-->

Τρίτη, 19 Μαΐου 2020

Βασικά Ορυκτά και Μέταλλα: Γιατί δεν μπορούμε να ζήσουμε χωρίς αυτά!

Δημήτρη Κ. Κωνσταντινίδη, Δρα Οικονομικής Γεωλογίας

Εικ.1.Τα συνηθέστερα χρησιμοποιούμενα μέταλλα σε σπίτι και αυτοκίνητο

Εισαγωγή. Τα ορυκτά και τα μέταλλα αποτελούν αναπόσπαστο μέρος της ανθρώπινης εξέλιξης από τότε που το ανθρώπινο είδος ζούσε στις σπηλιές. Ήδη από τη Λίθινη Εποχή, οι άνθρωποι χρησιμοποιούσαν ευρέως την πέτρα για να φτιάξουν εργαλεία. Για παράδειγμα, ο πυρόλιθος (μορφή σκληρού ιζηματογενούς χαλαζία) και η λυδία λίθος χρησιμοποιήθηκαν ως εργαλεία κοπής και ως πρωτόγονα όπλα. Στο τέλος της εποχής αυτής, κάποια ιζήματα, π.χ. η άργιλος, αποτέλεσαν την πρώτη ύλη για να παραχθούν διάφορα αγγεία. Ο όρος Λίθινη Εποχή σηματοδοτεί για τους αρχαιολόγους τη μακρά προ-μεταλλουργική περίοδο (από τρία εκατομμύρια χρόνια π.Χ. μέχρι την 4η χιλιετία π.Χ.), κατά τη διάρκεια της οποίας τα λίθινα εργαλεία κυριαρχούσαν έναντι εκείνων που κατασκευάζονταν από κάποιο άλλο υλικό.

Από την πέτρα στα μέταλλα. Με τον εντοπισμό και επεξεργασία του χαλκού ή των κραμάτων του (κυρίως ορείχαλκου), η πέτρα παραχώρησε στα μέταλλα τη κυρίαρχη θέση της στην κατασκευή εργαλείων, όπλων και σκευών. Με αυτά φτιάχτηκαν περισσότερα και πιο βελτιωμένα προϊόντα. Εξάλλου, η χρήση του επηρέασε τη γεωργία, το κυνήγι, την ξυλουργική, καθώς και την τότε αρχιτεκτονική και ναυπηγική. Από την άλλη, δυστυχώς, ο χαλκός έπαιξε σημαντικό ρόλο και στις πολεμικές συρράξεις με την απώλεια πολλών ανθρώπινων ζωών.

Ακολούθησε η Εποχή του Σιδήρου, κατά την οποία ο άνθρωπος χρησιμοποίησε κυρίως το σίδηρο για την παραγωγή εργαλείων και όπλων. Ο σίδηρος άρχισε να αποκτά σημασία στο τέλος της 2ης χιλιετίας π.Χ. Ωστόσο, η μετάβαση σε αυτό το μέταλλο ήταν σταδιακή. Μόνο γύρω στο 1000 π.Χ., ο σίδηρος αντικατέστησε εντελώς τη χρήση ορείχαλκου, όπως π.χ. στη Μέση Ανατολή.

Η καταγραφή της ιστορικής εξέλιξης της ανθρωπότητας, αναφορικά με τη χρήση ορυκτών πρώτων υλών (ΟΠΥ), θα απαιτούσε τη συγγραφή ενός ή περισσότερων βιβλίων. Γι’ αυτό, ας αφήσουμε το παρελθόν στους ιστορικούς, και ας δούμε το παρόν.

Από τα μέταλλα και ορυκτά στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Είναι γνωστό πως σχεδόν όλα τα πράγματα που βρίσκεται γύρω μας αποτελούνται από πετρώματα, ορυκτά και μέταλλα. Τα σπίτια και τα γραφεία που μένουμε, οι αγωγοί νερού και ηλεκτρικού ρεύματος που τα τροφοδοτούν, τα μέσα επικοινωνίας και μεταφοράς, οι ηλεκτρονικοί μας υπολογιστές και τα κινητά μας τηλέφωνα, τα συμπληρώματα της διατροφής μας και άλλα αμέτρητα αντικείμενα είναι κατασκευασμένα από ΟΠΥ, τις οποίες πρώτα εντοπίζουν οι γεωλόγοι-κοιτασματολόγοι και μετά εξορύσσουν και επεξεργάζονται οι μηχανικοί μεταλλείων και οι μεταλλουργοί. Βέβαια, μία άλλη σύγχρονη πηγή, κυρίως των μετάλλων, προέρχεται από την ανακύκλωση και αυτό επειδή τα μέταλλα μπορούν να ανακυκλωθούν επανειλημμένα χωρίς να χάσουν τις ιδιότητές τους.

Για να αντιληφθούμε την εξάρτηση μας από τις ΟΠΥ, αρκεί να αναφέρουμε ότι, με βάση το σημερινό επίπεδο κατανάλωσης στις ΗΠΑ [1], το κάθε νεογέννητο βρέφος στην Αμερική θα χρειαστεί κατά τη διάρκεια της ζωής του (με μέσο όρο επιβίωσης τα 78 χρόνια) 363 κιλά μολύβδου, 340 κιλά ψευδάργυρου, 680 κιλά χαλκού, 1.630 κιλά αλουμινίου, 14.830 κιλά σιδήρου, 12.050 κιλά αργίλου, 12.780 κιλά αλατιού και 561.550 κιλά πέτρας/άμμου/χαλικιού/τσιμέντου.

Ωστόσο, αν μετακινηθούμε από τη μακρινή Αμερική σε ένα απλό της σπίτι της Παλλουριώτισσας μας περιτριγυρίζουν δεκάδες ορυκτά και μέταλλα, χωρίς καν να το συνειδητοποιούμε. Αν προσθέσουμε στο σπίτι και το αυτοκίνητο προκύπτει η ποικιλία των μετάλλων, ορυκτών και πετρωμάτων της Εικ. 1.

Τα συνηθέστερα ορυκτά και μέταλλα. Στη δημοσίευση αυτή, θα περιοριστούμε στα βασικά ορυκτά και μέταλλα, τα οποία χρησιμοποιεί η ανθρωπότητα. Σε ό,τι αφορά στη χρήση λιγότερα γνωστών ορυκτών, όπως οι σπάνιες γαίες και άλλες κρίσιμες για τη μελλοντική εξέλιξη πρώτες ύλες, θα επανέλθουμε με πιο εξειδικευμένες δημοσιεύσεις.

Εικ. 2-3ː Χάλκινα κέρματα της Ευρωπαϊκής Ένωσης (Εικ. 2) και πλάκες καθαρού χαλκού από το μεταλλείο της Σκουριώτισσας (Εικ. 3). Φωτ.ː Δ. Κωνσταντινίδης
Χαλκός . Από το 3.000 π.Χ., ο χαλκός έχει διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στην τροφοδοσία της καθημερινής μας ζωής και στη λειτουργία του κόσμου. Σήμερα ο χαλκός είναι το πιο σημαντικό μέταλλο, αφού χρησιμοποιείται σε πλήθος εφαρμογών, από τις ηλεκτρικές καλωδιώσεις στα σπίτια μας, τα αυτοκίνητα έως τις κατσαρόλες στις κουζίνες μας. Χάρη στις αντιμικροβιακές του ιδιότητες, ο χαλκός μπορεί να καταπολεμήσει και τα βακτηρίδια [2]. Ωστόσο, η πιο συχνή επαφή μας με το χαλκό είναι τα ευρωπαϊκά κέρματα των 1, 2 και 5 σεντς, τα οποία κρατάμε στα χέρια μας καθημερινά (Εικ. 2).

Στα κοιτάσματα ο χαλκός απαντάται ως αυτοφυές μέταλλο ή σε πολλά ορυκτά του, από τα οποία ανακτάται μετά την εξόρυξη και επεξεργασία τους. Βρίσκεται στο υπέδαφος σε πολύ μεγάλες ποσότητες. Αρκετά ορυκτά του χρησιμοποιήθηκαν στην αρχαιότητα ως φάρμακα, που κατέστησαν την Κύπρο ένα από τα μεγαλύτερα θεραπευτικά κέντρα της Ανατολικής Μεσογείου [2]. Σήμερα η μοναδική παραγωγή καθόδων καθαρού χαλκού (Εικ. 3), με την τεχνολογία της εκχύλισης σε σωρούς, χημικής επεξεργασίας κυοφορούντος διαλύματος και ηλεκτρόλυσης, γίνεται από τα Ελληνικά Μεταλλεία Χαλκού στο κοίτασμα της Σκουριώτισσας [3]. Μετά την επαναλειτουργία του μεταλλείου το 1996, η μεγαλύτερη παραγωγή καθόδων χαλκού ήταν το 1999 με 5.260 τόνους, ενώ το 2018 μόλις και έφθασε τους 908 τόνους [4].Η παγκόσμια παραγωγή χαλκού το 2018 έφθασε τα 20,43 εκατομμύρια τόνους, από τους οποίους το 42% προήλθε από τη Λατινική Αμερική [5].
Εικ. 4ː Αντικείμενα της καθημερινής μας ζωής από ανοξείδωτο ατσάλι. Φωτ.ː Δ. Κωνσταντινίδης

Σίδηρος. Όπως προαναφέρθηκε, η χρήση του σιδήρου άρχισε από το τέλος της 2ης χιλιετίας π.Χ. Σήμερα είναι το κύριο συστατικό του χάλυβα, που αποτελεί ένα από τους ακρογωνιαίους λίθους της βιομηχανικής μας κοινωνίας. Ως σιδηρομαγνητικό υλικό χρησιμοποιείται συχνότερα στις γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας, που αποτελεί ένα εξίσου σημαντικό παράγοντα της βιομηχανίας. Είναι ένα συστατικό πολλών χρήσιμων χημικών προϊόντων, καθώς και ένα ζωτικό θρεπτικό στοιχείο του ανθρώπινου οργανισμού και το μέσο ανταλλαγής οξυγόνου και διοξειδίου του άνθρακα στο αίμα μας. Διάφορες μορφές σιδήρου χρησιμοποιούνται για την παρασκευή φαρμάκων, π.χ. του θειικού και φουμαρικού σιδήρου κ.α.

Επίσης, χρησιμοποιείται στη γεωργική παραγωγή, επειδή είναι ένα σημαντικό συστατικό των φυτών. Ωστόσο, οι γνωστότερες σε εμάς χρήσεις του είναι τα επιτραπέζια και κουζινικά σκεύη, η τοστιέρα, η ηλεκτρική κουζίνα, οι βελόνες, οι σωλήνες, τα καλοριφέρ, τα κάγκελα κ.α. (Εικ. 4), που χρησιμοποιούνται στα σπίτια μας και τα οποία αποτελούνται συνήθως από ανοξείδωτο ατσάλι που περιέχει βασικά σίδερο.

Περιττό να επαναλάβουμε ότι τα περισσότερα τμήματα των αυτοκινήτων, όπως τα έμβολα (πιστόνια), τα καλώδια, οι τροχοί, τα ρουλεμάν και άλλα, αποτελούνται από σίδερο. Το ίδιο περίπου ισχύει και για τα πλοία. Τέλος, θα αναφερθούμε σε κάτι που πρακτικά αγνοείται στην Κύπρο, αλλά έχει τεράστια σημασία για τις περισσότερες χώρες του κόσμου. Ο σίδηρος είναι το βασικό υλικό των σιδηροδρομικών γραμμών. Αυτές, όχι μόνο συνδέουν τις κοινότητες και τις οικογένειες μεταξύ τους, αλλά εξυπηρετούν και τις επιχειρήσεις μεταφέροντας προϊόντα, υπηρεσίες και φορτία που χρειάζονται για να τροφοδοτήσουν τον κόσμο.

Όπως και ο χαλκός, ο σίδηρος απαντάται στα πετρώματα σε αφθονία, γεγονός που διευκολύνει τον εντοπισμό και την εκμετάλλευση του. Η παγκόσμια παραγωγή σιδήρου το 2018 έφθασε τα 3.3 δισεκατομμύρια τόνους, με την Κίνα, την Αυστραλία και Βραζιλία να είναι επικεφαλής των χωρών-παραγωγών/χρηστών. Τα παγκόσμια αποθέματα σιδηρομεταλλευμάτων εκτιμώνται σε περισσότερα από 800 δισεκατομμύρια τόνους, από τα οποία μπορούν να εξαχθούν περισσότεροι από 230 δισεκατομμύρια τόνοι καθαρού σιδήρου [6]. Στην Κύπρο δεν υπάρχει πρωτογενής παραγωγή σιδήρου.

Αλουμίνιο. Ο βωξίτης είναι πέτρωμα, δηλαδή ένας συνδυασμός ορυκτών, από την εξόρυξη και επεξεργασία του οποίου προέρχεται το αλουμίνιο. Το αλουμίνιο είναι μέταλλο με εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες για αυτό έχει προκαλέσει τεχνολογική επανάσταση σε πολλούς βιομηχανικούς τομείς, όπως της αεροδιαστημικής, της αυτοκινητοβιομηχανίας, της οικοδομής, της επικοινωνίας, κ.α.
Εικ. 5ː Η σύσταση των σημερινών και αυριανών SUV (Sport Utility Vehicle) αυτοκινήτων με στόχο τη μείωση του βάρους και των εκπομπών CO2. Πηγήː [7]
Η πιο σημαντική, ωστόσο, είναι η χρήση αλουμινίου με τη μορφή κραμάτων, το πιο γνωστό από τα οποία είναι αναμφίβολα το κράμα με μαγνήσιο, χαλκό και μαγγάνιο, γνωστό ως duralumin. Σε σύγκριση με το αλουμίνιο, αυτό το υλικό έχει πολύ μεγαλύτερη αντοχή και σκληρότητα, ενώ ταυτόχρονα είναι εξαιρετικά ανθεκτικό στη διάβρωση. Όλες αυτές οι ιδιότητες καθιστούν το duralumin ως ιδανικό υλικό για την αεροδιαστημική και την αυτοκινητοβιομηχανία, αλλά το συναντάμε και στην κατασκευή ανελκυστήρων, ποδηλάτων, ελαφρών σκαλών, κάγκελων και σε πολλές άλλες εφαρμογές.

Στην αυτοκινητοβιομηχανία μαίνεται ένας ανταγωνισμός ανάμεσα στο σίδηρο (χάλυβα) και στο αλουμίνιο. Οι κατασκευαστές αυτοκινήτων επενδύουν σημαντικά ποσά στην έρευνα για την ανάπτυξη νέων κραμάτων και υλικών με βελτιωμένες ιδιότητες, καθώς και την τελειοποίηση των τεχνικών συγκόλλησης και διαμόρφωσης του σχήματος διαφόρων τμημάτων του αυτοκινήτου. Αυτές οι προσπάθειες έχουν έναν κοινό στόχο: ελαφριά οχήματα και μειωμένη εκπομπή CO2, δεδομένου ότι η αυτοκινητοβιομηχανία θα πρέπει να πληροί αυστηρά πρότυπα εκπομπών. Για την επίτευξη αυτού του στόχου απαιτείται ένα μείγμα από διάφορα κράματα αλουμινίου και χάλυβες υψηλής αντοχής, μαγνήσιο, σύνθετα υλικά (ανθρακονήματα) και διάφορα πλαστικά. Η σε εξέλιξη υποκατάσταση του χάλυβα από το αλουμίνιο φαίνεται στην Εικ. 5.

Το αλουμίνιο είναι το τρίτο πιο άφθονο στοιχείο στο φλοιό της γης. Υπολογίζεται ότι απαρτίζει το 7,5-8,3% του φλοιού [8]. Ωστόσο, η βιομηχανική του παραγωγή ήταν μια πολύ δύσκολη διαδικασία. Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι το στοιχειακό αλουμίνιο δεν μπορεί απλά να ανακτηθεί από το μετάλλευμά του με απλή μεταλλουργική επεξεργασία, όπως ο σίδηρος σε υψικαμίνους με τη βοήθεια του άνθρακα. Μόνο η βιομηχανική ηλεκτρόλυση του τήγματος των μεταλλευμάτων επέτρεψε τον πολλαπλασιασμό της παραγωγής καθαρού αλουμινίου. Πρόκειται για ένα «πράσινο» υλικό το οποίο μπορεί να ανακυκλωθεί απεριόριστα, διατηρώντας τα χαρακτηριστικά του χωρίς καμία ποιοτική υποβάθμιση. Η ενέργεια που απαιτείται για την ανακύκλωσή του είναι μόνο το 5% εκείνης που καταναλώνεται στην αρχική του ανάκτηση.

Επομένως, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι στην Ευρώπη το 75% του αλουμινίου που χρησιμοποιείται στις κατασκευές προέρχεται από την ανακύκλωση του. Εξάλλου, με βάση την προβλεπόμενη κατανάλωση, η ποσότητα αλουμινίου που διατίθεται για ανακύκλωση, μετά την αρχική κατανάλωση του, θα υπερδιπλασιαστεί έως το 2050. Θα αυξηθεί από 3,6 εκατομμύρια τόνους ετησίως το 2019 σε 8,6 εκατομμύρια τόνους έως το 2050 [9].

Επίλογος. Η ανασκόπηση αυτή δεν αποτελεί παρά μια εισαγωγή στο τεράστιο αντικείμενο συζήτησης που αφορά στα ορυκτά και μέταλλα. Στόχος μου είναι να συνεχίσω αυτή την έρευνα και κυρίως να μοιραστώ τα δεδομένα της με όσους τυχόν ενδιαφέρονται για τα βασικά συστατικά της γης και της ζωής μας.

*δημοσιεύθηκε την Κυριακή 17 Μαΐου στην Κυπριακή εφημερίδα "Φιλελεύθερος".

Πηγές και σύνδεσμοι
[2]  Κωνσταντινίδης, Κ.Δ., 2020: Αes Cyprium: Ο ρόλος του στην ιατρική από την Εποχή του Χαλκού μέχρι και τον COVID-19, σύνδεσμοι https://www.oryktosploutos.net/2020/04/es-cyprium-covid-19.html και https://www.oryktosploutos.net/2020/04/es-cyprium-covid-19_26.html  
[3] http://hcm.com.cy/site/
[4] http://www.moa.gov.cy/moa/mines/minesSrv.nsf/dmlindex_gr/dmlindex_gr?OpenDocument

[6] U.S. Geological Survey, 2019, Mineral commodity summaries 2019: U.S. Geological Survey, 200 p., https://doi.org/10.3133/70202434
[9] https://www.european-aluminium.eu/