מדע בפשטות: מהם חומרים קריטיים?

מהם חומרים קריטיים?

חומרים קריטיים הם חומרים שממשלת ארה"ב מזהה כחיוניים לטכנולוגיות אנרגיה, לביטחון כלכלי ולאומי וליצור מוצרי מפתח. חשיבות זו פירושה שארצות הברית צריכה להבטיח גישה לאספקה ​​של חומרים אלה. שרשראות אספקה ​​המספקות חומרים קריטיים עלולות להשתבש על ידי אירועים כמו עלייה פתאומית בביקוש, אסונות טבע המשפיעים על ההיצע וממשלות זרות המגבילות את היצוא. משרד האנרגיה (DOE) זיהה 18 חומרי אנרגיה קריטיים שחשובים לעתיד מגזר האנרגיה.

לחומרים קריטיים רבים יש תכונות ייחודיות ההופכות אותם חשובים עבור טכנולוגיות מתקדמות. לדוגמה, חלקם משמשים ליצירת מגנטים חזקים מאוד וקומפקטיים, אחרים מאיצים תגובות כימיות, וחלקם ממירים ביעילות חשמל לאור. כל החומרים הקריטיים שזוהו על ידי DOE הם יסודות טבעיים – אף אחד מהם לא נוצר במעבדות. כמעט כל היסודות הללו מגיעים מכוכבים וסופרנובות, ורק כמויות זעירות נוצרות באמצעות ריקבון רדיואקטיבי ואמצעים אחרים. זה אומר שהאספקה ​​על פני כדור הארץ היא כל מה שיש לנו כרגע.

גליום, בתמונה למעלה, הוא אחד מהחומרים הקריטיים הללו. גליום משמש לייצור מגוון מכשירים אלקטרוניים. הוא נפוץ בשימוש בנורות LED, בשבבי התקשורת בסמארטפונים ובספקי כוח בעלי יעילות גבוהה. מכיוון שהוא נדיר, גליום אינו נכרה ישירות אלא מיוצר כתוצר לוואי של ייצור אלומיניום. סין אחראית ליותר מ-90% מייצור הגליום בעולם ובשנת 2023 הכריזה על הגבלות חמורות על ייצוא מרכיב קריטי זה.

עובדות מהירות

• למד עוד על חומרים קריטיים – וכל היסודות – עם הטבלה המחזורית המקוונת של היסודות של האגודה המלכותית לכימיה.
• החומרים הקריטיים כוללים את כל 17 מתכות האדמה הנדירות מלבד אחת. המתכות הכסופות הללו דומות מבחינה כימית. הם נקראים "נדירים" בין השאר מכיוון שהם נוטים להתרחש יחד וקשה להפרידם מחומרים אחרים.
• פרויקטי מחקר הנתמכים על ידי משרד המדע DOE יכולים לקצץ את העלות של מיחזור חומרים קריטיים.
• האיחוד האירופי מודאג גם מחומרים קריטיים. למידע נוסף על 12 מהחומרים הללו במדריך זה מ-Politico.

תרומות DOE לחקר חומרים קריטיים

חומרים קריטיים חיוניים לטכנולוגיית אנרגיה נקייה, החל מפאנלים סולאריים וטורבינות רוח ועד למטענים וסוללות לרכב חשמלי. שימושים אלה הם הסיבה לכך ש-DOE מעורב באופן הדוק עם חומרים קריטיים. על פי חוק התשתיות הדו-מפלגתיות וחוק הפחתת האינפלציה, DOE מפקח על מספר תוכניות מפתח כדי לטפל בחששות מהותיים קריטיים. משרד הייצור ורשתות אספקת האנרגיה של DOE (MESC) מוביל עבודה תחת שלושה תחומי מימון, מענקי ייצור ומיחזור סוללות, מענקי עיבוד חומרי סוללה ותכנית 48C למתן אשראי מס. MESC ו-DOE's Office of Fossil Energy and Carbon Management (FECM) מובילים את העבודה על מתקן הדגמה של אלמנטים נדירים של כדור הארץ. FECM מאפשרת גם ייצור ועיבוד של יסודות אדמה נדירים וחומרים קריטיים אחרים מפסולת כרייה ותעשייה ומקורות לא קונבנציונליים אחרים. DOE גם יצר את מרכז החדשנות של חומרים קריטיים

(רכזת CMI). המרכז מובל על ידי המעבדה הלאומית של איימס ומנוהל על ידי המשרד לטכנולוגיות חומרים מתקדמים וטכנולוגיות ייצור של DOE. ה-CMI עורך מחקר יישומי לקידום טכנולוגיות שיכולות לפתוח מקורות חדשים של חומרים קריטיים, תחליפים לחומרים אלה, ודרכים לניצול טוב יותר של החומר הקיים באמצעות שימוש חוזר ומיחזור. CMI גם בוחנת דרכים חדשות לאפשר מדע, לשמור על הסביבה ולנתח את שרשרת האספקה ​​והכלכלה של חומרים קריטיים.

אֶמְצָעִי

• תוכנית המינרלים והחומרים הקריטיים של DOE, כולל הגדרת החומרים הללו בתוכנית
• תוכנית DOE Office of Science למדעי האנרגיה הבסיסיים, המוקד של חלק גדול מהעבודה של DOE על חומרים קריטיים.
• הקמת קרן מדעית לחומרים קריטיים
• מרכז החדשנות של חומרים קריטיים
• מרכז חומרים קריטיים של DOE
• דו"ח אסטרטגיית חומרים קריטיים של DOE
• דוח DOE על שחזור של REE/CM מפחם ומוצרי לוואי של פחם
• דו"ח המכון הגיאולוגי של ארה"ב על חומרים קריטיים