Nanoryby będą pracować dla ludzkości. No i smartfony będą tańsze

Ocean jest pełen litu potrzebnego do produkcji akumulatorów, ale próba jego wydobycia przypomina trochę zbieranie rozsypanego cukru z jeziora. Pierwiastek występuje w tak małym stężeniu, że zwykły filtr musiałby przerobić gigantyczne ilości wody. Amerykanie chcą więc wysłać za nim maleńkie, samodzielnie poruszające się cząstki przypominające ławicę ryb.

Za pomysłem stoi zespół Texas A&M University kierowany przez Shiren Wanga i Jingjing Qiu. Projekt otrzymał nazwę MINE-Li, pochodzącą od określenia niestacjonarne wydobywanie litu przy pomocy mikro- i nanorobotów.

Robot jest tu słowem używanym dość szeroko. Nie należy wyobrażać sobie miniaturowej metalowej rybki z oczami, silnikiem i komputerem. Powstające konstrukcje będą mikroskopijnymi cząstkami o specjalnie zaprojektowanej powierzchni. Ich dwie strony mają różnić się składem i właściwościami, dlatego naukowcy określają je jako cząstki Janusa – od rzymskiego boga przedstawianego z dwiema twarzami.

Asymetryczna budowa umożliwia wprawienie takiej cząstki w ruch. W zależności od wersji może reagować na światło, zewnętrzne pole magnetyczne albo obecność niewielkiej ilości nadtlenku wodoru. Wokół cząstki powstaje wtedy różnica sił lub stężeń i całość zaczyna przesuwać się przez ciecz.

To właśnie ten ruch skłonił badaczy do porównania ich z rybami. Zamiast czekać, aż przepływająca woda sama dostarczy jony litu do nieruchomego filtra, mikroroboty mają aktywnie przemieszczać się w poszukiwaniu surowca. Na ich powierzchni znajdzie się materiał wychwytujący przede wszystkim jony litu. Po nasyceniu cząstki zostaną przyciągnięte polem magnetycznym, zebrane, oczyszczone i skierowane do kolejnego cyklu.

Przynajmniej tak wygląda plan. Na razie zespół rozpoczyna finansowany przez Departament Energii USA program badawczy. Do prawdziwego roju pracującego w morzu nadal jest daleko.

Woda morska wygląda jak niemal niewyczerpane złoże. Rozpuszczona w całym oceanie ilość litu wielokrotnie przekracza znane zasoby znajdujące się na lądzie. Problem tkwi jednak w stężeniu. W litrze przeciętnej wody morskiej znajduje się około 0,18 mg litu. Oznacza to, że nawet przy nierealistycznej, stuprocentowej skuteczności trzeba byłoby przetworzyć około 5,6 mln l wody, aby odzyskać zaledwie 1 kg pierwiastka.

Do tego lit nie pływa samotnie. W wodzie znajdują się ogromne ilości sodu, magnezu, potasu, wapnia i innych pierwiastków. Wiele z ich jonów jest chemicznie podobnych, a przy tym występuje w stężeniach tysiące razy większych. Materiał wychwytujący lit musi więc ignorować tłum i przywiązywać szczególną wagę do jednego rzadkiego gościa.

Właśnie ta selektywność jest jednym z największych problemów wszystkich technologii próbujących czerpać surowce z oceanu. Filtr może świetnie chłonąć metale, lecz jeżeli razem z niewielką ilością litu zatrzyma kilogramy magnezu, późniejsze rozdzielanie mieszaniny pochłonie pieniądze i energię.

Mikroroboty mają poprawić kontakt sorbentu z wodą. Nieruchomy materiał działa wyłącznie tam, gdzie docierają do niego jony. Ruchoma cząstka nieustannie zmienia położenie, miesza cienką warstwę cieczy wokół siebie i zwiększa szansę na spotkanie z litem.

Amerykański Departament Energii zakłada, że taki aktywny sposób poszukiwania i adsorpcji może dać poprawę przekraczającą 95 proc. wobec rozwiązania stacjonarnego. To jednak cel projektu, a nie wynik działającej już instalacji.

Dziś lit pochodzi głównie z dwóch źródeł. Pierwszym są kopalnie twardych skał zawierających takie minerały, jak spodumen. Skałę trzeba wydobyć, rozdrobnić, podgrzać i poddać obróbce chemicznej. Proces jest skuteczny, lecz wymaga energii i pozostawia dużą ilość odpadów.

Drugim źródłem są podziemne solanki. W tradycyjnym wariancie pompuje się je do ogromnych basenów, gdzie przez wiele miesięcy woda odparowuje, a stężenie soli stopniowo rośnie. Dopiero później z mieszaniny wydziela się związki litu.

Taka metoda zajmuje olbrzymie powierzchnie i może wpływać na lokalne zasoby wodne, szczególnie w suchych regionach Ameryki Południowej. Nowe technologie bezpośredniej ekstrakcji litu próbują pominąć odparowywanie, ale nadal wymagają instalacji, pomp, sorbentów i przerabiania dużych strumieni solanki.

Jak pisaliśmy w tekście: W końcu dobre wieści. Akumulatory i baterie będą dużo tańsze, zespół MIT opracował niedawno metodę odzyskiwania litu ze spodumenu w temperaturze poniżej 100 st. C. Pokazuje to, jak wiele różnych zespołów próbuje dziś poprawić każdy fragment łańcucha – od wydobycia skały po chemiczne oczyszczenie surowca.

MINE-Li idzie w zupełnie przeciwną stronę. Nie próbuje usprawnić kopalni, tylko dotrzeć do zasobu, który znajduje się praktycznie wszędzie. Według badaczy mobilne cząstki mogłyby działać bez odkrywek i rozległych pól odparowujących.

Hasło o niemal zerowym śladzie infrastrukturalnym brzmi bardzo ciekawie, jednak należy traktować je głównie jako ambicję. Roboty trzeba przecież wyprodukować, uruchomić, zebrać, oczyścić, ponownie rozmieścić i zasilać urządzenia wytwarzające światło lub pole magnetyczne. Potrzebna będzie też instalacja oddzielająca lit od sorbentu i zamieniająca go w związek nadający się do produkcji akumulatorów. Kopalnia może zniknąć z krajobrazu, ale fabryka chemiczna nie rozpłynie się w morskiej pianie.

Wizja swobodnie pływających nanocząstek natychmiast rodzi dość oczywiste pytanie: co się stanie, jeżeli część z nich nie wróci? Badacze chcą odzyskiwać roboty za pomocą pola magnetycznego. Ich konstrukcja ma więc zawierać materiał podatny na przyciąganie, prawdopodobnie umieszczony w rdzeniu cząstki. Pozwalałoby to zebrać nasyconą ławicę bez filtrowania całego zbiornika.

W kontrolowanym reaktorze można otoczyć miejsce pracy magnesami, poprowadzić wodę określoną trasą i kilkukrotnie sprawdzić, czy wszystkie cząstki zostały usunięte. Otwarty ocean jest znacznie mniej uprzejmy. Ma prądy, fale, organizmy, osady, sól, zmienne temperatury i ogromną przestrzeń, w której zgubienie mikroskopijnego obiektu jest niezwykle łatwe. Cząstki mogłyby osiadać na dnie, przyklejać się do materii organicznej albo zostać połknięte przez plankton. Ich powłoka może też zużywać się podczas wielokrotnej pracy i uwalniać składniki do wody.

Dlatego naukowcy nie zapowiadają dziś rozsypywania robotów z pokładu statku. Najpierw powstaną wersje laboratoryjne, później większe instalacje demonstracyjne i testy w środowisku morskim. Zespół ma zbadać trwałość materiałów oraz wpływ przyszłego wdrożenia na środowisko.

Najbardziej realistyczny pierwszy wariant może zresztą wcale nie przypominać ławicy wypuszczonej na pełne morze. Mikroroboty mogłyby pracować w zamkniętych zbiornikach, instalacjach przybrzeżnych albo w strumieniach solanki będących odpadem z odsalania wody. Tam stężenie składników jest większe, a odzyskanie cząstek znacznie łatwiejsze.

Pomysł pozyskiwania metali z wody wraca regularnie, ponieważ oceany zawierają niemal wszystkie pierwiastki obecne w skorupie ziemskiej. Przeszkodą zazwyczaj nie jest brak surowca, tylko energia i cena potrzebne do oddzielenia go od ogromnej ilości wody.

W podobny sposób rozwijane są materiały mające wychwytywać uran, pierwiastki ziem rzadkich czy metale występujące w ściekach przemysłowych. Część przypomina maty zanurzane w wodzie, inne wykorzystują membrany, reakcje elektrochemiczne albo mikroorganizmy.

Przeczytaj także:

Jednocześnie coraz głośniej mówi się o wydobyciu konkrecji zalegających na dnie oceanu. Te skalne bryły zawierają nikiel, kobalt, mangan i miedź potrzebne nowoczesnemu przemysłowi. Jak pisaliśmy w tekście: Szokujące odkrycie na dnie oceanu. Nasza wiedza wywrócona do góry nogami, konkrecje mogą uczestniczyć w powstawaniu tak zwanego ciemnego tlenu. To dodatkowo komplikuje rozmowę o ich masowym zbieraniu, bo nadal nie rozumiemy wszystkich procesów zachodzących w głębinach.

Mikroroboty mają tę przewagę, że nie muszą zrywać dna ani przemieszczać tysięcy ton osadów. Nie oznacza to jednak automatycznie zerowego wpływu. Wprowadzenie ogromnej liczby syntetycznych cząstek do środowiska wodnego samo w sobie wymagałoby wyjątkowo mocnych zabezpieczeń. Zespół Texas A&M musi więc rozwiązać dwa problemy jednocześnie. Robot powinien skutecznie znaleźć niezwykle rozcieńczony lit, a potem dać się znaleźć człowiekowi.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI