Hitskin.com
2024-11-08, 10:09 pm من طرف محمد بن يوسف الزيادي
قصة الألمنيوم
من الألف إلى الياء
خالد العنانزة
مَنْ منَّا لا يعرفه؟ نجده في بيوتنا ومطابخنا وسياراتنا ويتداخل مع كل الأجسام التي تحيط بنا. أُطلق عليه اسم (المعدن النفيس ) و(المعدن السحري) وربما يستغرب كثير من الناس أنه كان في يوم من الأيام أغلى من الذهب والفضة والبلاتين، إنه الألمنيوم.. المعدن القديم إلاّ أن تطبيقاته واستخداماته في تزايد، كما تتزايد الأسئلة عن قصته ومميّزاته! هذا ما يجيب عنه المهندس خالد العنانزة في هذه المقالة معرّجاً على تاريخ الألمنيوم ومصادره.
يُعد الألمنيوم من أكثر العناصر الفلزية توافراً في القشرة الأرضية، حيث يأتي في المرتبة الثالثة بعد الأوكسجين والسليكون وبنسبة %8.3، ولا يوجد في الطبيعة بشكل منفرد نظراً لقدرته القوية على الارتباط بالأوكسجين، لذلك يوجد الألمنيوم في الصخور والقشرة الأرضية على شكل أكاسيد وسيليكات، ويتم الحصول عليه بتنقيته من الخامات المعدنية.
ومنذ اللحظة التي تم فيها فصل الألمنيوم من خاماته وتحديد خصائصه في منتصف القرن التاسع عشر لم يكن للعلماء الأوائل شك في أن هذا المعدن ستكون له قيمة في المستقبل، وفعلاً أصبح الألمنيوم من أهم المعادن المستخدمة بشكل واسع في جميع أنحاء العالم في قطاعات النقل والصناعة والاتصالات والتطبيقات المنزلية والعسكرية. وتنمو حالياً وتيرة استخدامه أسرع من أي معدن آخر، ويبلغ متوسط استهلاك الفرد من الألمنيوم 25 كغم في الولايات المتحدة الأمريكيـة و20 كغم في ألمانيا و30 كغم في كندا. وفي الحقيقة إذا نظرنا حولنا فإن العالم الحديث سيكون غريباً دون الألمنيوم.
المعدن السحري
في منتصف القرن التاسع عشر كان الألمنيوم يُعد من المعادن النفيسة وذا قيمة أكبر من الذهب والفضة والبلاتين، لأن إنتاجه كان مكلفاً ومحدوداً، وكانت الأدوات المصنوعة من الألمنيوم مثل أدوات المائدة غالية الثمن ولا يقدر على شرائها غير الأغنياء. ويذكر المؤرخون أن نابليون الثالث إمبراطور فرنسا أقام مأدبة طعام أعطى فيها الضيوف الأكثر شرفاً أواني من الألمنيوم وأعطى الآخرين أواني من الذهب، وفي عام 1884م اكتمل نُصُب واشنطن التذكاري باستخدام 100 أوقية من الألمنيوم باعتباره اللمسة الأخيرة في حفل متقن. وكان ينظر لإنتاج الألمنيوم في ذلك الوقت بأنه معجزة علمية، لذلك تم عرض أول قضيب من المعدن النفيس تم تصنيعه بطريقة (هنري ديفيل) في معرض باريس الدولي عام 1855م إلى جانب جواهر التاج الإنجليزي. وقد أدى عرض الألمنيوم في معرض باريس الدولي إلى إشعال خيال صانعي الجواهر والساعات وصاغة الفضة في مستقبل واعد للألمنيوم، واستمر ظهور الألمنيوم بين الأعوام (1850 و1870م) في أغراض ترفيهية مثل الأساور والميداليات والأقداح.
شيء من تاريخ الألمنيوم
إن كلمة الألمنيوم مشتقة من الكلمة اللاتينية ألومين (Alumen) ومعناها حجر الشب، وهي عبارة عن مسحوق أبيض اللون يحتوي على الألمنيوم وعناصر أخرى مثل الكبريت والبوتاسيوم. وقد عرفت أملاح الشب منذ الحضارات القديمة، واستخدمها الأطباء الرومانيون القدماء في تضميد جروح الجنود المصابين في المعارك، وفي العصور الوسطى استعملت لمعالجة وتجفيف جلود الحيوانات الميتة. في عام 1787م توقع العلماء أن هناك معدناً مجهولاً يوجد في مسحوق الشب، وفي بداية القرن التاسع عشر أطلق الكيميائي البريطاني (همبري دافي) على المعدن المجهول اسم الألمنيوم ولم تكن هناك طريقة معروفة للحصول على هذا المعدن حتى عام 1825م عندما تمكن الكيميائي الدانماركي (هانس أورستد) من إنتاج كميات قليلة من الألمنيوم، وبعدها بسنتين استطاع كيميائي ألماني يدعى (فردريك هولر) تطوير طريقة ذات فعالية أكبر في الحصول على المعدن. وبحلول عام 1845م استطاع إنتاج كميات كبيرة من الألمنيوم والتعرف إلى كثافته وإحدى أهم خصائصه الفريدة وهي خفة الوزن.
في عام 1854م تم تطوير طريقة هولر من قبل كيميائي فرنسي يدعى (هنري ديفيل) فتحت آفاقاً واسعة في استخلاص الألمنيوم على أساس تجاري، وعلى إثرها انخفض سعر كيلو غرام الألمنيوم من 1200 دولار في عام 1852م إلى 40 دولاراً في عام 1859م. وقد ازداد الإنتاج العالمي من الألمنيوم بصورة كبيرة خلال الحربين العالميتين الأولى والثانية نتيجة زيادة الدول المتحاربة لإنتاجها لتغطية الاحتياجات المتزايدة منه للأغراض الحربية. وفي منتصف القرن العشرين تطورت صناعة الألمنيوم وأصبحت شائعة ومألوفة وظهر أول إنتاج لرقائق الألمنيوم عام 1947م كما بدأ إنتاج أسلاك الألمنيوم المستخدمة في محطات القوى الكهربائية عام 1957م. وفي الستينيات من القرن الماضي أصبحت العلب المصنوعة من الألمنيوم شائعة الاستخدام، وفي الوقت الحالي أصبح الألمنيوم يدخل في تطبيقات واسعة تتراوح من علب المشروبات إلى هياكل المدرعات والطائرات.
مصادر الألمنيوم
إن أفضل مصدر اقتصادي للحصول على الألمنيوم من خاماته الأساسية هو خامات البوكسيت التي تحتوي على أكسيد الألمنيوم (الألومينا) والماء وأكاسيد الحديد والتيتانيوم والسليكا بكميات مختلفة، ويتراوح لونها من الأبيض إلى البني حسب محتواها الكيميائي. وتوجد خامات البوكسيت عادة في أستراليا، وإفريقيا، والصين، وأمريكيا الجنوبية. تتم تنقية البوكسيت باستخدام طريقة باير، وهذه العملية تتضمن فصل الألومنيا (مصدر الألمنيوم) عن أكاسيد الحديد والتيتانيوم والسيليكا، وهي منتجات جانبية للعملية وتسمى الطين الأحمر يتم التخلص منها باعتبارات بيئية مشددة. الجدير بالذكر أن 2 – 3 طن من البوكسيت نحتاج لإنتاج 1 طن من الألومينا، أما استخلاص الألمنيومِ مِنْ أوكسيدِ الألمنيوم (الألومينا) فيتم تحقيقه بواسطة عملية التحليل الكهربائي التي تتكون من خلية أو وعاء تتكون من صفيحة فولاذية مطلية بالكربون وهذه الصفيحة تشكل الكاثود (المهبط) وقطب مستهلك من الكربون يشكل الأنود (المصعد) حيث يُعلق في محلول سائل الكروليت ( فلوريد المنيوم صوديوم) عند درجة حرارة حوالي 950 درجة مئوية حتى تتم إذابة الألموينا في الكروليت عن طريق تمرير جهد منخفض وتيار مرتفع خلال الخلية وهذا يؤدي إلى ترسيب الألمنيوم النقي على الكاثود (المهبط). وتتسم صناعة الألمنيوم عموماً بأنها كثيفة الاستخدام للطاقة الكهربائية، ولذلك فإن صناعة الألمنيوم الأولي تميل إلى التركز في الدول التي تتوفر بها مصادر رخيصة للطاقة.
الجمع بين القوة وخفة الوزن
الألمنيوم معدن خفيف الوزن يمكن تشكيله وسحبه على شكل ألواح سميكة أو رقيقة أو أسلاك، وهو مقاوم للتآكل بفعل الظروف الجوية أو المواد الكيميائية. تعود قدرة الألمنيوم الممتازة على مقاومة التآكل إلى الطبقة السطحية الرقيقة غير النفاذة والمتماسكة من أكسيد الألمنيوم التي تتشكل عندما يتعرض الفلز للهواء، مما يمنع استمرار عملية الأكسدة. والألمنيوم جيد التوصيل للحرارة والكهرباء، وعلى الرغم من خفة وزنه (تبلغ كثافته ثلث كثافة الفولاذ) وليونته وصلابته المحدودة إلا أنه عند تشكيله على هيئة سبائك مكونة من الألمنيوم المضاف إليه كميات من النحاس والمغنيسيوم والزنك والمنجنيز والسليكون والقصدير فإنها تضيف إليه قوة وصفات خاصة يمكن أن تتجاوز في بعض الحالات قوة الفولاذ الصلب.
تدوير الألمنيوم Recycling
يتميز معدن الألمنيوم بأنه من الممكن إعادة استخدام المكوّن المعدني للمنتجات المصنَّعة منه في نهاية عمرها لمرات عديدة دون أن تتأثر نوعية المحتوى المعدني. وتحقق عملية تصنيع المنتجات من مادة الألمنيوم بهذا الشكل فوائد عديدة على المستوى الدولي وبصفة خاصة يتم من خلال عمليات إعادة تدوير الألمنيوم تحقيق وفورات في المواد الخام والطاقة الكهربائية المستخدمة في تصنيع الألمنيوم الأولي، غير أن الأمر لا يقتصر على ذلك فهناك عدد من الفوائد التي تترتب على عملية إعادة تدوير الألمنيوم يمكن تلخيصها كالتالي:
• عملية تدوير كيلوغرام واحد من الألمنيوم يمكن أن توفر حوالي 8 كيلوغرامات من خام البوكسيت و4 كيلوغرامات من المواد الكيميائية وحوالي 14 كيلو واط/ساعة من الكهرباء.
• جميع منتجات الألمنيوم يمكن إعادة تدويرها بصورة مستمرة مثل علب الألمنيوم وورق الألمنيوم Foil وهياكل الشبابيك والأثاث المعدني والمكونات المستخدمة في الطائرات والسيارات، حيث يمكن إذابة هذه المنتجات وإعادة استخدامها مرة أخرى في نفس المنتجات، فمثلاً علب الألمنيوم يعاد تدويرها لصناعة علب جديدة وشبابيك الألمنيوم يعاد تدويرها لصناعة شبابيك جديدة وهكذا، ويكفي القول إن معدل تدوير الألمنيوم قد بلغ في بعض الدول أكثر من %70.
• خردة الألمنيوم يتم تجميعها في كافة مراحل التصنيع، وعلى العكس من باقي المعادن فإن الألمنيوم الخردة له قيمة عالية.
• عملية تدوير علب المرطبات تقلل من المخلفات حيث توفر الطاقة والموارد الطبيعية وتقلل من المساحات المخصصة للتخلص من المخلفات فضلاً عن أنها توفر دخلاً إضافياً للقائمين على إعادة التدوير.
ويتضح من الجدول أدناه أن إنتاج الألمنيوم الأولي ارتفع من 38 مليون طن متري عام 2007م إلى 45 مليون طن متري عام 2012م. وبمقارنة إنتاج الألمنيوم المعاد تدويره إلى إجمالي الإنتاج العالمي للألمنيوم الأولي نجد أن نسبة الألمنيوم المعاد تدويره تصل في المتوسط من 10 إلى %20 من إجمالي الإنتاج العالمي من الألمنيوم الكلي. ووفقاً لإحصاءات معهد الألمنيوم العالمي، فإن الاحتياج العالمي من الألمنيوم سيكون 100 مليون طن بحلول عام 2020م ومن المتوقع أن تشكِّل نسبة الألمنيوم المعاد تدويره من هذا الرقم حوالي %30. إن تزايد معدلات إعادة تدوير الألمنيوم على المستوى العالمي وبمعدلات أعلى من النمو في إنتاج الألمنيوم الأولي يعود إلى الوعي البيئي المتزايد بأهمية الحفاظ على البيئة. أما في منطقتنا العربية فتشير إحصاءات مجلس الألمنيوم الخليجي أن إنتاج الألمنيوم في دول مجلس التعاون الخليجي تجاوز 5 ملايين طن سنوياً بحلول عام 2013م، ولا تتجاوز فيه نسبة الألمنيوم المعاد تدويره عن %2 وهذه إشارة لفرصة مهمة لتطوير نشاطات تدوير الألمنيوم في المنطقة.
سبائك الألمنيوم
الألمنيوم معدن ناعم ومرن ومعظم التطبيقات الهندسية تتطلب قوة أكثر مما يوفرها الألمنيوم النقي، وهذا يتم عن طريق إضافة عناصر كيميائية أخرى لإنتاج سبائك جديدة تتمتع بخصائص ومواصفات جديدة، وبذلك يمكن تعريف السبيكة alloy بأنها مادة جديدة تتكون من معدنين مختلفين أو أكثر. وتمتلك السبيكة الجديدة خصائص تختلف عن المعادن المكونة لها مثل القوة، مقاومة التآكل، قابلية التشكيل، وغيرها. ومن أشهر المعادن التي ترتبط مع سبائك الألمنيوم النحاس، المنغنيز، السليكون، المغنيسيوم، الزنك وغيره، وعادة تسجل سبائك الألمنيوم في جمعية الألمنيوم العالمية aluminum association وتصنف بواسطة نظام من الأرقام يبين محتوى السبيكة من العناصر الأساسية بالإضافة لخصائصها لاستخدامها في تطبيقات مناسبة. ويعمل الباحثون والمهندسون والعلماء المتخصصون في علم المواد الهندسية بجهود حثيثة في كافة أنحاء العالم على تطوير سبائك ألمنيوم لتناسب الاستخدامات الجديدة. ويبيّن الجدول أعلاه تصنيف السبائك واستخداماتها.
تطبيقات متنوعة واستخدامات متزايدة
إن قدرة معدن الألمنيوم على تشكيل سبائك لها صفات مختلفة جعلت منه معدناً مناسباً للاستخدام في تطبيقات متعددة في النقل، والاتصالات، والتغليف، والاستخدامات المنزلية، والتطبيقات العسكرية وغيرها، وحسب معهد الألمنيوم العالمي(IAI) تبلغ نسبة استخدام الألمنيوم العالمية، في الأبنية %33، النقل %28، الكهرباء %18، الآلات %10، المنتجات الاستهلاكية %4، التعبئة والتغليف %2، أخرى %5. وفيما يلي عرض لأهم هذه التطبيقات:
• الأبنية:
تسهم الأبنية بحوالي %40 من استهلاك الطاقة العالمي ولذلك فإن زيادة كفاءة أنظمة الأبنية ومحتوياتها مع المحافظة على أداء وظائفها هي الموضوع الأساس في الاستدامة. وتبدأ الأبنية ذات الكفاءة في استخدام الطاقة مع الألمنيوم، إذ إن تصميم أجزاء الألمنيوم في المباني ينظم الضوء الطبيعي ويسهم في تعزيز إدارة الطاقة في المنزل، ولكون الألمنيوم متين ومقاوم للتآكل فإن استخدامه في الأبنية يقلل من الصيانة مع الزمن، وعموماً يستخدم الألمنيوم في الأبنية في تطبيقات العزل، الشبابيك، الأبواب، واجهات الأبنية، والمطابخ وغيرها.
• التغليف والتعبئة:
طبقاً لمنظمة الصحة العالمية فإن %30 من الغذاء في الدول النامية يفقد بسبب نقص التغليف والتعبئة، ولذلك يسهم التغليف والتعبئة المناسبان في حفظ الغذاء وتوفير الموارد وخفض النفايات. وبسبب مقاومة الألمنيوم للتآكل فإنه يُعد آمناً من الناحية الصحية ولا تتسرَّب منه مواد تفسد الغذاء أو المشروبات لذلك يستخدم لإنتاج علب لحفظ المشروبات والأغذية والزيوت، كما تستخدم رقائق الألمنيوم في حفظ المواد الصيدلانية والأغذية، وبما أن عبوات الألمنيوم خفيفة الوزن فهذا يعني توفير الوقود عند النقل. وقد أشارت مجلة العلوم الأمريكية إلى أن الولايات المتحدة الأمريكية وحدها تنتج 300 مليون علبة مصنوعة من الألمنيوم يومياً، وأصبح وزن العلبة 14 غراماً بعد أن كان 20 غراماً في الستينيات من القرن الماضي، وما زال المهندسون يبحثون عن السبل الكفيلة لتخفيف كمية المادة اللازمة لصناعة العلبة مع احتفاظها بأدائها المميز فتخفيض وزن العلبة بمقدار %1 من شأنه توفير ما يقارب 20 مليون دولار سنوياً من سعر الألمنيوم ويجعل من السهل «طعج» العلبة الفارغة باليد تمهيداً لإعادة تدويرها.
• هندسة الإنتاج:
يستخدم في تصنيع المعدات والماكينات مثل ماكينات الطباعة والغزل والنسيج وماكينات تصنيع الخشب وفي أجهزة الكمبيوتر والتجهيزات العلمية.
• النقل:
تحتاج صناعة وسائل النقل البرية والبحرية والجوية إلى معادن تمتاز بمقاومة التآكل وخفة الوزن والقوة ومرونة التصميم والآمان وقابلية التدوير، وهذه الخصائص متوافرة في سبائك الألمنيوم، ففي عالم الطيران المدني تشكل سبائك الألمنيوم البنية الأساسية لصناعة الطائرات. وعلى الرغم من التطور الهائل في صناعة المعادن والمواد المركبة ما زال الألمنيوم يشكِّل نسبة تزيد على %70 من هيكل الطائرة، كما يستخدم في صناعة السفن والقوارب والسيارات والقطارات والحافلات والشاحنات وأجزائها مثل هياكل المحركات والمبردات وغيرها. ومع تزايد مساهمة قطاع النقل في انبعاثات غازات الدفيئة التي تسبب ظاهرة الاحترار العالمي، فإن خفض أوزان وسائط النقل أصبح مطلباً مثالياً لتحسين كفاءة الوقود لتحقيق هدفين، الأول خفض استهلاك الوقود، والثاني خفض انبعاثات غازات الدفيئة. ومن ناحية أخرى تتضمن حياة أي وسيلة نقل ثلاث مراحل هي: الإنتاج، الاستعمال، نهاية الحياة. ومع توفر خصائص الألمنيوم المتمثلة بقابلية إعادة التدوير وخفة الوزن فإن استعمال الألمنيوم وسبائكه في قطاع النقل بشكل متزايد سيؤدي إلى خفض استهلاك المصادر الطبيعية من مواد خام وطاقة، وفي الوقت نفسه يخفض انبعاثات غازات الدفيئة. وقد أشارت دراسة حديثة إلى أن المركبة الآلية كانت تحتوي على 100-120 كغم من الألمنيوم في عام 2000م وأصبحت تحتوي على 110-150 كغم من الألمنيوم في عام 2009م، وهذا يشير بوضوح إلى أن السيارات خفيفة الوزن ذات كفاءة في استهلاك الوقود وأقل في انبعاثاتها الغازية.
• التطبيقات العسكرية:
إن قدرة الألمنيوم على توفير الخصائص المطلوبة في معدات وأنظمة التسليح جعلت له تطبيقات مهمة في الصناعة العسكرية ومن أهمها صناعة هياكل المدرعات. فمن ناحية هندسية، يعتمد اختيار مادة الدرع على خصائص أساسية للمعدن تشمل الخصائص البالستية وقابلية اللحام، وذلك لإنتاج هيكل متكامل ومتماسك ومقاوم للماء خاصة في العمليات البرمائية. إضافة إلى قابلية السحب والطَرق نظراً لسهولة التعامل معه في التصنيع والمشاغل الهندسية، والقوة لما يتمتع به من مقاومة الإجهادات الناتجة عن الإنزال الجوي والعمل في ظروف الصحراء والطرق الريفية والصعبة.
ونظراً للمزايا التي يتمتع بها الألمنيوم وهي خفة الوزن والقدرة على توفير الحماية أصبح يستخدم كدرع في معظم العربات المقاتلة، وحالياً تشترط المتطلبات العسكرية للمركبات المدرّعة استخدام سبائك ألمنيوم ذات مواصفات هندسية خاصة وهي معتمدة حتى اليوم في تصنيع المركبات المدرعة المصنوعة من الألمنيوم.
خاتمة
في السنوات الأخيرة أدت التكلفة الأقل والأداء العالي للألمنيوم وقابليته لتقبل الطلاء الأنودي المتين والصلب إلى زيادة استخدامه في أجزاء معينة في الذخائر مثل المقذوفات، الخراطيش، الألغام، القنابل. كما جعلت منه تطبيقاً مناسباً في تصنيع عديد من المكونات والأجزاء المستخدمة في القاذفات والبنادق والأسلحة الرشاشة وغيرها.
من الألف إلى الياء
خالد العنانزة
مَنْ منَّا لا يعرفه؟ نجده في بيوتنا ومطابخنا وسياراتنا ويتداخل مع كل الأجسام التي تحيط بنا. أُطلق عليه اسم (المعدن النفيس ) و(المعدن السحري) وربما يستغرب كثير من الناس أنه كان في يوم من الأيام أغلى من الذهب والفضة والبلاتين، إنه الألمنيوم.. المعدن القديم إلاّ أن تطبيقاته واستخداماته في تزايد، كما تتزايد الأسئلة عن قصته ومميّزاته! هذا ما يجيب عنه المهندس خالد العنانزة في هذه المقالة معرّجاً على تاريخ الألمنيوم ومصادره.
يُعد الألمنيوم من أكثر العناصر الفلزية توافراً في القشرة الأرضية، حيث يأتي في المرتبة الثالثة بعد الأوكسجين والسليكون وبنسبة %8.3، ولا يوجد في الطبيعة بشكل منفرد نظراً لقدرته القوية على الارتباط بالأوكسجين، لذلك يوجد الألمنيوم في الصخور والقشرة الأرضية على شكل أكاسيد وسيليكات، ويتم الحصول عليه بتنقيته من الخامات المعدنية.
ومنذ اللحظة التي تم فيها فصل الألمنيوم من خاماته وتحديد خصائصه في منتصف القرن التاسع عشر لم يكن للعلماء الأوائل شك في أن هذا المعدن ستكون له قيمة في المستقبل، وفعلاً أصبح الألمنيوم من أهم المعادن المستخدمة بشكل واسع في جميع أنحاء العالم في قطاعات النقل والصناعة والاتصالات والتطبيقات المنزلية والعسكرية. وتنمو حالياً وتيرة استخدامه أسرع من أي معدن آخر، ويبلغ متوسط استهلاك الفرد من الألمنيوم 25 كغم في الولايات المتحدة الأمريكيـة و20 كغم في ألمانيا و30 كغم في كندا. وفي الحقيقة إذا نظرنا حولنا فإن العالم الحديث سيكون غريباً دون الألمنيوم.
المعدن السحري
في منتصف القرن التاسع عشر كان الألمنيوم يُعد من المعادن النفيسة وذا قيمة أكبر من الذهب والفضة والبلاتين، لأن إنتاجه كان مكلفاً ومحدوداً، وكانت الأدوات المصنوعة من الألمنيوم مثل أدوات المائدة غالية الثمن ولا يقدر على شرائها غير الأغنياء. ويذكر المؤرخون أن نابليون الثالث إمبراطور فرنسا أقام مأدبة طعام أعطى فيها الضيوف الأكثر شرفاً أواني من الألمنيوم وأعطى الآخرين أواني من الذهب، وفي عام 1884م اكتمل نُصُب واشنطن التذكاري باستخدام 100 أوقية من الألمنيوم باعتباره اللمسة الأخيرة في حفل متقن. وكان ينظر لإنتاج الألمنيوم في ذلك الوقت بأنه معجزة علمية، لذلك تم عرض أول قضيب من المعدن النفيس تم تصنيعه بطريقة (هنري ديفيل) في معرض باريس الدولي عام 1855م إلى جانب جواهر التاج الإنجليزي. وقد أدى عرض الألمنيوم في معرض باريس الدولي إلى إشعال خيال صانعي الجواهر والساعات وصاغة الفضة في مستقبل واعد للألمنيوم، واستمر ظهور الألمنيوم بين الأعوام (1850 و1870م) في أغراض ترفيهية مثل الأساور والميداليات والأقداح.
شيء من تاريخ الألمنيوم
إن كلمة الألمنيوم مشتقة من الكلمة اللاتينية ألومين (Alumen) ومعناها حجر الشب، وهي عبارة عن مسحوق أبيض اللون يحتوي على الألمنيوم وعناصر أخرى مثل الكبريت والبوتاسيوم. وقد عرفت أملاح الشب منذ الحضارات القديمة، واستخدمها الأطباء الرومانيون القدماء في تضميد جروح الجنود المصابين في المعارك، وفي العصور الوسطى استعملت لمعالجة وتجفيف جلود الحيوانات الميتة. في عام 1787م توقع العلماء أن هناك معدناً مجهولاً يوجد في مسحوق الشب، وفي بداية القرن التاسع عشر أطلق الكيميائي البريطاني (همبري دافي) على المعدن المجهول اسم الألمنيوم ولم تكن هناك طريقة معروفة للحصول على هذا المعدن حتى عام 1825م عندما تمكن الكيميائي الدانماركي (هانس أورستد) من إنتاج كميات قليلة من الألمنيوم، وبعدها بسنتين استطاع كيميائي ألماني يدعى (فردريك هولر) تطوير طريقة ذات فعالية أكبر في الحصول على المعدن. وبحلول عام 1845م استطاع إنتاج كميات كبيرة من الألمنيوم والتعرف إلى كثافته وإحدى أهم خصائصه الفريدة وهي خفة الوزن.
في عام 1854م تم تطوير طريقة هولر من قبل كيميائي فرنسي يدعى (هنري ديفيل) فتحت آفاقاً واسعة في استخلاص الألمنيوم على أساس تجاري، وعلى إثرها انخفض سعر كيلو غرام الألمنيوم من 1200 دولار في عام 1852م إلى 40 دولاراً في عام 1859م. وقد ازداد الإنتاج العالمي من الألمنيوم بصورة كبيرة خلال الحربين العالميتين الأولى والثانية نتيجة زيادة الدول المتحاربة لإنتاجها لتغطية الاحتياجات المتزايدة منه للأغراض الحربية. وفي منتصف القرن العشرين تطورت صناعة الألمنيوم وأصبحت شائعة ومألوفة وظهر أول إنتاج لرقائق الألمنيوم عام 1947م كما بدأ إنتاج أسلاك الألمنيوم المستخدمة في محطات القوى الكهربائية عام 1957م. وفي الستينيات من القرن الماضي أصبحت العلب المصنوعة من الألمنيوم شائعة الاستخدام، وفي الوقت الحالي أصبح الألمنيوم يدخل في تطبيقات واسعة تتراوح من علب المشروبات إلى هياكل المدرعات والطائرات.
مصادر الألمنيوم
إن أفضل مصدر اقتصادي للحصول على الألمنيوم من خاماته الأساسية هو خامات البوكسيت التي تحتوي على أكسيد الألمنيوم (الألومينا) والماء وأكاسيد الحديد والتيتانيوم والسليكا بكميات مختلفة، ويتراوح لونها من الأبيض إلى البني حسب محتواها الكيميائي. وتوجد خامات البوكسيت عادة في أستراليا، وإفريقيا، والصين، وأمريكيا الجنوبية. تتم تنقية البوكسيت باستخدام طريقة باير، وهذه العملية تتضمن فصل الألومنيا (مصدر الألمنيوم) عن أكاسيد الحديد والتيتانيوم والسيليكا، وهي منتجات جانبية للعملية وتسمى الطين الأحمر يتم التخلص منها باعتبارات بيئية مشددة. الجدير بالذكر أن 2 – 3 طن من البوكسيت نحتاج لإنتاج 1 طن من الألومينا، أما استخلاص الألمنيومِ مِنْ أوكسيدِ الألمنيوم (الألومينا) فيتم تحقيقه بواسطة عملية التحليل الكهربائي التي تتكون من خلية أو وعاء تتكون من صفيحة فولاذية مطلية بالكربون وهذه الصفيحة تشكل الكاثود (المهبط) وقطب مستهلك من الكربون يشكل الأنود (المصعد) حيث يُعلق في محلول سائل الكروليت ( فلوريد المنيوم صوديوم) عند درجة حرارة حوالي 950 درجة مئوية حتى تتم إذابة الألموينا في الكروليت عن طريق تمرير جهد منخفض وتيار مرتفع خلال الخلية وهذا يؤدي إلى ترسيب الألمنيوم النقي على الكاثود (المهبط). وتتسم صناعة الألمنيوم عموماً بأنها كثيفة الاستخدام للطاقة الكهربائية، ولذلك فإن صناعة الألمنيوم الأولي تميل إلى التركز في الدول التي تتوفر بها مصادر رخيصة للطاقة.
الجمع بين القوة وخفة الوزن
الألمنيوم معدن خفيف الوزن يمكن تشكيله وسحبه على شكل ألواح سميكة أو رقيقة أو أسلاك، وهو مقاوم للتآكل بفعل الظروف الجوية أو المواد الكيميائية. تعود قدرة الألمنيوم الممتازة على مقاومة التآكل إلى الطبقة السطحية الرقيقة غير النفاذة والمتماسكة من أكسيد الألمنيوم التي تتشكل عندما يتعرض الفلز للهواء، مما يمنع استمرار عملية الأكسدة. والألمنيوم جيد التوصيل للحرارة والكهرباء، وعلى الرغم من خفة وزنه (تبلغ كثافته ثلث كثافة الفولاذ) وليونته وصلابته المحدودة إلا أنه عند تشكيله على هيئة سبائك مكونة من الألمنيوم المضاف إليه كميات من النحاس والمغنيسيوم والزنك والمنجنيز والسليكون والقصدير فإنها تضيف إليه قوة وصفات خاصة يمكن أن تتجاوز في بعض الحالات قوة الفولاذ الصلب.
تدوير الألمنيوم Recycling
يتميز معدن الألمنيوم بأنه من الممكن إعادة استخدام المكوّن المعدني للمنتجات المصنَّعة منه في نهاية عمرها لمرات عديدة دون أن تتأثر نوعية المحتوى المعدني. وتحقق عملية تصنيع المنتجات من مادة الألمنيوم بهذا الشكل فوائد عديدة على المستوى الدولي وبصفة خاصة يتم من خلال عمليات إعادة تدوير الألمنيوم تحقيق وفورات في المواد الخام والطاقة الكهربائية المستخدمة في تصنيع الألمنيوم الأولي، غير أن الأمر لا يقتصر على ذلك فهناك عدد من الفوائد التي تترتب على عملية إعادة تدوير الألمنيوم يمكن تلخيصها كالتالي:
• عملية تدوير كيلوغرام واحد من الألمنيوم يمكن أن توفر حوالي 8 كيلوغرامات من خام البوكسيت و4 كيلوغرامات من المواد الكيميائية وحوالي 14 كيلو واط/ساعة من الكهرباء.
• جميع منتجات الألمنيوم يمكن إعادة تدويرها بصورة مستمرة مثل علب الألمنيوم وورق الألمنيوم Foil وهياكل الشبابيك والأثاث المعدني والمكونات المستخدمة في الطائرات والسيارات، حيث يمكن إذابة هذه المنتجات وإعادة استخدامها مرة أخرى في نفس المنتجات، فمثلاً علب الألمنيوم يعاد تدويرها لصناعة علب جديدة وشبابيك الألمنيوم يعاد تدويرها لصناعة شبابيك جديدة وهكذا، ويكفي القول إن معدل تدوير الألمنيوم قد بلغ في بعض الدول أكثر من %70.
• خردة الألمنيوم يتم تجميعها في كافة مراحل التصنيع، وعلى العكس من باقي المعادن فإن الألمنيوم الخردة له قيمة عالية.
• عملية تدوير علب المرطبات تقلل من المخلفات حيث توفر الطاقة والموارد الطبيعية وتقلل من المساحات المخصصة للتخلص من المخلفات فضلاً عن أنها توفر دخلاً إضافياً للقائمين على إعادة التدوير.
ويتضح من الجدول أدناه أن إنتاج الألمنيوم الأولي ارتفع من 38 مليون طن متري عام 2007م إلى 45 مليون طن متري عام 2012م. وبمقارنة إنتاج الألمنيوم المعاد تدويره إلى إجمالي الإنتاج العالمي للألمنيوم الأولي نجد أن نسبة الألمنيوم المعاد تدويره تصل في المتوسط من 10 إلى %20 من إجمالي الإنتاج العالمي من الألمنيوم الكلي. ووفقاً لإحصاءات معهد الألمنيوم العالمي، فإن الاحتياج العالمي من الألمنيوم سيكون 100 مليون طن بحلول عام 2020م ومن المتوقع أن تشكِّل نسبة الألمنيوم المعاد تدويره من هذا الرقم حوالي %30. إن تزايد معدلات إعادة تدوير الألمنيوم على المستوى العالمي وبمعدلات أعلى من النمو في إنتاج الألمنيوم الأولي يعود إلى الوعي البيئي المتزايد بأهمية الحفاظ على البيئة. أما في منطقتنا العربية فتشير إحصاءات مجلس الألمنيوم الخليجي أن إنتاج الألمنيوم في دول مجلس التعاون الخليجي تجاوز 5 ملايين طن سنوياً بحلول عام 2013م، ولا تتجاوز فيه نسبة الألمنيوم المعاد تدويره عن %2 وهذه إشارة لفرصة مهمة لتطوير نشاطات تدوير الألمنيوم في المنطقة.
سبائك الألمنيوم
الألمنيوم معدن ناعم ومرن ومعظم التطبيقات الهندسية تتطلب قوة أكثر مما يوفرها الألمنيوم النقي، وهذا يتم عن طريق إضافة عناصر كيميائية أخرى لإنتاج سبائك جديدة تتمتع بخصائص ومواصفات جديدة، وبذلك يمكن تعريف السبيكة alloy بأنها مادة جديدة تتكون من معدنين مختلفين أو أكثر. وتمتلك السبيكة الجديدة خصائص تختلف عن المعادن المكونة لها مثل القوة، مقاومة التآكل، قابلية التشكيل، وغيرها. ومن أشهر المعادن التي ترتبط مع سبائك الألمنيوم النحاس، المنغنيز، السليكون، المغنيسيوم، الزنك وغيره، وعادة تسجل سبائك الألمنيوم في جمعية الألمنيوم العالمية aluminum association وتصنف بواسطة نظام من الأرقام يبين محتوى السبيكة من العناصر الأساسية بالإضافة لخصائصها لاستخدامها في تطبيقات مناسبة. ويعمل الباحثون والمهندسون والعلماء المتخصصون في علم المواد الهندسية بجهود حثيثة في كافة أنحاء العالم على تطوير سبائك ألمنيوم لتناسب الاستخدامات الجديدة. ويبيّن الجدول أعلاه تصنيف السبائك واستخداماتها.
تطبيقات متنوعة واستخدامات متزايدة
إن قدرة معدن الألمنيوم على تشكيل سبائك لها صفات مختلفة جعلت منه معدناً مناسباً للاستخدام في تطبيقات متعددة في النقل، والاتصالات، والتغليف، والاستخدامات المنزلية، والتطبيقات العسكرية وغيرها، وحسب معهد الألمنيوم العالمي(IAI) تبلغ نسبة استخدام الألمنيوم العالمية، في الأبنية %33، النقل %28، الكهرباء %18، الآلات %10، المنتجات الاستهلاكية %4، التعبئة والتغليف %2، أخرى %5. وفيما يلي عرض لأهم هذه التطبيقات:
• الأبنية:
تسهم الأبنية بحوالي %40 من استهلاك الطاقة العالمي ولذلك فإن زيادة كفاءة أنظمة الأبنية ومحتوياتها مع المحافظة على أداء وظائفها هي الموضوع الأساس في الاستدامة. وتبدأ الأبنية ذات الكفاءة في استخدام الطاقة مع الألمنيوم، إذ إن تصميم أجزاء الألمنيوم في المباني ينظم الضوء الطبيعي ويسهم في تعزيز إدارة الطاقة في المنزل، ولكون الألمنيوم متين ومقاوم للتآكل فإن استخدامه في الأبنية يقلل من الصيانة مع الزمن، وعموماً يستخدم الألمنيوم في الأبنية في تطبيقات العزل، الشبابيك، الأبواب، واجهات الأبنية، والمطابخ وغيرها.
• التغليف والتعبئة:
طبقاً لمنظمة الصحة العالمية فإن %30 من الغذاء في الدول النامية يفقد بسبب نقص التغليف والتعبئة، ولذلك يسهم التغليف والتعبئة المناسبان في حفظ الغذاء وتوفير الموارد وخفض النفايات. وبسبب مقاومة الألمنيوم للتآكل فإنه يُعد آمناً من الناحية الصحية ولا تتسرَّب منه مواد تفسد الغذاء أو المشروبات لذلك يستخدم لإنتاج علب لحفظ المشروبات والأغذية والزيوت، كما تستخدم رقائق الألمنيوم في حفظ المواد الصيدلانية والأغذية، وبما أن عبوات الألمنيوم خفيفة الوزن فهذا يعني توفير الوقود عند النقل. وقد أشارت مجلة العلوم الأمريكية إلى أن الولايات المتحدة الأمريكية وحدها تنتج 300 مليون علبة مصنوعة من الألمنيوم يومياً، وأصبح وزن العلبة 14 غراماً بعد أن كان 20 غراماً في الستينيات من القرن الماضي، وما زال المهندسون يبحثون عن السبل الكفيلة لتخفيف كمية المادة اللازمة لصناعة العلبة مع احتفاظها بأدائها المميز فتخفيض وزن العلبة بمقدار %1 من شأنه توفير ما يقارب 20 مليون دولار سنوياً من سعر الألمنيوم ويجعل من السهل «طعج» العلبة الفارغة باليد تمهيداً لإعادة تدويرها.
• هندسة الإنتاج:
يستخدم في تصنيع المعدات والماكينات مثل ماكينات الطباعة والغزل والنسيج وماكينات تصنيع الخشب وفي أجهزة الكمبيوتر والتجهيزات العلمية.
• النقل:
تحتاج صناعة وسائل النقل البرية والبحرية والجوية إلى معادن تمتاز بمقاومة التآكل وخفة الوزن والقوة ومرونة التصميم والآمان وقابلية التدوير، وهذه الخصائص متوافرة في سبائك الألمنيوم، ففي عالم الطيران المدني تشكل سبائك الألمنيوم البنية الأساسية لصناعة الطائرات. وعلى الرغم من التطور الهائل في صناعة المعادن والمواد المركبة ما زال الألمنيوم يشكِّل نسبة تزيد على %70 من هيكل الطائرة، كما يستخدم في صناعة السفن والقوارب والسيارات والقطارات والحافلات والشاحنات وأجزائها مثل هياكل المحركات والمبردات وغيرها. ومع تزايد مساهمة قطاع النقل في انبعاثات غازات الدفيئة التي تسبب ظاهرة الاحترار العالمي، فإن خفض أوزان وسائط النقل أصبح مطلباً مثالياً لتحسين كفاءة الوقود لتحقيق هدفين، الأول خفض استهلاك الوقود، والثاني خفض انبعاثات غازات الدفيئة. ومن ناحية أخرى تتضمن حياة أي وسيلة نقل ثلاث مراحل هي: الإنتاج، الاستعمال، نهاية الحياة. ومع توفر خصائص الألمنيوم المتمثلة بقابلية إعادة التدوير وخفة الوزن فإن استعمال الألمنيوم وسبائكه في قطاع النقل بشكل متزايد سيؤدي إلى خفض استهلاك المصادر الطبيعية من مواد خام وطاقة، وفي الوقت نفسه يخفض انبعاثات غازات الدفيئة. وقد أشارت دراسة حديثة إلى أن المركبة الآلية كانت تحتوي على 100-120 كغم من الألمنيوم في عام 2000م وأصبحت تحتوي على 110-150 كغم من الألمنيوم في عام 2009م، وهذا يشير بوضوح إلى أن السيارات خفيفة الوزن ذات كفاءة في استهلاك الوقود وأقل في انبعاثاتها الغازية.
• التطبيقات العسكرية:
إن قدرة الألمنيوم على توفير الخصائص المطلوبة في معدات وأنظمة التسليح جعلت له تطبيقات مهمة في الصناعة العسكرية ومن أهمها صناعة هياكل المدرعات. فمن ناحية هندسية، يعتمد اختيار مادة الدرع على خصائص أساسية للمعدن تشمل الخصائص البالستية وقابلية اللحام، وذلك لإنتاج هيكل متكامل ومتماسك ومقاوم للماء خاصة في العمليات البرمائية. إضافة إلى قابلية السحب والطَرق نظراً لسهولة التعامل معه في التصنيع والمشاغل الهندسية، والقوة لما يتمتع به من مقاومة الإجهادات الناتجة عن الإنزال الجوي والعمل في ظروف الصحراء والطرق الريفية والصعبة.
ونظراً للمزايا التي يتمتع بها الألمنيوم وهي خفة الوزن والقدرة على توفير الحماية أصبح يستخدم كدرع في معظم العربات المقاتلة، وحالياً تشترط المتطلبات العسكرية للمركبات المدرّعة استخدام سبائك ألمنيوم ذات مواصفات هندسية خاصة وهي معتمدة حتى اليوم في تصنيع المركبات المدرعة المصنوعة من الألمنيوم.
خاتمة
في السنوات الأخيرة أدت التكلفة الأقل والأداء العالي للألمنيوم وقابليته لتقبل الطلاء الأنودي المتين والصلب إلى زيادة استخدامه في أجزاء معينة في الذخائر مثل المقذوفات، الخراطيش، الألغام، القنابل. كما جعلت منه تطبيقاً مناسباً في تصنيع عديد من المكونات والأجزاء المستخدمة في القاذفات والبنادق والأسلحة الرشاشة وغيرها.
