مهندسی مواد در مسیر توسعه پایدار؛ نقش متالورژی در پیوند انرژی و محیط زیست

دبیر علمی کنفرانس iMat ۲۰۲۶ با تأکید بر اهمیت تحول در صنایع مواد و متالورژی اظهار کرد: جهان امروز در مرحله‌ای تعیین‌کننده از تحولات علمی و صنعتی قرار دارد؛ مرحله‌ای که حرکت از اقتصاد متکی بر سوخت‌های فسیلی به سوی فناوری‌های پایدار و دستیابی به انتشار خالص صفر کربن (Net-Zero Emissions)، دیگر یک رویکرد اختیاری نیست و به ضرورتی اساسی برای حفظ محیط زیست و تداوم حیات در کره زمین تبدیل شده است.

به گزارش سیناپرس، جلیل وحدتی خاکی، دبیر علمی این رویداد، در آستانه برگزاری پانزدهمین کنفرانس مهندسی مواد و متالورژی درباره شعار امسال کنفرانس با عنوان «از مهندسی مواد تا آینده‌ای سبز، پیوند متالورژی، انرژی و محیط زیست» توضیح داد: انتخاب این شعار نشان‌دهنده تغییر اساسی در نگرش به جایگاه مهندسی مواد و متالورژی در قرن بیست‌ویکم است.

وی با اشاره به تفاوت نقش این دانش در گذشته و امروز بیان کرد: در دوره‌های پیشین انقلاب صنعتی، فعالیت‌های متالورژی عمدتاً بر استخراج فلزات و تولید آلیاژهای موردنیاز صنایع متمرکز بود و در بسیاری از موارد، پیامدهای زیست‌محیطی و میزان مصرف انرژی مورد توجه کافی قرار نمی‌گرفت. اما اکنون مهندسی مواد به یکی از ارکان اصلی ارائه راهکار برای مقابله با بحران‌های اقلیمی تبدیل شده است.

این عضو هیأت علمی دانشگاه فردوسی مشهد افزود: دستیابی به پیشرفت‌های اساسی در فناوری‌های انرژی پاک، بدون طراحی مواد در سطح اتمی، کنترل ریزساختارها و اصلاح روش‌های متداول تولید و فرآوری فلزات امکان‌پذیر نیست.

مهندسی مواد و توسعه فناوری‌های نوین ذخیره‌سازی انرژی

وحدتی خاکی نخستین محور ارتباط میان متالورژی، انرژی و محیط زیست را تحول در فناوری‌های تولید و ذخیره انرژی از طریق مهندسی سطح و توسعه الکتروکاتالیست‌ها عنوان کرد.

وی توضیح داد: در مسیر شکل‌گیری اقتصاد مبتنی بر هیدروژن، تولید هیدروژن سبز با استفاده از تجزیه الکتروشیمیایی آب، به‌عنوان یکی از پاک‌ترین روش‌های تأمین حامل‌های انرژی مطرح است. بااین‌حال، سرعت پایین واکنش‌های نیم‌سلولی، شامل واکنش تولید هیدروژن و تولید اکسیژن، در کنار اتلاف انرژی ناشی از اضافه‌پتانسیل، همچنان از موانع مهم توسعه تجاری الکترولایزرها محسوب می‌شود.

به گفته وی، تا سال‌های گذشته، کاتالیست‌های مؤثر در این فرآیند عمدتاً از فلزات گران‌قیمت گروه پلاتین، مانند پلاتین، ایریدیوم و روتنیوم ساخته می‌شدند. محدودیت منابع و هزینه بالای این عناصر، استفاده از آنها را در پروژه‌های عظیم با ظرفیت گیگاواتی دشوار می‌کرد.

دبیر علمی کنفرانس iMat ۲۰۲۶ ادامه داد: پیشرفت هم‌زمان متالورژی فیزیکی و الکتروشیمی در سال‌های اخیر، زمینه طراحی آلیاژهای چندجزئی بر پایه فلزات واسطه فراوان و ارزان‌قیمت را فراهم کرده است. ترکیباتی مبتنی بر نیکل، کبالت، آهن و منگنز از جمله دستاوردهایی هستند که توانسته‌اند بخشی از محدودیت‌های گذشته در این حوزه را برطرف کنند.

کربن‌زدایی از صنایع فولاد و حرکت به سوی متالورژی سبز

وحدتی خاکی در تشریح محور دوم این تحول، به اهمیت متالورژی سبز و کاهش انتشار کربن در صنایع مادر (Green Metallurgy & Decarbonization) پرداخت و اظهار کرد: صنایع فولاد و متالورژی استخراجی در مجموع حدود ۷ تا ۹ درصد از کل انتشار دی‌اکسید کربن ناشی از فعالیت‌های انسانی در جهان را به خود اختصاص می‌دهند.

وی افزود: دستیابی به توسعه پایدار تنها با گسترش استفاده از تجهیزات انرژی پاک محقق نمی‌شود؛ بلکه مواد اولیه موردنیاز برای ساخت توربین‌های بادی، صفحات خورشیدی و خودروهای برقی نیز باید با روش‌هایی سازگارتر با محیط زیست تولید شوند.

این عضو هیأت علمی دانشگاه فردوسی خاطرنشان کرد: یکی از موضوعات محوری کنفرانس امسال، بررسی روش‌های جایگزین برای فرآیند احیای کربنی در کوره بلند و حرکت به سمت احیای مستقیم سنگ‌آهن با استفاده از هیدروژن سبز است. فناوری‌هایی مانند HYBRIT و روش‌های پلاسما-هیدروژن، در کنار الکترولیز اکسیدهای مذاب (Molten Oxide Electrolysis)، از جمله رویکردهای مورد توجه در این زمینه هستند. در این فرآیندها، به جای تولید گازهای گلخانه‌ای، بخار آب یا اکسیژن خالص به‌عنوان محصول جانبی حاصل می‌شود.

وی همچنین طراحی فولادهای پیشرفته با استحکام بالا (AHSS) و آلیاژهای سبک بر پایه آلومینیوم، منیزیم و تیتانیوم را از دیگر راهکارهای مؤثر در کاهش آثار زیست‌محیطی صنایع دانست و گفت: کاهش وزن سازه‌ها و وسایل نقلیه از طریق استفاده از این مواد، می‌تواند میزان مصرف سوخت و انتشار کربن را در تمام مراحل چرخه عمر محصولات کاهش دهد.

اقتصاد چرخشی و بازیابی فلزات ارزشمند از پسماندهای صنعتی

دبیر علمی کنفرانس iMat ۲۰۲۶، اقتصاد چرخشی، بازیافت پیشرفته و متالورژی ثانویه (Circular Economy & Urban Mining) را سومین بخش از ارتباط میان مهندسی مواد و توسعه پایدار معرفی کرد.

او با اشاره به افزایش نیاز صنایع پیشرفته به مواد اولیه استراتژیک توضیح داد: توسعه فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر و تولید باتری‌های لیتیوم‌یونی و باتری‌های حالت‌جامد، تقاضا برای عناصر حیاتی مانند لیتیوم، کبالت، نیکل، منگنز و عناصر خاکی کمیاب (Critical Raw Materials) را به میزان چشمگیری افزایش داده است. در عین حال، برداشت گسترده این مواد از ذخایر طبیعی می‌تواند تخریب محیط زیست و آسیب به اکوسیستم‌ها را تشدید کند.

وحدتی خاکی افزود: مهندسی مواد با توسعه روش‌هایی نظیر هیدرومتالورژی سبز، بیومتالورژی و بهره‌گیری از حلال‌های یوتکتیک عمیق زیست‌تخریب‌پذیر (Deep Eutectic Solvents)، راهکارهای تازه‌ای برای جداسازی انتخابی و بازیابی فلزات ارزشمند با خلوص بالا از باتری‌های مستعمل و پسماندهای الکترونیکی ارائه کرده است.

وی همچنین به اهمیت رویکرد «طراحی آلیاژها با قابلیت بازیافت» (Design for Recycling) اشاره کرد و گفت: در این روش، با محدودکردن تنوع عناصر آلیاژی نامطلوب و کنترل ناخالصی‌های موجود در مذاب، امکان استفاده مجدد از ضایعات فلزی فراهم می‌شود؛ به‌گونه‌ای که بازیافت‌های مکرر، افت قابل‌توجهی در ویژگی‌های مکانیکی و مقاومت به خوردگی مواد ایجاد نکند.

هوش مصنوعی؛ ابزاری برای تسریع کشف مواد پایدار

این عضو هیأت علمی دانشگاه فردوسی در ادامه، نقش هوش مصنوعی، یادگیری ماشین و ترمودینامیک محاسباتی را در پیشبرد پژوهش‌های مرتبط با مواد پایدار مهم دانست.

به گفته وی، استفاده از این فناوری‌ها باعث شده است فرآیند شناسایی، طراحی و بهینه‌سازی مواد جدید با سرعت بیشتری انجام شود. در روش‌های سنتی، پژوهشگران برای دستیابی به ترکیبات مطلوب ناچار به انجام آزمایش‌های متعدد و زمان‌بر بودند؛ اما اکنون غربالگری با توان عملیاتی بالا (High-throughput Screening) امکان پیش‌بینی ویژگی‌های هزاران ترکیب آلیاژی سه‌جزئی و چندجزئی را پیش از تولید آزمایشگاهی فراهم کرده است.

وی افزود: با این روش می‌توان ویژگی‌هایی مانند پایداری فازی، مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد کاتالیستی مواد را بررسی کرد. چنین قابلیتی علاوه بر کاهش زمان تحقیقات، موجب صرفه‌جویی قابل‌توجه در مصرف مواد شیمیایی و انرژی در مراحل پژوهشی خواهد شد.

ایجاد ارتباط میان پژوهش‌های دانشگاهی و نیازهای واقعی صنعت

دبیر علمی کنفرانس iMat ۲۰۲۶ هدف اصلی کمیته علمی این رویداد را ایجاد تعامل میان شاخه‌های مختلف مهندسی مواد عنوان کرد و گفت: تلاش ما این است که فاصله میان حوزه‌هایی مانند متالورژی استخراجی و فیزیکی، سرامیک، خوردگی، الکتروشیمی و نانومواد کاهش پیدا کند و دستاوردهای این رشته‌ها در ارتباط مستقیم با نیازهای بخش انرژی و محیط زیست قرار بگیرند.

وی ادامه داد: برنامه علمی کنفرانس شامل مجموعه‌ای از مقالات پژوهشی، سخنرانی‌های کلیدی و نشست‌های تخصصی است که موضوعات مختلف را از مباحث پایه ترمودینامیک و سینتیک در مقیاس اتمی تا کاربردهای صنعتی و تجاری‌سازی فناوری‌های سبز پوشش می‌دهد.

وحدتی خاکی در پایان از استادان دانشگاه، پژوهشگران، دانشجویان تحصیلات تکمیلی و متخصصان صنعتی دعوت کرد با ارائه دستاوردهای علمی و حضور فعال در نشست‌های این رویداد، در تدوین نقشه راهی علمی و متناسب با ظرفیت‌های داخلی و همسو با آخرین پیشرفت‌های جهانی مشارکت کنند.

وی تأکید کرد: همکاری و هم‌افزایی میان متخصصان و پژوهشگران در این کنفرانس می‌تواند زمینه تبدیل مسائل و تهدیدهای زیست‌محیطی امروز به فرصت‌های فناورانه در آینده را فراهم کند.

پانزدهمین کنفرانس بین‌المللی مهندسی مواد و متالورژی در روزهای ۱۰ و ۱۱ آذر ۱۴۰۵ در دانشکده مهندسی دانشگاه فردوسی مشهد برگزار خواهد شد.

به نقل از روابط عمومی کنفرانس علمی iMat ۲۰۲۶، استادان، پژوهشگران، دانشجویان تحصیلات تکمیلی و فعالان حوزه صنعت برای ارسال مقالات و ثبت‌نام در این رویداد می‌توانند به وب‌سایت رسمی کنفرانس مراجعه کنند.آخرین مهلت ارسال اصل مقالات، ۲۵ آبان ۱۴۰۵ اعلام شده است.