Επαναστατικές τεχνολογίες ανακύκλωσης ως αντίδοτο στην κλιματική κρίση

Επαναστατικές τεχνολογίες ανακύκλωσης ως αντίδοτο στην κλιματική κρίση

Αν ελπίζουμε να σταματήσει η άνοδος της στάθμης των θαλασσών και άλλες δυσμενείς επιπτώσεις της κλιματικής κρίσης, πρέπει να αξιοποιήσουμε πιο εντατικά όλες τις τεχνολογίες «πράσινης» ενέργειας που αναδύονται τα τελευταία χρόνια.

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Τα στοιχεία που αναμένουμε να μας οδηγήοσυν στην ενεργειακή μετάβαση σε καθαρότερες μορφές ενέργειας καταρχάς το λίθιο που βρίσκεται στην κορυφή της λίστας, μαζί με το κοβάλτιο, το νικέλιο και το μαγγάνιο. Αυτά τα τέσσερα μέταλλα σχηματίζουν την κάθοδο - ουσιαστικά την πηγή ιόντων λιθίου - στις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Το βολφράμιο, ο χρυσός και τα μέταλλα σπάνιων γαιών ακολουθούν σε σημασία.

Όλα τα παραπάνω είναι χημικά στοιχεία που τροφοδοτούν κάθε όχημα, κάθε συσκευή και κάθε εργαλείο που χρησιμοποιείται στην προσπάθεια απαλλαγής από τις εκπομπές άνθρακα και, μακροπρόθεσμα, αποτροπής των αρνητικών επιπτώσεων της κλιματικής κρίσης.

Ωστόσο οι περισσότεροι από εμάς παραβλέπουμε ότι αυτά τα θεμελιώδη υλικά για τόσες πολλές πράσινες τεχνολογίες, επί του παρόντος, έχουν ένα μεγάλο περιβαλλοντικό κόστος. Για παράδειγμα, για κάθε κιλό λιθίου που εξορύσσεται, εκπέμπονται 7,5 κιλά CO2 κατά τη διαδικασία.

Επιπλέον, τα περισσότερα εργοστάσια μπαταριών λιθίου λειτουργούν με ενέργεια από άνθρακα, η οποία εκπέμπει σχεδόν διπλάσια αέρια θερμοκηπίου, ακόμη και από το φυσικό αέριο. Επιπλέον αυτού, τα προβλήματα στην εφοδιαστική αλυσίδα τα τελευταία τρία έτη, έχουν μειώσει τη διαθεσιμότητα αυτών των κρίσιμων υλικών, ειδικά όσον αφορά στις μπαταρίες λιθίου, καθώς η ζήτηση τους εκτοξεύεται στα ύψη. Μέχρι το 2030, η αγορά για μπαταρίες λιθίου προβλέπεται να αυξηθεί κατά 5 έως 10 φορές. Αυτό θα ήταν σπουδαίο νέο εάν είχαμε αρκετό λίθιο - ή κοβάλτιο και άλλα βασικά στοιχεία - και μεθόδους επεξεργασίας με λιγότερη ένταση άνθρακα.

Το σημαντικό όμως είναι ότι τα παραπάνω μέταλλα είναι στοιχεία και όχι ενώσεις. Είτε προέρχονται από εξορυσσόμενα πετρώματα ή από ένα ηλεκτρικό όχημα πρώτης γενιάς ή από ένα χαλασμένο smartphone, θα είναι πάντα λίθιο, κοβάλτιο, νικέλιο ή μαγγάνιο και διαρκώς ανακυκλώσιμα. Εάν τα στοιχεία της καθόδου σε μια χρησιμοποιημένη μπαταρία λιθίου μπορούν να ανακτηθούν αποτελεσματικά, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή νέων μπαταριών και συσκευών, όχι μία φορά, αλλά διαρκώς και με πολύ μειωμένες εκπομπές σε σύγκριση με την πρωτογενή παραγωγή αυτών των στοιχείων.

Η Daisy, tο ρομπότ αποσυναρμολόγησης της Apple ανακτά πολύτιμες πρώτες ύλες, όπως χρυσό, χαλκό, μπαταρίες λιθίου και στοιχεία σπάνιων γαιών, από τις χρησιμοποιημένες συσκευές που πρόκειται να ανακυκλωθούν.

Οι τεχνολογίες ανακύκλωσης αυτών των στοιχείων σε κλίμακα, υπάρχουν ήδη και είναι έτοιμες να προσαρμοστούν για τα πάντα, από ηλεκτρικές οδοντόβουρτσες μέχρι αυτοκίνητα ή ανεμογεννήτριες. Επίσης, οι μπαταρίες λιθίου είναι μόνο ένα κομμάτι της ευρύτερης επανάστασης. Αρκετές εταιρείες πέρασαν το μεγαλύτερο μέρος της τελευταίας δεκαετίας αναπτύσσοντας νέες μεθόδους για την ανακύκλωση βασικών μετάλλων και μετάλλων σπάνιων γαιών σε μια κυκλική, κλειστού βρόχου διαδικασία, παρέχοντας ένα βιώσιμο επίπεδο προσφοράς ανακυκλωμένων πρώτων υλών, που μπορεί να βοηθήσει στην κάλυψη της αυξανόμενης ζήτησης για ηλεκτρικά αυτοκίνητα και άλλες συσκευές, μειώνοντας δραστικά το αποτύπωμα άνθρακα.

Η Daisy ανακυκλώνει παλιά iPhone

Κάθε νέα εποχή έχει το καθοριστικό της σύμβολο, εκείνο τον παράγοντα ή οντότητα που εκφράζει τον χαρακτήρα της και αντικατοπτρίζει την ουσία της. Για τη νέα εποχή της ανακύκλωσης, αυτή η οντότητα μπορεί κάλλιστα να είναι η Daisy.

Η Daisy είναι ρομπότ. Στην πραγματικότητα, η Daisy είναι ένας συνδυασμός πέντε ξεχωριστών ρομπότ, ομαδοποιημένων σε τέσσερις ενότητες που μαζί εκτείνονται σε απόσταση 10 μέτρων. Ζει στο Materials Recovery Lab της Apple στο Austin του Texas. Η δίδυμη αδερφή της, που ονομάζεται επίσης Daisy, ζει σε μια εγκατάσταση της Apple στην Ολλανδία.

Η Daisy είναι ένα ρομπότ αποσυναρμολόγησης, ένας επιβλητικός τίτλος για μια λεπτή δουλειά: να αποσυναρμολογεί παλιά iPhone, να διαχωρίζει την μπαταρία μαζί με άλλα βασικά στοιχεία και μέταλλα σπάνιων γαιών - το επόμενο σύνορο για την ανακύκλωση μετά τις μπαταρίες - και να διανέμει κάθε στοιχείο σε κάδους για χρήση σε νέες συσκευές που κατασκευάζονται από την Apple και άλλες εταιρείες.

Η Daisy διαδραματίζει σημαντικό ρόλο, εν μέρει απτό, εν μέρει συμβολικό, στη φιλόδοξη εκστρατεία της Apple να κατασκευάζει όλα τα προϊόντα της με 100% ανακυκλωμένα ή ανανεώσιμα υλικά. «Η Daisy αποδεικνύει ότι αυτό που πολλοί θεωρούν αδύνατο είναι πραγματικά δυνατό», λέει η Sarah Chandler, ανώτερη διευθύντρια περιβάλλοντος και καινοτομίας εφοδιαστικής αλυσίδας στην εταιρεία.

Όταν η Apple ξεκίνησε το συγκεκριμένο έργο το 2012, οι βιομηχανικές μέθοδοι της εποχής που χρησιμοποιούσε η Apple και άλλες εταιρείες, ήταν σχετικά πρώιμες. Οι μηχανές είχαν τη δυνατότητα κατάτμησης των εισερχομένων υλικών σε κομμάτια όχι μικρότερα από μια ίντσα, τα οποία χαρακτηρίζονταν από υψηλό ποσοστό προσμίξεων για να επαναχρησιμοποιηθούν σε νέες συσκευές.

Το 2014, οι μηχανικοί ανέπτυξαν τον Liam, τον παππού της Daisy, ένα πιλοτικό ρομπότ, ικανό να αποσυναρμολογήσει μόνο μία συσκευή, το iPhone 5. «Ο Liam ξεκίνησε το ταξίδι της καινοτομίας, αποδεικνύοντας την εγκυρότητα του να θέτεις μεγάλους στόχους», λέει η Chandler. Ωστόσο, ο Liam χρειαζόταν 12 λεπτά για να αποσυναρμολογήσει ένα χρησιμοποιημένο τηλέφωνο, ενώ η Apple πουλούσε περισσότερα από 3.800 τηλέφωνα σε όλο τον κόσμο κάθε 12 λεπτά.

Λίγα χρόνια αργότερα, ο Liam 2.0 θα μπορούσε να επεξεργαστεί ένα iPhone 6 με πιο γρήγορο ρυθμό. Και η Daisy, που παρουσιάστηκε το 2018, μπορεί να αποσυναρμολογήσει 23 μοντέλα iPhone με ρυθμό 3,3 ανά λεπτό, επίπεδο απόδοσης που δε συγκρίνεται με οποιαδήποτε μηχανή ανακύκλωσης συσκευών στον κόσμο. Για να επιτευχθεί αυτή η απόδοση, απαιτήθηκαν οι προσπάθειες των καλύτερων μηχανικών και σχεδιαστών της Apple.

«Οι μηχανικοί γνωρίζουν πολλά για τη χρήση ρομπότ στην κατασκευή ενός προϊόντος, όταν τα υλικά είναι πρωτογενή και ομοιόμορφα και μπορούν να μετρηθούν με έναν ταξινομημένο, προβλέψιμο τρόπο», εξηγεί ο Chandler. «Αλλά η ανακύκλωση παρουσίασε μια εντελώς νέα πρόκληση: Πώς σχεδιάζετε ένα ρομπότ για να λειτουργεί κάτω από συνθήκες που είναι οτιδήποτε άλλο εκτός από τακτοποιημένες και προβλέψιμες;».

Η Daisy αναμένεται να αναγνωρίσει και να αποσυναρμολογήσει αποδοτικά σχεδόν είκοσι πέντε διαφορετικά μοντέλα iPhone, με κάθε τηλέφωνο που φτάνει στη διαδικασία ανάκτησης να έχει τη δική του ιδιαίτερη φθορά λόγω χρήσης. Οι σχεδιαστές δεν μπορούσαν απλώς να αντιστρέψουν τη διαδικασία κατασκευής. έπρεπε να δημιουργήσουν ένα μηχάνημα ικανό για έξυπνη λειτουργία, προσαρμοσμένο σε κάθε τηλέφωνο που θα επεξεργαστεί η Daisy. «Θα μπορούσατε σχεδόν να σκεφτείτε τη Daisy ως έργο τέχνης», είπε η Chandler. «Ένα ρομπότ ικανό για αποδοτική ανάκτηση υλικών με σκοπό την επαναχρησιμοποίηση».

Αφού η Daisy αναγνωρίσει μια συσκευή, το επόμενο βήμα είναι να αφαιρέσει την οθόνη

Στο πρώτο στάδιο της διαδικασίας, η συσκευή εισέρχεται μέσω ενός ιμάντα μεταφοράς, όπου το ρομποτικό μάτι της Daisy ταυτοποιεί το μοντέλο της συσκευής. Στη συνέχεια, αφαιρεί την οθόνη του τηλεφώνου με το ρομποτικό της χέρι.

Στο επόμενο στάδιο, ένα ρεύμα παγωμένου αέρα χαλαρώνει και αποσπά την μπαταρία του τηλεφώνου από το περίβλημά της. Στη συνέχεια ακολουθεί η αφαίρεση των βιδών. Για τον Liam, οι μηχανικοί χρησιμοποίησαν ένα αυτόματο κατσαβίδι για να αφαιρέσουν προσεκτικά κάθε βίδα. Για εξοικονόμηση χρόνου, η Daisy αφαιρεί τις βίδες με ένα μηχανισμό κρούσης.

Στο τελευταίο βήμα, το παλιό iPhone αποδομείται σε εκατοντάδες μικροσκοπικά, γυαλιστερά κομμάτια που περιέχουν αλουμίνιο, κοβάλτιο, χαλκό, γυαλί, χρυσό, λίθιο, χάλυβα, κασσίτερο, βολφράμιο, ψευδάργυρο και άλλα μέταλλα και στοιχεία σπανίων γαιών, τα οποία τοποθετούνται σε κάδους για να σταλούν για περαιτέρω επεξεργασία. Τελικά, αυτά τα κομμάτια θα εισέλθουν στην εφοδιαστική αλυσίδα του κλάδου.

Ένα μέρος του ανακυκλωμένου υλικού μπορεί να φτάσει σε κάποιο εργοστάσιο της Apple για να χρησιμοποιηθεί ξανά σε ένα νέο προϊόν. Στην καλύτερη περίπτωση, τα iPhone των οποίων τα μέρη έχουν προέλθει από την Daisy, θα επιστρέψουν σε αυτήν αργότερα για να ανακυκλωθούν ακόμα μία φορά.

Αλλά φυσικά, αυτή η περίπτωση δεν είναι ακόμα εφικτή. Και πολλά κινητά τηλέφωνα και παρόμοιες συσκευές δεν ανακυκλώνονται καθόλου: «Ένας πλούτος καθοδικών υλικών βρίσκονται αχρησιμοποίητος στα συρτάρια των Αμερικανών», λέει ο Michael O'Kronley, Διευθύνων Σύμβουλος της εταιρείας ανακύκλωσης μπαταριών λιθίου Ascend Elements.

Η Apple αναγνωρίζει αυτήν την κατάσταση. «Έχουμε ανοίξει δωρεάν προγράμματα ανακύκλωσης σε κάθε χώρα όπου πουλάμε iPhone», λέει η Chandler. Λέει επίσης ότι το έργο του Material Recovery Lab πρέπει να είναι παράδειγμα προς μίμηση από όλες τις βιομηχανίες. Οι περισσότερες από τις καινοτόμες εργασίες που εκτελούνται στο εργαστήριο βασίζονται σε λογισμικό ανοιχτού κώδικα.

Η Daisy έχει διασφαλίσει πέντε διπλώματα ευρεσιτεχνίας, αλλά η Apple αδειοδοτεί την τεχνολογία του ρομπότ δωρεάν σε τρίτα μέρη. Τα επόμενα χρόνια, τμήματα της Daisy μπορεί να εμφανιστούν σε εταιρείες ανακύκλωσης σε όλο τον κόσμο. «Η Daisy μας έχει διδάξει τόσα πολλά», λέει η Chandler.

Μαύρος χρυσός

«Ήταν απλώς θέμα χρόνου», θυμάται ότι σκέφτηκε ο Yan Wang. Το έτος ήταν το 2011. Ο Wang ήταν χημικός μηχανικός και πρόσφατα είχε αναλάβει θέση καθηγητή στο Worcester Polytechnic Institute στη Μασαχουσέτη, και οι μπαταρίες ιόντων λιθίου υπήρχαν ήδη παντού. Σε τηλέφωνα και φορητούς υπολογιστές, ηλιακούς συλλέκτες και ανεμογεννήτριες, ηλεκτρικά μηχανήματα κοπής και διάτρησης και οθόνες παρακολούθησης μωρών. Τα ηλεκτρικά οχήματα πρώιμης έκδοσης, έβγαιναν στους αυτοκινητόδρομους και ο επανασχεδιασμός του δικτύου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας για να φιλοξενήσει τη μεταβαλλόμενη ισχύ από ανανεώσιμες πηγές, είχε ήδη ξεκινήσει.

Όλα αυτά τα οχήματα και τα εργαλεία, όλη αυτή η σχεδιαζόμενη υποδομή, λειτουργούσαν με μπαταρίες λιθίου. Στα επιστημονικά συνέδρια που παρακολούθησε ο Wang, προέκυπτε πάντα η αίσθηση να γίνουν αυτές οι μπαταρίες πιο ισχυρές, να ενισχυθεί η ισχύς που είναι απαραίτητη για την κίνηση των ηλεκτρικών οχημάτων και να παραταθεί ο χρόνος πριν είναι αναγκαία η επαναφόρτιση της μπαταρίας. Λίγοι σκέφτονταν το ζήτημα του τέλους του κύκλου ζωής της μπαταρίας. Με άλλα λόγια, τι θα γινόταν όταν όλες αυτές οι μπαταρίες χρειάζονταν αντικατάσταση.

«Στα συνέδρια, εάν το θέμα σας ήταν το τέλος του κύκλου ζωής των μπαταριών, θα ήσασταν ο τελευταίος ομιλητής της ημέρας», λέει ο Eric Gratz, πρώην μαθητής του Wang και πλέον επιχειρηματικός του συνεργάτης. «Ο κόσμος απλά έφευγε από την αίθουσα όταν άρχιζες την ομιλία σου».

Ο Wang δεν μπορούσε να προβλέψει όλα όσα θα συνέβαιναν τα επόμενα 10 χρόνια και τα οποία θα απειλούσαν τη διαθεσιμότητα των πρώτων υλών για τις καθόδους των μπαταριών. Όμως γνώριζε μερικά βασικά στοιχεία. Όλες οι μπαταρίες λιθίου τελικά παρουσιάζουν απώλειες στην απόδοσή τους με το χρόνο, συνήθως μέσα σε τρία χρόνια για ένα τηλέφωνο και πέντε έως 10 για ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο. Σχεδόν τα δύο τρίτα της επεξεργασίας των πρώτων υλών για την κατασκευή καθόδων, πραγματοποιείται στην Κίνα. Και όταν οι μπαταρίες των ηλεκτρικών οχημάτων αρχίσουν να χάνουν την απόδοσή τους τα επόμενα χρόνια, τα τοξικά τους υλικά θα συσσωρεύονταν σε χώρους υγειονομικής ταφής, δημιουργώντας περισσότερα περιβαλλοντικά προβλήματα από όσα έλυσαν.

Πριν από μια δεκαετία, καθισμένος στο ακροατήριο αυτών των επιστημονικών συνεδρίων, ο Wang οραματίστηκε την ανακύκλωση μπαταριών λιθίου ως έναν αποτελεσματικό, ακόμη και κομψό τρόπο, αντιμετώπισης των διαφαινόμενων προκλήσεων και ένα μοντέλο για μια πράσινη και ευημερούσα κυκλική οικονομία.

«Αργά ή γρήγορα, οι άνθρωποι θα έβλεπαν τη μεγάλη προοπτική στην ανακύκλωση των μπαταριών λιθίου», θυμάται ο Wang. «Ήταν απλώς θέμα χρόνου».

Σε εκείνο το σημείο, το κόστος της ανακύκλωσης των μπαταριών λιθίου ήταν απαγορευτικό. Οι παραδοσιακές μέθοδοι που ίσχυαν στην πράξη για δεκαετίες, ήταν ατελείς στον διαχωρισμό των στοιχείων. Η πυρομεταλλουργία επεξεργάζεται μέσω καύσης ή φρύξης το τεμαχισμένο υλικό σε συνθήκες υψηλών θερμοκρασιών. Και η υδρομεταλλουργία επεξεργάζεται τις ανακτώμενες πρώτες ύλες με νερό και χημικά.

Επιπλέον, οι πρώτες ύλες που ανακτώνται από αυτές τις μεθόδους πρέπει να προωθηθούν στην Κίνα για επεξεργασία, στη συνέχεια σε έναν κατασκευαστή μπαταριών στην Κίνα ή αλλού στην Ασία, πριν φτάσουν σε μια εγκατάσταση στη Βόρεια Αμερική, την Ευρώπη ή άλλο μέρος σε όλο τον κόσμο όπου θα χρησιμοποιηθούν σε ένα νέο προϊόν. «Η διαδικασία ήταν αναποτελεσματική και δαπανηρή», λέει ο Wang, «και άφηνε πάντα ένα μεγάλο αποτύπωμα άνθρακα». Ήταν φθηνότερο για τους κατασκευαστές να χρησιμοποιούν πρωτογενείς πρώτες ύλες, αν και η εξόρυξη παρουσίαζε και εκείνη τα δικά της περιβαλλοντικά ζητήματα.

Ο Wang και η ομάδα του άρχισαν να ψάχνουν για έναν καλύτερο τρόπο. «Δεν είναι εύκολο να φέρεις την έρευνα σε κλίμακα», λέει. «Άλλο είναι να λειτουργεί ένα πείραμα στο εργαστήριο και άλλο να το κάνεις βιώσιμο σε βιομηχανικό επίπεδο».

Έχοντας κατά νου μια πρακτική εφαρμογή, ο Wang εστίασε στις πρώτες ύλες που συνθέτουν την κάθοδο, το τμήμα της μπαταρίας που είναι υπεύθυνο για τη χωρητικότητα και την ισχύ της, και παρουσιάζει την υψηλότερη εμπορική αξία (όταν μια μπαταρία τροφοδοτεί μια συσκευή, τα ιόντα λιθίου μετακινούνται από την άνοδο, ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο, μέσω ενός διαλύματος ηλεκτρολύτη, στην κάθοδο, ένα θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο. Όταν η μπαταρία φορτίζεται, η ροή αντιστρέφεται).

Οι παραδοσιακές μέθοδοι ανακύκλωσης είχαν ως αποτέλεσμα το λίθιο, το κοβάλτιο, το νικέλιο και το μαγγάνιο να προκύπτουν ως παρόμοια σε βάρος και εμφάνιση και δύσκολο και δαπανηρό να διαχωριστούν. Η μεγάλη ιδέα του Wang ήταν να κρατήσει τις πρώτες ύλες που τον ενδιέφεραν μη διαχωρισμένες, να αφαιρέσει τις προσμίξεις και να δημιουργήσει ένα νέο προϊόν.

Με αυτό τον τρόπο, επινόησε μια μέθοδο που ονομάζεται Hydro-to-Cathode που θα μπορούσε να πάρει μια μπαταρία 10 ετών από ένα ηλεκτρικό όχημα πρώτης γενιάς, να την επεξεργαστεί σε ένα υδατικό διάλυμα που περιέχει άτομα λιθίου, κοβαλτίου και νικελίου και στη συνέχεια να δημιουργήσει ένα νέο καθοδικό υλικό, έτοιμο προς χρήση.

Η διαδικασία θα μπορούσε να ανακτήσει το 98% των βασικών μετάλλων της μπαταρίας και να παράγει το νέο υλικό καθόδου με το μισό κόστος, επιτυγχάνοντας παράλληλα 90% μείωση των εκπομπών θερμοκηπίου σε σύγκριση με μια κάθοδο κατασκευασμένη από πρωτογενείς πρώτες ύλες.

Το αποτέλεσμα ήταν μια κρυσταλλική μάζα καθοδικής μαύρης σκόνης (black mass), «μαύρος χρυσός», κατά την ορολογία της νέας εταιρείας του Wang, της Ascend Elements. Το επόμενο βήμα του Wang ήταν να προσθέσει μια ποσότητα καθαρού υλικού στη μάζα της καθοδικής σκόνης, ανάλογα με τις ακριβείς προδιαγραφές σύστασης της καθόδου που χρειαζόταν ο κάθε πελάτης.

Για παράδειγμα, μια μπαταρία λιθίου - οξειδίου του κοβαλτίου που χρησιμοποείται σε ένα τηλέφωνο διαφέρει ως προς τη σύνθεση από μια μπαταρία λιθίου - οξειδίων νικελίου-κοβαλτίου-αλουμινίου που χρησιμοποιείται σε ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο. Στη συνέχεια, η σκόνη επικολλάται σε μια μεταλλική λωρίδα για να τοποθετηθεί σε μια νέα μπαταρία. «Πολλές εταιρείες ανακυκλώνουν, αλλά εμείς μετατρέπουμε την πρώτη ύλη σε κάτι καλύτερο», λέει ο O'Kronley, διευθύνων σύμβουλος της Ascend. «Είναι ένα είδος αλχημείας».

Η Ascend και άλλοι παίκτες στον εκκολαπτόμενο κλάδο της ανακύκλωσης μπαταριών, αντιμετωπίζουν την προκατάληψη κατά της χρήσης ανακυκλωμένων υλικών σε νέα προϊόντα. Οι κατασκευαστές μπαταριών ανησυχούν ότι τα ανακυκλωμένα ορυκτά είναι χαμηλότερης ποιότητας από τα πρωτογενώς εξορυσσόμενα, γεγονός που θα οδηγήσει σε μικρότερη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και άλλες ελλείψεις. Έρευνα που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Joule το 2021, έδειξε το αντίθετο.

Οι μπαταρίες που περιέχουν πρώτες ύλες που προέρχονται από την τεχνολογία Hydro-to-Cathode της Ascend, παρείχαν 88% περισσότερη ισχύ από εκείνες που αποτελούνται από πρωτογενείς πρώτες ύλες υλικά και επέδειξαν 50% μεγαλύτερη διάρκεια κύκλου ζωής. Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον Wang, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα ανακυκλωμένα σωματίδια σκόνης είναι πιο πορώδη, επιτρέποντας στους κρυστάλλους της καθόδου να διογκωθούν καθώς τα ιόντα λιθίου περνούν μέσα από αυτή. Ο αυξημένος χώρος και επιφάνεια, αποτρέπουν τον σχηματισμό ρωγμών στην κρυσταλλική δομή των καθόδων και επιτρέπουν στις μπαταρίες που φέρουν τις ανακυκλωμένες πρώτες ύλες, να φορτίζονται πιο γρήγορα.

Η τεχνολογία της Ascend τράβηξε γρήγορα το ενδιαφέρον των επενδυτών και της βιομηχανίας και η εταιρεία αναπτύχθηκε από έναν χώρο 27 τετραγωνικών μέτρων το 2015 σε μια ιδιωτική εταιρεία που συγκέντρωσε περισσότερα από 90 εκατομμύρια δολάρια σε επενδύσεις κεφαλαίου το 2021. Όταν η Ascend εγκαινιάσει τις νέες τις εγκαταστάσεις στη Georgia αργότερα αυτό το έτος, με επιφάνεια 14.300 τετραγωνικών μέτρων, θα διαθέτει το μεγαλύτερο εργοστάσιο ανακύκλωσης μπαταριών λιθίου στις Η.Π.Α.

Οι Wang και το Gratz δε θα μιλούν πλέον τελευταίοι σε επιστημονικά συνέδρια και η Ascend ανταγωνίζεται μια σειρά εταιρειών στον κλάδο της ανακύκλωσης. Δύο από τους μεγαλύτερους ανταγωνιστές της είναι η Redwood Materials, μια εταιρεία με έδρα τη Nevada που ιδρύθηκε από τον JB Straubel, τον συνιδρυτή και πρώην CTO της Tesla, και η Li-Cycle. Μαζί, εξυπηρετούν μια αγορά αξίας περίπου 18 δισεκατομμυρίων δολαρίων ετησίως, από 1,5 δισεκατομμύρια δολάρια το 2019. Τα επόμενα 10 χρόνια η ζήτηση για μπαταρίες λιθίου προβλέπεται να δεκαπλασιαστεί.

Κατά τη διάρκεια αυτής της δεκαετίας, ο Wang προβλέπει ότι οι κύριοι παίκτες της βιομηχανίας θα είναι πολύ απασχολημένοι. «Το τυπικό επιβατικό ηλεκτρικό αυτοκίνητο περιέχει περίπου 450 κιλά σε βάρος μπαταρίας. Όλες οι μπαταρίες της πρώτης γενιάς ηλεκτρικών οχημάτων θα χρειαστούν αντικατάσταση περίπου την ίδια χρονική περίοδο», λέει. Μόνο ένα κλάσμα της ζήτησης για νέες μπαταρίες θα καλυφθεί μέσω της ανακύκλωσης, αλλά αυτό το ποσοστό θα αυξάνεται καθώς βελτιώνεται η τεχνολογία, διατίθεται περισσότερο δευτερογενές καθοδικό υλικό και μειώνεται το κόστος ανακύκλωσης.

Η Ascend έχει συνεργαστεί με την αμερικανική θυγατρική της Honda και άλλες αυτοκινητοβιομηχανίες για την ανανέωση των χρησιμοποιημένων μπαταριών τους και η Redwood Materials έχει παρόμοια συμφωνία με την Panasonic, η οποία προμηθεύει την Tesla.

Επί του παρόντος, ωστόσο, η κύρια πηγή του υλικού που έρχεται στις εγκαταστάσεις ανακύκλωσης έχει τη μορφή scrap, δηλαδή αχρησιμοποίητα ή απορριπτόμενα υλικά από τα εργοστάσια που κατασκευάζουν μπαταρίες λιθίου. Γι' αυτό η Redwood Materials έχτισε τις κύριες εγκαταστάσεις της στο Carson City της Nevada, κοντά στο γιγαεργοστάσιο της Panasonic που προμηθεύει την Tesla, ενώ και η Ascend κατασκευάζει το εργοστάσιό της στη Georgia, κοντά σε ένα τεράστιο εργοστάσιο μπαταριών της SK Innovation.

Όταν το εργοστάσιο της Ascend είναι πλήρως λειτουργικό, φορτία scrap θα μεταφέρονται από τις εγκαταστάσεις της SK Innovation στην Ascend και φορτία αναδομημένου καθοδικού υλικού θα ακολουθούν την αντίστροφη πορεία. Ουσιαστικά πρόκειται για μια μελέτη περίπτωσης κυκλικής οικονομίας κλειστού βρόχου. Προς το παρόν, οι χρησιμοποιημένες μπαταρίες είναι το νούμερο δύο στην τροφική αλυσίδα της βιομηχανίας ανακύκλωσης, αλλά τα επόμενα χρόνια θα φτάσουν στο νούμερο ένα.

Εν τω μεταξύ, ο δημόσιος τομέας στέλνει καθυστερημένες αλλά ευπρόσδεκτες επιχορηγήσεις. Ο νόμος για τις υποδομές της κυβέρνησης Biden αφιέρωσε 60 εκατομμύρια δολάρια στην ανακύκλωση μπαταριών. Το Υπουργείο Ενέργειας (DOE) χρηματοδοτεί το ReCell Center στο Argonne National Laboratory, με στόχο την ανάπτυξη μιας οικονομικά αποδοτικής διαδικασίας για την ανακύκλωση μπαταριών λιθίου εντός τριών ετών. Τα επόμενα χρόνια, η ανακύκλωση μπαταριών λιθίου μπορεί να αποδειχθεί η επόμενη επαναστατική ανακάλυψη.

Το Materials Recovery Lab της Apple φιλοξενεί επίσης αυτόν τον πιλοτικό εξοπλισμό κατάτμησης ηλεκτρονικών ειδών

Ανακύκλωση μικρής κλίμακας

Το 2015, η Megan O'Connor ήταν μία 25χρονη μεταπτυχιακή φοιτήτρια περιβαλλοντικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Duke, η οποία παρακολουθούσε μια σύνοδο σχετικά με τα «πράσινα» ηλεκτρονικά στο Yale. Μετά το τέλος της ανοικτής συνεδρίας, οι κύριοι ομιλητές του συνεδρίου, συνεδρίασαν ιδιωτικά. Η O'Connor διαπραγματεύτηκε την είσοδο της στο δωμάτιο συμφωνώντας να είναι η γραμματέας, κάθισε στο πίσω μέρος και άκουσε τη συζήτηση σχετικά με τα ηλεκτρικά οχήματα, τις αλυσίδες τροφοδοσίας υλικών καθόδων μπαταριών και το διαφαινόμενο τσουνάμι των μπαταριών λιθίου για αυτά τα ηλεκτρικά οχήματα.

Ωστόσο, τα συμπεράσματα της συζήτησης ήταν ελπιδοφόρα. Μια κυκλική οικονομία που βασίζεται στην ανακύκλωση των εξαρτημάτων στις μπαταρίες λιθίου, είχε περιβαλλοντική, οικονομική, ηθική και πολιτική λογική. Μεγάλο μέρος του νικελίου και του λιθίου που απαιτούνταν για την ηλεκτροδότηση του δικτύου με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας ήταν ήδη σε κυκλοφορία. Με τη σωστή τεχνολογία, αυτά τα στοιχεία θα μπορούσαν να ανακυκλώνονται διαρκώς.

Η γη της επαγγελίας βρισκόταν ακόμα μακριά, αλλά η O'Connor, η οποία ερωτεύτηκε τη χημεία ενώ μεγάλωνε στο Plattsburgh της Νέας Υόρκης, σκέφτηκε ότι το να συνδυάσει τα πάθη της για την επιστήμη και το περιβάλλον, μπορεί να της έδινε ένα σημαντικό πλεονέκτημα. Επέστρεψε στο Duke από τη σύνοδο αποφασισμένη να βρει τον δικό της τρόπο να συνεισφέρει. Σύντομα, ακολούθησε μια δεύτερη κομβική στιγμή, όταν άκουσε μια παρουσίαση του Chad Vecitis, καθηγητή περιβαλλοντικής μηχανικής στο Harvard.

«Ο Chad περιέγραφε το πείραμά του χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο νερού Brita οικιακού μεγέθους για την επεξεργασία και τον καθαρισμό του νερού, λέει η O'Connor. «Πέτυχε εντυπωσιακά αποτελέσματα, περνώντας ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από το νερό».

Η O'Connor, συνεργαζόμενη με τη σύμβουλό της στο διδακτορικό της, Desirée Plata, αναρωτήθηκε: Γιατί δεν θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί η ίδια μέθοδος για τον διαχωρισμό των ανακυκλωμένων μετάλλων; Άλλαξε αμέσως την ερευνητική της εστίαση για να διερευνήσει αυτό το ερώτημα. Σε συνεργασία με τον Vecitis, ο οποίος είχε ήδη επεξεργαστεί τη βασική επιστήμη της διαδικασίας, η O'Connor επινόησε με επιτυχία μια μέθοδο ηλεκτροεξαγωγής. Αντί της υδρομεταλλουργικής μεθόδου που χρησιμοποιεί ισχυρά χημικά ή της μεθόδου της πυρομεταλλουργίας - και οι δύο είναι επίσης υψηλής έντασης σε εκπομπές άνθρακα - το σύστημα της O'Connor χρησιμοποίησε ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια για να διαχωρίσει το λίθιο, το κοβάλτιο, το νικέλιο και το μαγγάνιο που περιέχονται σε τεμαχισμένο υλικό μπαταριών.

Συνδυάζοντας τον ηλεκτρισμό με το φιλτράρισμα του νερού, η διαδικασία χρησιμοποίησε ένα βασικό φίλτρο νερού από άνθρακα, σαν αυτό που χρησιμοποιείται σε μια πισίνα. Μετά τον τεμαχισμό και τα περαιτέρω στάδια επεξεργασίας, ένα υδατικό διάλυμα που περιέχει το υλικό της καθόδου, ωθείται μέσω του φίλτρου. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα μεταβαλλόμενης τάσης, διαχωρίζοντας επιλεκτικά τα μέταλλα, τα οποία καταλήγουν στο κάτω μέρος του φίλτρου.

Παρόμοια με τον Wang, η O'Connor αναζήτησε πρακτικές, βιομηχανικές εφαρμογές για την έρευνά της. Ενώ ο Wang οραματίστηκε ένα επιχειρηματικό μοντέλο βασισμένο στην ανακύκλωση μπαταριών μεγάλης κλίμακας, η O'Connor σκέφτηκε σε μικρότερες κλίμακες. «Ξεκινώντας με την ιδέα ενός φίλτρου νερού σε οικιακό μέγεθος, η προσέγγισή μου ήταν πάντα μικρή και ευέλικτη», λέει η O'Connor. «Η ηλεκτροεξαγωγή έχει τη δυνατότητα να επιφέρει αναταράξεις στη βιομηχανία, αλλά η τεχνολογία μας συμπληρώνει τις μεγάλες εταιρείες αντί να τις ανταγωνίζεται».

Το σύστημα της O'Connor είχε πολλά πλεονεκτήματα. Το πρώτο ήταν ότι «θα μπορούσαμε να πάμε εκεί που είναι οι μπαταρίες», λέει. Αντί να μεταφέρονται οι χρησιμοποιημένες μπαταρίες ή άλλα ηλεκτρονικά απορρίμματα σε μια κεντρική τοποθεσία, η τεχνολογία της O'Connor θα μπορούσε να λειτουργήσει σε τοπικές εγκαταστάσεις ανακύκλωσης, χρησιμοποιώντας εμπορικά διαθέσιμα φίλτρα άνθρακα, τροποποιημένα για να διαχωρίζουν το κοβάλτιο, το νικέλιο και άλλες πολύτιμες πρώτες ύλες. Όλος ο εξοπλισμός ήταν συμπαγής, στεγασμένος σε μια μονάδα επιφάνειας 100 τετραγωνικών που χρειαζόταν δύο χειριστές για να λειτουργήσει.

Ο χρόνος ανάπτυξης της τεχνολογίας από την O'Connor ήταν ευνοϊκός. Στα μέσα της δεκαετίας του 2010, η δυναμική προς τα ηλεκτρικά οχήματα, τις μπαταρίες λιθίου και την αναμόρφωση του δικτύου ηλεκτροδότησης, είχε αρχίσει να αυξάνεται. Οι νεοφυείς επιχειρήσεις «πράσινης» ενέργειας αναδύονταν σε όλο τον ανεπτυγμένο κόσμο και οι επενδυτές ακολούθησαν με ανυπομονησία.

Οι O'Connor, Plata και Vecitis ίδρυσαν την Nth Cycle, μια εταιρεία επεξεργασίας μετάλλων που χρησιμοποιεί τεχνολογία ηλεκτροεξαγωγής για να ανακτήσει μια σειρά μετάλλων και υλικών τόσο στη βιομηχανία ανακύκλωσης όσο και στη βιομηχανία εξόρυξης. Η έγκαιρη υποστήριξη προήλθε από τη χρηματοδότηση του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ και του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών. Το 2021, η εταιρεία συγκέντρωσε 12,5 εκατομμύρια δολάρια από ιδιωτική χρηματοδότηση.

Κατά την ανακοίνωση της επένδυσης της εταιρείας του στην Nth Cycle, ο συνιδρυτής και διευθύνων σύμβουλος της VoLo Earth, Joseph Goodman, δήλωσε: «Δεν υπάρχει περίπτωση να επιτύχουμε τους επείγοντες στόχους της ηλεκτροκίνησης και της εξάλειψης των εκπομπών άνθρακα χωρίς ευρεία ανάπτυξη τεχνολογιών όπως αυτή της Nth Cycle για τη βελτίωση των οικονομικών και περιβαλλοντικών επιπτώσεων του τρόπου που εξάγουμε κρίσιμες πρώτες ύλες».

Η εταιρεία σχεδιάζει να ξεκινήσει την ανάπτυξη μονάδων ηλεκτροεξαγωγής σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις εντός του τρέχοντος έτους. Η O'Connor στοχεύει αρχικά μεσαίου μεγέθους περιφερειακά κέντρα που συλλέγουν τις χρησιμοποιημένες μπαταρίες. «Αλλά η τεχνολογία μας θα μπορούσε να προσθέσει αξία σε μια εγκατάσταση οποιουδήποτε βεληνεκούς ή μεγέθους», λέει. «Θα μπορούσα να μας δω να δουλεύουμε με την Apple. Για παράδειγμα, αφού η Daisy διανέμει το υλικό που έχει ανακτηθεί σε διάφορους κάδους, οι μονάδες μας θα μπορούσαν να βοηθήσουν στον καθορισμό και τη βελτίωση των πρώτων υλών».

Ανεξάρτητα από το εάν η τεχνολογία Nth Cycle και η ηλεκτροεξαγωγή βρουν μία θέση στο Materials Recovery Lab της Apple, η O'Connor, η οποία κέρδισε μια θέση στην περίφημη λίστα Forbes 30 Under 30 για το 2019, αποτελεί πρότυπο για τους νέους επιστήμονες και μηχανικούς. «Οι νέοι μηχανικοί με νέες ιδέες, οι επιχειρηματίες με τις νεοφυείς επιχειρήσεις τους, διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο», λέει ο Διευθύνων Σύμβουλος της Ascend, O'Kronley.

«Δεν θα επιβιώσουν όλες οι νεοφυείς επιχειρήσεις και δεν θα αποδειχθούν όλες οι τεχνολογίες βιώσιμες, αλλά για να ανταποκριθούμε σε αυτήν την πρόκληση, να δημιουργήσουμε δηλαδή και να διατηρήσουμε μια βιώσιμη, αξιόπιστη αλυσίδα εφοδιασμού για τα κρίσιμα υλικά που θα χρειαστούμε για μια πράσινη κυκλική οικονομία, χρειαζόμαστε όλοι διάφορες ιδέες από κάθε είδους ανθρώπους».

Πηγή: PopularMechanics.com

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR
Image

Έγκυρη ενημέρωση για την αξιακή αλυσίδα των raw materials

NEWSLETTER