Zasieją rośliny i zbiorą nikiel. Tak ma działać nowa kopalnia

Zamiast drążyć szyb, kruszyć skałę i przerabiać tysiące ton urobku, można posiać rośliny, poczekać aż wyciągną metal z gleby, a później zebrać je podobnie jak zwykły plon. Brzmi jak bardzo okrężna droga do niklu, ale właśnie nad takim systemem pracują amerykańskie laboratoria. W najnowszym eksperymencie naukowcy sprawdzili 360 roślin, a sztuczna inteligencja pomagała na bieżąco wybierać te, które najlepiej radzą sobie z metalem.

Pomysł nosi nazwę phytomining, czyli fitogórnictwo. Wykorzystuje naturalną zdolność niektórych gatunków do pobierania z podłoża niezwykle dużych ilości metali, transportowania ich przez korzenie i odkładania w częściach nadziemnych bez zatrucia własnych tkanek.

Takie rośliny nazywa się hiperakumulatorami. W przypadku niklu znanych jest już ponad 500 gatunków zdolnych do gromadzenia tego pierwiastka w stężeniach, które dla zwykłej rośliny byłyby toksyczne. Po zakończeniu sezonu biomasę można zebrać, wysuszyć, a następnie spalić lub poddać innemu procesowi termicznemu. Powstaje znacznie mniejsza objętość popiołu silnie wzbogaconego w metal, z którego nikiel odzyskuje się później metodami chemicznymi.

Pole nie produkuje więc gotowych sztabek. Produkuje biologiczny koncentrat rudy, który jest znacznie łatwiejszy do przetworzenia niż miliony ton skały zawierającej śladowe ilości cennego pierwiastka.

Ta różnica jest chyba najważniejsza, bo fitogórnictwo nie ma zastąpić kopalni wszędzie. Najbardziej sensowne jest na terenach, gdzie metal występuje w zbyt małym stężeniu, aby tradycyjne wydobycie było opłacalne, albo na glebach zdegradowanych przez wcześniejsze górnictwo i przemysł.

W Oak Ridge National Laboratory wybór padł na obołki polne (Thlaspi arvense). W Polsce ta niewielka roślina z rodziny kapustowatych jest dobrze znanym chwastem pól, zbóż, rzepaku i roślin okopowych. Nie jest przy tym klasycznym niklowym hiperakumulatorem. Zainteresowała badaczy dlatego, że szybko rośnie i jest spokrewniona z roślinami z rodzaju Odontarrhena, które należą do najlepiej poznanych naturalnych pochłaniaczy niklu.

ORNL zebrało 12 różnych linii tobołków pochodzących z różnych części świata i zasadziło łącznie 360 roślin. Ziemię wzbogacano różnymi ilościami niklu, a naukowcy obserwowali, które odmiany nadal szybko rosną, jak reagują na stres i ile metalu są w stanie pobrać. Nie chodziło jeszcze o wyhodowanie pola i policzenie ton niklu po żniwach. Ten eksperyment był etapem selekcji: znalezienia cech i odmian, na których można później budować prawdziwą roślinę przemysłową.

Każda z 360 roślin regularnie podróżowała na automatycznych przenośnikach przez Advanced Plant Phenotyping Laboratory. Kamery o wysokiej rozdzielczości rejestrowały zmiany koloru liści, architektury roślin, tempa wzrostu, reakcji na stres oraz cech związanych z zawartością minerałów.

System wykonywał pomiary trzy razy dziennie. Do końca doświadczenia zgromadzono ponad 24 tys. obserwacji pozwalających prześledzić, jak konkretna roślina reagowała na nikiel przez cały okres wzrostu, a nie tylko w dniu zbioru.

W tradycyjnym eksperymencie podobną pracę wykonują ludzie. ORNL porównało obie metody i 2 badaczy potrzebowało około 6 godz., żeby ręcznie zanotować zaledwie 10 cech wszystkich roślin w jednym punkcie czasowym.

Automatyczne laboratorium wyciąga z obrazów dosłownie setki cech. Problemem przestało więc być zebranie danych, a stało się przeanalizowanie ich w tempie pozwalającym reagować jeszcze podczas eksperymentu.

Tutaj pojawia się drugi element całego projektu. ORNL wykorzystuje system nazwany OPAL, którego częścią jest agentowa sztuczna inteligencja działająca z wykorzystaniem superkomputera Frontier.

Nie jest to chatbot, któremu naukowiec wrzuca tabelkę i prosi o podsumowanie. Agent potrafi zaplanować kolejne kroki analizy, korzystać z narzędzi, pisać i uruchamiać kod, pobierać wyniki, porównywać dane oraz proponować następne eksperymenty.

W doświadczeniu z niklem AI wskazała odmiany najlepiej tolerujące metal, wyszukała rośliny łączące szybki wzrost z odpornością na stres i ustaliła, które cechy widoczne na wczesnym etapie najlepiej przewidują późniejsze gromadzenie niklu.

Analiza ponad 1000 cech, która klasycznymi metodami mogłaby pochłonąć setki godzin pracy, może zostać wykonana w ciągu minuty. Pojedyncze pytanie dotyczące konkretnej cechy i momentu eksperymentu potrafi natomiast przynieść wynik w czasie krótszym niż minuta.

Najlepszy hiperakumulator niekoniecznie jest najlepszą rośliną do fitogórnictwa. Jeśli magazynuje ogromne stężenie niklu, ale rośnie powoli i daje bardzo mało biomasy, z hektara zbierzemy niewiele metalu.

Liczy się więc iloczyn dwóch wartości: koncentracji pierwiastka w roślinie oraz masy, którą jesteśmy w stanie zebrać z pola. To dokładnie taki sam kompromis jak w zwykłym rolnictwie, tylko zamiast kilogramów ziarna interesują nas kilogramy metalu.

Dotychczasowe doświadczenia polowe z prawdziwymi hiperakumulatorami pokazują, że technologia nie jest wyłącznie laboratoryjną ciekawostką. Przeglądy badań z 2026 r. wskazują typowe wyniki około 22,6-77 kg niklu z hektara rocznie w odpowiednio prowadzonych uprawach. W pojedynczych eksperymentach osiągano jeszcze więcej, choć wyniki bardzo silnie zależą od gleby, gatunku, klimatu i sposobu uprawy.

Nie należy jednak przypisywać takich wartości tobołkom z ORNL. Laboratorium w najnowszym komunikacie nie podało jeszcze wydajności niklu z hektara ani koncentracji osiągniętych przez najlepszą z badanych linii. Na tym etapie naukowcy dopiero wybierają materiał biologiczny do dalszego ulepszania.

ORNL mówi szerzej o niklu, kobalcie, selenie oraz pierwiastkach ziem rzadkich. Każdy z tych surowców jest interesujący z innego powodu, ale łączy je znaczenie dla współczesnego przemysłu i bardzo skoncentrowane łańcuchy dostaw.

Nikiel trafia m.in. do stali nierdzewnej, części akumulatorów litowo-jonowych oraz superstopów odpornych na ekstremalne temperatury. Te ostatnie są potrzebne w silnikach odrzutowych, turbinach i sprzęcie wojskowym, dlatego jego dostępność jest również problemem bezpieczeństwa państwa.

Przeczytaj także:

Pierwiastki ziem rzadkich są z kolei potrzebne w magnesach trwałych, elektronice, radarach, silnikach elektrycznych i wielu technologiach obronnych. Jak pisaliśmy na Spider’s Web przy okazji europejskiej miejskiej kopalni, posiadanie surowca to dopiero początek problemu. Trzeba jeszcze kontrolować jego wydobycie, separację i przetwarzanie. Fitogórnictwo mogłoby dołożyć do klasycznych kopalń i recyklingu trzeci strumień dostaw.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI