من القشرة الأرضية إلى الفضاء: حقائق مثيرة قليلة المعرفة عن الألومنيوم

من قشرة الأرض إلى الفضاء: حقائق مثيرة للاهتمام وغير معروفة حول الألومنيوم

الألومنيوم شائع جدًا في بيئتنا اليوم لدرجة أننا غالبًا لا نلاحظه.

ويمكن أن تظهر على أحد مكونات السيارة، أو جسم القطار، أو خط الكهرباء، أو الهاتف المحمول، أو جزء من الآلة، أو واجهة المبنى، أو علبة المشروبات، أو الطائرة.

ومع ذلك، وراء هذا المظهر العادي هناك قصة مادية غير عادية للغاية.

الألومنيوم هو المعدن الأكثر وفرة في القشرة الأرضية. وعلى الرغم من ذلك، لم تنجح البشرية في إنتاج الألمنيوم المعدني على نطاق صناعي إلا في أواخر القرن التاسع عشر. الألومنيوم، الذي كان يعتبر معدنًا ثمينًا، ساهم لاحقًا في تطوير وسائل النقل الحديثة، ودخل الطائرات، ووصل إلى القمر، وأصبح اليوم أحد المواد الهندسية المهمة للإنتاج الدائري. (المعهد الدولي للألمنيوم)

ربما هذا هو الجانب الأكثر إثارة للاهتمام في الألومنيوم:

تبدأ قصتها في القشرة الأرضية، لكنها لا تنتهي عند هذا الحد.

1. الألومنيوم ليس نادرًا، لكن الحصول عليه كان في السابق صعبًا للغاية

الحقيقة المدهشة الأولى هي المفارقة.

يشكل الألومنيوم حوالي 8% من القشرة الأرضية وهو العنصر المعدني الأكثر وفرة في القشرة الأرضية. ومع ذلك، لا يوجد عادة كمعدن حر في الطبيعة. يوجد في المعادن المرتبطة كيميائياً بالأكسجين وعناصر أخرى. الخام الرئيسي للإنتاج الصناعي هو البوكسيت. (القصة)

ولذلك، فإن المشكلة التي واجهت البشرية لم تكن أبدًا عدم وجود ما يكفي من الألومنيوم على الأرض.

وكانت المشكلة هي تحويله إلى معدن.

ويمكننا تلخيص هذا التمييز فيما يلي:

لم يكن الألمنيوم نادرًا على وجه الأرض. كان الألومنيوم المعدني الذي يمكن الوصول إليه نادرًا.

مهدت عملية هول-هيرولت، التي طورها تشارلز مارتن هول وبول هيرولت بشكل مستقل في عام 1886، الطريق لإنتاج الألمنيوم على نطاق واسع. وشكلت عملية باير بعد ذلك الأساس الاقتصادي لإنتاج الألومينا من البوكسيت. (المعهد الدولي للألمنيوم)

وبعبارة أخرى:

كانت الندرة تكنولوجية وليست جيولوجية.

2. كان الألمنيوم يُعامل كمعدن ثمين

عندما نرى رقائق الألومنيوم أو علبة المشروبات اليوم، قد يبدو غريبًا أن نفكر في هذا المعدن في نفس عالم المعادن الثمينة.

ومع ذلك، كان الوضع مختلفا تماما في القرن التاسع عشر.

كان إنتاج الألمنيوم المعدني صعبًا ومكلفًا. تشير السجلات التاريخية من المعهد الدولي للألمنيوم إلى أنه قبل عملية هول-هيرولت، كان الألومنيوم يعتبر معدنًا ثمينًا. كان هرم الألومنيوم، الذي يزن حوالي 100 أونصة، والذي تم وضعه أعلى نصب واشنطن التذكاري عام 1884، أحد التطبيقات الرائعة في عصره. (المعهد الدولي للألمنيوم)

وبعد ذلك تغيرت تكنولوجيا الإنتاج.

المعدن لم يتغير.

لكن اقتصاديات المعدن تغيرت تماما.

يعد هذا أحد الأمثلة القوية على الكيفية التي يمكن بها لتكنولوجيا التصنيع أن تغير دور المادة في العالم.

3. الألومنيوم اللامع لا يأتي من منجم البوكسيت

إن عبارة "منجم ألومنيوم" يمكن أن تخلق في بعض الأحيان صورة ذهنية خاطئة.

ولا توجد كتل معدنية فضية لامعة تحت الأرض كما نراها في المصانع اليوم.

رحلة الألومنيوم مختلفة كثيرًا:

البوكسيت → الألومينا (Al₂O₃) → الاختزال الكهربائي → الألومنيوم المعدني

يتم استخدام عملية باير للحصول على الألومينا من البوكسيت. الألومينا الناتجة عبارة عن مادة بيضاء ذات حبيبات دقيقة. ثم يتم تحويله بعد ذلك إلى ألومنيوم معدني سائل عن طريق الاختزال الكهربائي في عملية هول-هيرولت. (القصة)

ولذلك، فإن قصة مكون الصب الذي نستخدمه تبدأ قبل فترة طويلة من فرن الصهر.

يبدأ في القشرة الأرضية.

4. يمكن للألمنيوم أن يشكل طبقة الحماية الخاصة به

من أكثر خصائص الألمنيوم إثارةً للاهتمام هو سلوكه السطحي الذي لا يمكننا رؤيته بالعين المجردة.

عندما يتلامس سطح الألومنيوم النظيف مع الهواء، تتشكل طبقة رقيقة ومحكمة من أكسيد الألومنيوم بسرعة على السطح.

تعمل هذه الطبقة كحاجز وقائي بين المعدن الأساسي والبيئة وتساهم بشكل كبير في مقاومة التآكل التي يتمتع بها الألومنيوم في العديد من البيئات.

بمعنى آخر، أحد آليات الحماية المهمة هو عدم إضافة الألومنيوم خارجيًا.

يتكون بشكل طبيعي من المعدن.

يرتبط سلوك الأكسيد الطبيعي هذا أيضًا بأحد المبادئ الأساسية وراء العمليات السطحية الخاضعة للرقابة مثل الأكسدة.

ولذلك، فإن سطح الألومنيوم ليس مجرد مسألة جمالية.

وهو أيضًا موضوع هندسة المواد.

5. أن تكون خفيفًا لا يعني أن تكون ضعيفًا

تبلغ كثافة الألومنيوم حوالي 2.7 جم/سم3؛هذه القيمة حوالي ثلث قيمة الفولاذ.

ومع ذلك، من وجهة نظر هندسية، مجرد النظر إلى الكثافة ليس كافيًا.

أحد المفاهيم المهمة:

نسبة القوة إلى الوزن

ومن الضروري التمييز بين الألمنيوم النقي والسبائك الهندسية. بفضل تصميم السبائك وطرق الإنتاج/المعالجة الحرارية المناسبة، يمكن أن يكون لسبائك الألومنيوم المختلفة خواص ميكانيكية مختلفة جدًا.

ولذلك فإن السؤال الذي يهم المهندسين هو فقط:

"ما مدى ضوء هذا المعدن؟"

لكن هذا ليس السؤال الوحيد.

سؤال ذو معنى أكبر:

"ما مدى انخفاض الكتلة التي يمكن أن توفر الأداء الهندسي المطلوب؟"

«ما الحد الأدنى من الكتلة اللازمة لتوفير الأداء الهندسي المطلوب؟»

قد يكون هو السؤال الأكثر دلالة.

6. لعب الألمنيوم دورًا مهمًا في تطوير الطيران

في عام 1903، استخدم الأخوين رايت رايت فلاير كتلة محرك من الألومنيوم خفيف الوزن. وفي السنوات اللاحقة، أصبحت سبائك الألومنيوم إحدى المواد الأساسية في هندسة الطيران. (القصة)

تاريخياً كانت سبائك الألومنيوم المستخدمة في الطائرات:

• في هياكل الجسم،
• في هياكل الجناح،
• في تغطية الألواح،
• في الإطارات،
• والمكونات الهيكلية المختلفة

لعبت دورا هاما.

وهذا ليس فقط لأن الألومنيوم خفيف.

كثافة منخفضة + خواص ميكانيكية مواتية + قابلية التصنيع

وعند النظر إليهما معًا، تظهر ميزة هندسية كبيرة.

وهكذا غادرت رحلة الألمنيوم القشرة الأرضية ووصلت إلى السماء.

لكنه لم يتوقف عند هذا الحد أيضًا.

7. ثم ذهب الألومنيوم إلى الفضاء

عندما وصلت أبولو 11 إلى القمر في عام 1969، كان الألومنيوم جزءًا من النظام المادي لهذا الإنجاز الهندسي التاريخي.

وفقًا للمعهد الدولي للألمنيوم، تم استخدام هياكل الألومنيوم على شكل قرص العسل بين ألواح سبائك الألومنيوم في مركبة أبولو الفضائية؛كما تم استخدام الألومنيوم أيضًا في صاروخ Saturn V الذي حمل أبولو إلى الفضاء نظرًا لمزاياه المتمثلة في الوزن الخفيف والقوة العالية. (المعهد الدولي للألمنيوم)

الكتلة هي معلمة حاسمة في هندسة الطيران.

لأن وزن المكون لا يؤثر فقط على هذا المكون.

كما أنه يؤثر على الكتلة الإجمالية التي يجب نقلها.

لذلك:

عندما يكون المدار هو الهدف، فإن كل كيلوغرام له أهميته.

إن كثافة الألومنيوم المنخفضة وقابليته للتصنيع وخواصه الميكانيكية التي يمكن تحقيقها من خلال هندسة السبائك جعلته أحد المواد ذات الأهمية التاريخية في تطبيقات الفضاء والطيران.

إن حقيقة وصول عنصر موجود في المعادن المرتبطة بقشرة الأرض إلى القمر بفضل الهندسة البشرية هي واحدة من أكثر القصص إثارة للإعجاب في علم المواد.

8. الألومنيوم ليس مجرد معدن هيكلي

عند ذكر الألومنيوم، فإن أول ما يتبادر إلى الذهن عادة هو:

الخفة والقوة ومقاومة التآكل

هي.

ومع ذلك، فإن القيمة الصناعية للألمنيوم لا تقتصر على هذه.

الألومنيوم هو أيضا موصل جيد للحرارة.

هذه الميزة:

• في العبوات الإلكترونية،
• في موزعات الحرارة،
• في أنظمة الإضاءة LED،
• في مكونات المحرك والآلة،
• في مختلف المنتجات التي تتطلب الإدارة الحرارية

قد يكون من المهم.

هنا يقترن اختيار المواد مباشرة بهندسة المنتج.

المادة → الهندسة → مساحة السطح → نقل الحرارة

لهذا السبب، في بعض مكونات الألومنيوم، لم يتم تصميم هندسة الصب فقط للوظيفة الميكانيكية.

وهي أيضًا جزء من الوظيفة الحرارية.

9. يمكن استخدامه أيضًا للتحكم في الضوء والحرارة

كما أن خصائص سطح الألومنيوم والانعكاسية العالية تجعله ذا قيمة في مجموعة متنوعة من التطبيقات البصرية والحرارية.

الألومنيوم مع الظروف السطحية والطلاءات المناسبة؛

• في عاكسات الإضاءة،
• في الأنظمة البصرية
• في تطبيقات التحكم الحراري،
• على الأسطح العاكسة

يمكن استخدامه.

وهذا يبين لنا شيئاً مهماً:

يمكن أن يكون نفس المعدن الأساسي مكونًا هيكليًا حاملًا في أحد التطبيقات، وعنصر إدارة حرارية في تطبيق آخر، وسطحًا عاكسًا في تطبيق آخر.

القوة الهندسية للألمنيوم لا تأتي من ميزة واحدة فقط.

ويرجع ذلك إلى القدرة على الجمع بين خصائص مختلفة في نفس عائلة المواد.

10. تستخدم الكهرباء أيضًا الألمنيوم

يعد النحاس بطبيعة الحال أحد المعادن الأولى التي تتبادر إلى الذهن عند ذكر التوصيل الكهربائي.

ومع ذلك، يستخدم الألومنيوم أيضًا في العديد من التطبيقات التي تتطلب التوصيل الكهربائي.

ما هو مهم هنا ليس فقط الموصلية لكل حجم.

يمكن أن يقدم الأداء بالنسبة للوزن منظورًا مختلفًا عندما تدخل الكثافة في المعادلة.

ولهذا السبب، كان الألومنيوم منذ فترة طويلة مادة مهمة، خاصة في أنظمة نقل الطاقة.

يوضح هذا المثال مرة أخرى لماذا لا يكفي النظر إلى ميزة واحدة عند اختيار المواد.

سؤال هندسي:

"ما هو المعدن الذي يتمتع بأعلى الموصلية؟"

يتوقف عن أن يكون:

"ما هو التوازن الأمثل بين الموصلية والوزن والأداء الميكانيكي والتكلفة والظروف البيئية لهذا النظام؟"

يصبح.

11. علبة المشروبات مصنوعة أيضًا من الألومنيوم، وهي مصبوبة بدقة من صانع المعدات الأصلية - ولكنها ليست نفس المادة

ولعل أحد أهم المفاهيم الخاطئة حول الألمنيوم يظهر هنا.

علبة المشروبات مصنوعة من الألومنيوم.

أحد مكونات الطائرة هو الألومنيوم.

الملف الشخصي النتوء هو الألومنيوم.

جسم الآلة المصبوب مصنوع أيضًا من الألومنيوم.

ولكن ليس من الصحيح أن نقول أن هذه هي نفس المواد الهندسية.

لأن "الألومنيوم" يخبرنا بالعنصر الأساسي.

أما من الناحية الهندسية فلابد أن نعرف ما يلي:

السبائك → عملية التصنيع → البنية المجهرية → المعالجة الحرارية → الخواص الميكانيكية → متطلبات السطح → الوظيفة

لذلك:

يصف "الألومنيوم" عنصرًا. الهندسة تتطلب سبيكة.

باللغة التركية:

يحدد "الألومنيوم" العنصر. الهندسة يجب أن تعرف السبائك.

كان هذا التمييز أحد القضايا الرئيسية التي تناولناها في مقالتنا السابقة في المجلة التي تفحص استخدام الألومنيوم المعاد تدويره في مكونات OEM الدقيقة.

وسواء تم إعادة تدويرها أم لا، فهذه ليست معلومات كافية في حد ذاتها.

يجب فحص الكيمياء والأداء.

12. يمكن أن يكون للألمنيوم أكثر من عمر واحد

ليس من الضروري أن تنتهي قصة الألومنيوم حتى عندما يصل إلى الفضاء.

يمكن لمكوّن الألومنيوم الذي انتهى عمره التشغيلي، في الظروف المناسبة،

الاسترداد → الفصل → إعادة الصهر → التحكم الكيميائي → تعديل السبائك → الإنتاج الجديد

أن يدخل في المسار الإنتاجي التالي.

وفقًا لتوقعات تدفق المواد الصادرة عن المعهد الدولي للألمنيوم حتى عام 2021، من حوالي 1.6 مليار طن من الألومنيوم الأولي المنتج منذ عام 1888، كان ما يقرب من 74.5% لا يزال قيد الاستخدام. (المعهد الدولي للألمنيوم)

علاوة على ذلك، فإن إعادة التدوير لها ميزة كبيرة في معادلة الطاقة.

وفقًا لمقارنة IAI، في البيانات العالمية لعام 2019، تم حساب احتياجات الطاقة من المنجم إلى المسبك لإنتاج الألومنيوم الأولي بحوالي 186 جيجا جول/طن، وتبلغ احتياجات الطاقة لإنتاج الألومنيوم المعاد تدويره حوالي 8.3 جيجا جول/طن؛وهذا يتوافق مع توفير الطاقة بنسبة 95.5% تقريبًا. من المهم مرة أخرى فهم حدود النظام وطرق الإنتاج بشكل صحيح. (المعهد الدولي للألمنيوم)

ولكن كما رأينا في مقالات سابقة في المجلة، فإن إعادة التدوير ليست مجرد إعادة صهر.

يجب أيضًا التحقق من هوية السبائك والتلوث والمعادن ومتطلبات الجودة.

ولذلك فإن الحياة الثانية للألمنيوم لا تحدث بالصدفة.

يصبح ممكنا مع الهندسة.

من قشرة الأرض إلى الفضاء، وربما العودة إلى نقطة البداية

والآن دعونا نلقي نظرة على رحلة الألومنيوم مرة أخرى:

قشرة

↓

البوكسيت

↓

الألومينا

↓

الألومنيوم المعدني

↓

سبائك الهندسة

↓

صب / تشكيل

↓

مكون الدقة

↓

آلة / مركبة / طائرة / مركبة فضائية

↓

عمر

↓

<p class="MsoNormal" dir="RTL" style="margin: 0cm 0cm 8pt; line-height: 15.6933px; font-size: 11pt; font-family: Aptos, sans-serif; text-align: left; dire