Bilim insanları, kömür külü, kırmızı çamur ve maden atıklarının içinde saklı duran nadir toprak elementlerini ve diğer değerli mineralleri daha temiz bir yöntemle geri kazanmak için diyatomelerden, deniz süngerlerinden ve bitkilerden ilham alıyor. Doğadan esinlenen bu yaklaşım, devasa endüstriyel atık yığınlarını faydalı malzemelere dönüştürürken enerji kullanımını, sert kimyasalları ve yeni madencilik faaliyetlerine olan bağımlılığı azaltmayı hedefliyor.
Kömür külü, kırmızı çamur ve maden atıkları genellikle büyük birer atık sorunu olarak görülüyor. Oysa bu devasa atık akışları, silika, nadir toprak elementleri ve diğer kritik mineraller gibi değerli malzemeler de içeriyor.
Worcester Politeknik Enstitüsü (WPI) öncülüğündeki bir araştırma ekibi, diyatomelerin, deniz süngerlerinin ve bitkilerin kullandığı biyolojik stratejilerin bu kaynakların daha az enerji ve daha az sert kimyasalla geri kazanılmasına yardımcı olup olamayacağını araştırmak üzere Ulusal Bilim Vakfı'nın Büyüyen Yakınsama Araştırmaları programından 3,3 milyon dolarlık destek aldı.
Beş yıl sürecek ve iki aşamadan oluşacak çalışmaya, WPI İnşaat, Çevre ve Mimarlık Mühendisliği Bölümü'nden Doç. Dr. Mingjiang Tao liderlik ediyor. Profesörler Carrick Eggleston ve Yan Wang da projenin eş yürütücülüğünü üstleniyor. George Mason Üniversitesi, Kaliforniya Üniversitesi San Diego, Massachusetts Üniversitesi Amherst ve Buffalo Üniversitesi'nden araştırmacılar da projeye katkı verecek.
Tao, "Kritik minerallerin geri kazanılması, fırsatın yalnızca bir parçası" dedi ve şöyle devam etti: "Her atık akışının mümkün olduğunca büyük bir bölümünü kullanan, stratejik açıdan önemli elementleri ayırırken geri kalan malzemeyi de faydalı ürünlere dönüştüren bir süreç geliştirmek istiyoruz. Bu bütünsel yaklaşım, sanayinin atıkları yönetme ve temel kaynakları elde etme biçimini kökten değiştirebilir."
Atıkların içinde saklı değerli mineraller
Proje, birbiriyle bağlantılı iki sorunu çözmeyi amaçlıyor.
Beton, cam, seramik, yarı iletkenler ve silikonlarda kullanılan birçok silisyum bazlı malzemenin üretimi; yüksek sıcaklıklar, büyük miktarlarda enerji ve yoğun kimyasal işlemler gerektiriyor. Aynı zamanda sanayi; kömür külü kalıntısı, kırmızı çamur, maden atıkları, beton döküntüleri, atık cam ve metalürjik cüruf gibi silisyum açısından zengin devasa miktarlarda atık üretiyor.
Bu malzemelerin büyük bölümü; faydalı silisyum, kritik mineraller ve nadir toprak elementleri içermesine rağmen çöp sahalarına, havuzlara, atık barajlarına ve devasa atık yığınlarına gidiyor.
Bir tahmine göre, ABD'deki kömür külü sahalarında hapsolmuş durumdaki 11 milyon ton nadir toprak elementinin değeri 8,4 milyar dolar — bu rakam, ülkenin mevcut ham yerli rezervlerinin yaklaşık sekiz katına denk geliyor. Nadir toprak elementleri ve diğer kritik mineraller; elektronik, temiz enerji teknolojileri, ulaşım ve ulusal güvenlik açısından büyük önem taşıyor.
Daha temiz bir yaklaşım için doğaya bakış
Bu malzemeleri geri kazanmanın daha iyi bir yolunu bulmak için araştırmacılar biyolojiye yöneliyor.
Diyatomeler, deniz süngerleri ve bazı bitkiler; çözünmüş silisyumu toplamak ve nispeten ılımlı koşullar altında karmaşık silika yapılar inşa etmek için biyolojik moleküller ve organik iskeletler kullanıyor. Ekip, bu doğal süreçleri uyarlayarak silika açısından zengin endüstriyel atıkları parçalamak için daha düşük enerjili yöntemler geliştirmeyi umuyor.
Amaç yalnızca malzemenin içinde hapsolmuş nadir toprak elementlerini ve diğer kritik mineralleri serbest bırakmak değil, aynı zamanda silikanın kendisini de faydalı ürünlere dönüştürmek.
Yapay zeka ve biyomoleküller keşfi hızlandırabilir
Proje; biyoloji, jeokimya, malzeme bilimi, metalurji, mühendislik, hesaplamalı kimya ve yapay zeka alanlarındaki uzmanlıkları bir araya getiriyor.
Araştırmacılar, özel biyomoleküller tasarlamak ve bunların silisyum açısından zengin atıklarla nasıl etkileşeceğini öngörmek için gelişmiş hesaplamalı modelleme ve yapay zekadan yararlanmayı planlıyor. Bu araçlar, ekibin mineral geri kazanımı ve malzeme üretimi için umut vadeden yaklaşımları daha hızlı belirlemesine yardımcı olabilir.
Baş araştırmacı olarak Tao, projenin genel yönetimini ve koordinasyonunu üstlenirken aynı zamanda organizmaların silika malzemeler oluşturduğu süreç olan biyosilisifikasyon ve silisyum açısından zengin atıklardan nadir toprak elementlerinin geri kazanılmasına yönelik biyo-destekli metalurji araştırmalarını yönetecek.
Jeokimya alanında uzmanlığa sahip İnşaat, Çevre ve Mimarlık Mühendisliği Bölümü profesörü Eggleston ise silikat malzemelerin parçalanması ve yeniden inşasında rol oynayan kimyasal tepkimelerin anlaşılması ve optimize edilmesine odaklanan çalışmalara liderlik edecek.
Onun araştırması; silikat çözünmesi, yeniden polimerizasyon, karbonatlaşma, cam oluşumu ve silikon senteziyle ilişkili tepkime yollarını ve hızlarını inceleyecek.
William B. Smith Makine ve Malzeme Mühendisliği Profesörü olan ve batarya geri dönüşümü ile sürdürülebilir üretim alanlarında tanınmış bir öncü kabul edilen Wang da nadir toprak elementlerinin ve diğer kritik minerallerin geri kazanılmasına yönelik biyomühendislik yöntemlerinin geliştirilmesine öncülük edecek.
Endüstriyel atıkları pazarlanabilir ürünlere dönüştürmek
Araştırmacılar, bu teknolojilerin endüstriyel kullanım için ekonomik ve pratik açıdan ölçeklendirilip ölçeklendirilemeyeceğini de inceleyecek.
Yaklaşım başarılı olursa, büyük hacimli endüstriyel atıkların pazarlanabilir ürünlere dönüştürülmesinin önü açılabilir. Bu da yeni çıkarılan kaynaklara bağımlılığı azaltabilir, malzeme üretiminin çevresel ayak izini düşürebilir ve kritik mineraller ile nadir toprak elementlerinde yerli tedariki güçlendirebilir.
WPI'lı lisans ve lisansüstü öğrenciler, üniversitenin uygulamalı STEM deneyimi kapsamında çok yıllı projede görev alacak.
Çalışma; sürdürülebilirlik, biyoteknoloji, malzeme bilimi, veri bilimi ve yapay zekayı bir araya getiriyor. Ayrıca araştırmacıları, sanayi ortaklarını, politika yapıcıları, eğitimcileri ve geleceğin yenilikçilerini farklı disiplinler ve sektörler arasında buluşturarak daha geniş bir biyomühendislik temelli, silisyum bazlı malzeme ekosistemi kurulmasına katkı sağlamayı hedefliyor.
