaynakları sağladı.”

Sean Zheng – Princeton Critical Minerals’ CEO (formerly PureLi)

Verimliliği Artırmak

Önceki prototip su taşıma malzemesi olarak odun kullanırken, araştırmacılar bükülmüş selüloz lif kristalizatörleri icat ettiler. Bu, sadece hızlı su buharlaşması sağlamakla kalmaz, aynı zamanda seçici lityum geri kazanımı için mekânsal olarak ayrılmış kristalleşme imkanı sunar.

Ayrıca, karbon bazlı malzemelerimiz için özel kaplamalar kullanarak hızlı buharlaşma, mineral ayrımı ve anti‑büyüme özellikleri elde ettik.

Princeton Critical Minerals girişimi, ilk prototipini SQM’ye ait gerçek bir lityum buharlaşma havuzunda, su yüzeyinde yüzen bir nilüfer yaprağı şeklinde test etti.

Kaynak: ResearchGate

Termal kamera ile gözlemlendiğinde, su yüzeyinin çok daha sıcak olduğu, özellikle yapay nilüfer yaprağının özel bir bölgesinde sıcak noktaların yoğunlaştığı görülür. Tasarım, açık havuzların %50 verimliliğine kıyasla güneş enerjisinin %96’sını termal enerjiye dönüştürebildi.

Kaynak: ResearchGate

Bu, ortalama buharlaşma oranını iki katına çıkararak (brin konsantrasyonuna bağlı %40–122 artış) genel olarak radikal bir iyileşme sağladı. Ayrıca, sürecin çok daha hızlı gerçekleşmesi sayesinde havuzun dibine su kaybı da önemli ölçüde azaldı.

Kaynak: ResearchGate

Daha Fazla Araştırma

Termal kamera verileri, yapay nilüfer yapraklarının temel çalışma prensibinin, güneş ısısını havuzun yüzeyinde tutarak (burada buharlaşma gerçekleşir) alt kısmında kaybolmasını önlemek olduğunu kanıtladı.

Sıcaklığın mineral çözünürlüğü üzerindeki etkisi göz önüne alındığında, nilüfer yapraklarının yüzeyindeki sıcaklığın daha da ayarlanması lityum üretimini daha da artırabilir.

“Bu sorular, saha testlerinin sonuçlarını gördükten sonra ortaya çıktı. Çalışmamızı laboratuvarda tutmuş olsaydık, bu yeni yönler hiç ortaya çıkmayabilirdi.”

Z. Jason Ren – Professor of civil and environmental engineering

Bir sonraki adım, yapay nilüfer yapraklarının kitlesel üretimine başlamak ve cihazın ekonomik yönlerini, ayrıca Princeton Critical Minerals için potansiyel uzun vadeli iş modellerini incelemektir.

Lityum Buharlaşma Şirketleri

SQM, dünyadaki ikinci en büyük lityum madenciliği şirketidir; varlıkları Şili’dedir ve lityum şirketin işinin büyük bir kısmını oluşturur. Ayrıca doğal kökenli potasyum nitrat üretiminde pazar lideridir ve iyot, potasyum klorür, borik asit ve magnezyum klorür gibi özel kimyasallar satmaktadır.

Kaynak: SQM

2023 Nisan’ında şirket, Şili’nin lityum endüstrisinin kısmi bir kamulaştırmasını tehdit eden bir hamle ile karşılaştı. İlk şokun ardından planın detayları, ülkenin hâlâ yabancı özel yatırımları çekmeyi amaçladığını açıkladı.

Daha spesifik olarak, ulusal lityum şirketi Coldeco, SQM ile bir sözleşmeyi yeniden müzakere ediyor ve diğer lityum yatakları da işletmeye açılacak. Mevcut sözleşme yine de saygı gösterilecek ve 2030’a kadar devam edecektir.

Müzakereler hâlâ devam ettiğinden çok az bilgi mevcut ve SQM’nin uzun vadeli geleceği tahmin etmek zor. Yine de Şili, ekonomisinin büyük ölçüde madenciliğe bağımlı bir ülke ve kamulaştırma planlarına yönelik ilk tepkiler, sadece lityuma değil tüm madenciliğe olan güveni sarsarak hükümeti (şimdilik?) hedeflerini sınırlamaya zorladı.

Kamulaştırma tehdidi, uluslararası lityum fiyatlarında kalıcı bir düşüşle takip edildi; bu da şirketin hisse fiyatının 2022 sonundaki zirvesinden aşağı yönlü bir gerilemeye yol açtı.

Kaynak: Carbon Credit

Lityum satış hacmi %13 artış (+13%) gösterdi, yıllık ortalama satış fiyatları ise %41 düşüş (-41%) 4Q2024 vs 4Q2023

Düşük lityum fiyatlarının bir sonucu olarak, şirket 2024’te diğer ürünlerden daha yüksek gelir elde etti; iyot brüt kârın %39’unu oluşturdu.

Kaynak: SQM

Bu, şirketin gerçek riskini yansıtabilir ya da riski almaya istekli yatırımcıları çekerek sağlam bir temettü getirisi elde etme fırsatı olarak görülebilir.

Tüm lityum yatırımları gibi, yatırımcılar EV pazarını (talep ve sodyum‑iyon bataryalar gibi lityum kullanmayan yenilikçi kimyalar) yakından tanımak isteyecek ve lityum fiyatlarının yüksek volatilitesinin önümüzdeki dönemde devam edeceğini öngörecek; daha fazla düşüş riskinin ise kısmen fiyatlara yansıtıldığı görülüyor.

“Lityum ve bataryalar hakkında daha fazla bilgi edinmek için makalemizi okuyabilirsiniz: “Lityum Talebi Yeni Sodyum‑İyon Bataryalarıyla Düşecek mi?”, “Arkansas Lityum İhtiyacımızın Cevabını Tutuyor mu?” ve “Nobel Ödülü Başarılarına Yatırım: Lityum‑İyon Bataryaları Dünyayı Güçlendirecek”.

Sociedad Química y Minera de Chile S.A. ile En Son Gelişmeler

^{Referans Alınan Çalışmalar:}

^{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}