Modern Dünya Bu Dört Malzeme Olmadan Var Olmaz

Minsan yapımı birçok malzemenin seri üretimi olmadan modern toplumlar imkansız olurdu. Mikroçipler veya kişisel bilgisayarlar olmadan bol miktarda yiyecek, maddi rahatlık ve iyi eğitim ve sağlık hizmetlerine erişim sağlayan varlıklı bir uygarlığa sahip olabilirdik: 1970’lere kadar bir tane vardı ve 1990’lara kadar ekonomileri genişletmeyi, inşa etmeyi başardık. gerekli altyapılar ve herhangi bir akıllı telefon ve sosyal medya olmadan jet uçakları ile dünyayı birbirine bağlayın. Ancak sayısız buluşumuzu somutlaştırmak için gerekli birçok malzeme sağlanmadan yaşam kalitemizin tadını çıkaramazdık.

Zorunluluk ölçeğinde en üst sıralarda yer alan dört malzeme, benim modern uygarlığın dört direği olarak adlandırdığım şeyi oluşturur: çimento, çelik, plastik ve amonyak, diğer temel girdilerden daha büyük miktarlarda gereklidir. Dünya şu anda yılda yaklaşık 4,5 milyar ton çimento, 1,8 milyar ton çelik, yaklaşık 400 milyon ton plastik ve 180 milyon ton amonyak üretiyor. Ancak en önemli malzememiz olarak en üst sırayı hak eden şey amonyaktır: sentezi tüm azotlu gübrelerin temelidir ve bunların uygulamaları olmadan günümüzün yaklaşık 8 milyar insanının yaklaşık yarısını mevcut seviyelerde beslemek imkansız olurdu.

Dünyanın en kalabalık ülkesinde bağımlılık daha da fazla: Beş Çinliden üçünü beslemek bu bileşiğin sentezine bağlı. Bu bağımlılık, amonyak sentezini tarihteki en önemli teknik ilerleme olarak adlandırmayı kolayca haklı çıkarır: diğer buluşlar bizim konforumuzu, rahatlığımızı veya zenginliğimizi sağlar veya hayatımızı uzatır – ancak amonyak sentezi olmadan, bugün hayatta olan milyarlarca insanın hayatta kalmasını ve hayatta kalmasını garanti edemezdik. henüz doğmak üzere.

Plastikler, ortak özellikleri istenilen şekillerde kalıplanabilmeleri olan büyük bir sentetik organik malzeme grubudur ve artık her yerdeler. Bunu yazarken, Dell dizüstü bilgisayarımın anahtarları ve sağ avucumun altındaki kablosuz fare akrilonitril bütadien stirenden yapılmış, polyester kumaşla kaplanmış döner bir sandalyeye oturuyorum ve naylon tekerlekleri polikarbonat bir halı koruma matına dayanıyor. bir polyester halıyı kaplar. Ancak plastikler artık genel olarak sağlık hizmetlerinde ve özelde de hastanelerde en vazgeçilmezdir. Hayat şimdi (doğum koğuşlarında) başlıyor ve (yoğun bakım ünitelerinde) her şeyden önce farklı PVC türlerinden yapılmış plastik parçalarla çevrili olarak bitiyor: esnek tüpler (hastaları beslemek, oksijen vermek ve kan basıncını izlemek için), kateterler, damar içi kaplar, kan torbaları, steril ambalajlar, tepsiler ve leğenler, sürgü ve yatak korkulukları, termal battaniyeler.

Çeliğin gücü, dayanıklılığı ve çok yönlülüğü, modern uygarlığın görünümünü belirler ve en temel işlevlerini sağlar. Bu en yaygın kullanılan metaldir ve gökdelenlerden neşterlere kadar modern uygarlığın sayısız görünen ve görünmeyen kritik bileşenlerini oluşturur. Ayrıca, kullandığımız hemen hemen tüm diğer metalik ve metalik olmayan ürünler, çelikten yapılmış alet ve makinelerle çıkarılmış, işlenmiş, şekillendirilmiş, bitmiş ve dağıtılmıştır ve günümüzün toplu taşıma araçlarının hiçbiri çelik olmadan çalışamaz. Ortalama bir araba yaklaşık 900 kilogram çelik içeriyor ve Covid-19 çarpmadan önce dünya yılda yaklaşık 100 milyon araç üretiyordu.

Çimento, elbette, betonun ana bileşenidir: kum, çakıl ve su ile birleştiğinde, en yoğun olarak kullanılan malzemeyi oluşturur. Modern şehirler, köprüler, tüneller, yollar, barajlar, pistler ve limanlar gibi betonun somut örnekleridir. Çin şu anda dünya çimentosunun yarısından fazlasını üretiyor ve son yıllarda sadece iki yılda ABD’nin 20. yüzyılın tamamında yaptığı kadarını üretiyor. Şaşırtıcı bir başka istatistik de, dünyanın şimdi bir yılda 20. yüzyılın tüm ilk yarısında tükettiğinden daha fazla çimento tüketmesidir.

Ve bu dört malzeme, özelliklerinden ve niteliklerinden çok farklı olarak, üç ortak özelliği paylaşırlar: başka malzemelerle kolayca değiştirilemezler (kesinlikle yakın gelecekte veya küresel ölçekte değil); gelecekte çok daha fazlasına ihtiyacımız olacak; ve kitlesel üretimleri büyük ölçüde fosil yakıtların yanmasına bağlıdır ve bu da onları sera gazı emisyonlarının ana kaynakları haline getirir. Organik gübreler sentetik amonyağın yerini alamaz: düşük nitrojen içerikleri ve dünya çapındaki kütleleri, tüm gübreler ve mahsul artıkları geri dönüştürülse bile yeterli değildir. Başka hiçbir malzeme, plastikler gibi pek çok hafif ancak dayanıklı kullanım için bu tür avantajlar sunmaz. Başka hiçbir metal çelik kadar ekonomik olarak güçlü değildir. Başka hiçbir seri üretilen malzeme, beton (genellikle çelikle güçlendirilmiş) kadar güçlü bir altyapı inşa etmek için uygun değildir.

Gelecekteki ihtiyaçlara gelince, yüksek gelirli ülkeler gübre kullanımını azaltabilir (daha az et yemek, daha az israf) ve iki yoğun kullanıcı olan Çin ve Hindistan da aşırı gübre uygulamalarını azaltabilir, ancak Afrika en hızlı olan kıtadır. -artan nüfus, halihazırda önemli bir gıda ithalatçısı olmasına rağmen gübreden yoksun kalmaktadır. Daha fazla gıda kendi kendine yeterliliği için herhangi bir umut, artan nitrojen kullanımına dayanmaktadır: sonuçta, kıtanın son zamanlardaki amonyak kullanımı, Avrupa ortalamasının üçte birinden daha az olmuştur. Genişleyen tıbbi (yaşlanan nüfus) ve altyapı (boru) kullanımları ve ulaşım için daha fazla plastik gerekecek (uçakların ve yüksek hızlı trenlerin iç kısmına bakınız). Amonyakta olduğu gibi, altyapıları ve ulaşımı az gelişmiş tüm düşük gelirli ülkelerde çelik tüketiminin artması gerekiyor. Ve beton yapmak için çok daha fazla çimentoya ihtiyaç duyulacak: zengin ülkeler çürüyen altyapıları onarmak için (ABD’de, betonun hakim olduğu tüm sektörler, barajlar, yollar ve havacılık dahil, ülke çapında mühendislik değerlendirmelerinde D notu alıyor), düşük gelirli ülkelerde şehirleri, kanalizasyonları ve ulaşımı genişletin.

Ayrıca, yenilenebilir enerjilere hızla gelişen geçiş, büyük miktarlarda çelik, beton ve plastik gerektirecek. Hiçbir yapı, büyük rüzgar türbinlerinden daha fazla “yeşil” elektrik üretiminin sembolü değildir – ancak temelleri betonarmedir, kuleleri, motorları ve rotorları çeliktir ve devasa kanatları enerji yoğundur ve geri dönüştürülmesi zordur – plastik reçinelerdir. , ve tüm bu dev parçaların kurulum alanlarına büyük boyutlu kamyonlar (veya gemiler) tarafından getirilmeli ve büyük çelik vinçler tarafından dikilmeli ve türbin dişli kutuları tekrar tekrar yağ ile yağlanmalıdır. Bu türbinler, ancak bu malzemelerin tümü herhangi bir fosil yakıt kullanılmadan üretilseydi gerçekten yeşil elektrik üretebilirdi.

Fosil yakıtlar, tüm bu malzemelerin üretilmesi için vazgeçilmez olmaya devam etmektedir.

Amonyak sentezinde hem hidrojen kaynağı olarak hem de yüksek sıcaklık ve basınç sağlamak için gereken enerji kaynağı olarak doğal gaz kullanılır. Tüm plastiklerin yaklaşık %85’i doğal gaz ve ham petrolden türetilen basit moleküllere dayanmaktadır ve hidrokarbonlar da sentezler için enerji sağlar. Birincil çelik üretimi, demir cevherinin yüksek fırında, kömürden yapılan kok varlığında ve doğal gaz ilavesiyle eritilmesiyle başlar ve ortaya çıkan dökme demir, büyük bazik oksijen fırınlarında çeliğe dönüştürülür. Çimento ise, öğütülmüş kireçtaşı ve kil, büyük fırınlarda şeyl, uzun eğimli metal silindirler, kömür tozu, petrol koku ve ağır fuel oil gibi düşük kaliteli fosil yakıtlarla ısıtılarak üretilir.

Sonuç olarak, bu dört vazgeçilmez malzemenin küresel üretimi, dünyanın yıllık toplam enerji arzının yaklaşık yüzde 17’sini talep etmekte ve fosil yakıtların yanmasından kaynaklanan tüm CO2 emisyonlarının yaklaşık yüzde 25’ini oluşturmaktadır. Bu bağımlılığın yaygınlığı ve büyüklüğü, modern uygarlığın dört temel direğinin karbonsuzlaştırılmasını alışılmadık şekilde zorlaştırıyor: üretimlerinde fosil yakıtları değiştirmek, yenilenebilir (esas olarak rüzgar ve güneş) dönüşümlerinden daha fazla elektrik üretmekten çok daha zor ve maliyetli olacaktır. Sonunda, yeni süreçler devreye girecek – ancak şu anda mevcut küresel kapasitelerin büyük paylarını yerinden etmek için hemen uygulanabilecek hiçbir alternatif yok: bunların gelişimi zaman alacak.

Amonyak sentezi ve çeliğin eritilmesi, doğal gaz ve kok yerine hidrojene dayalı olabilir. Bunu nasıl yapacağımızı biliyoruz – ancak rüzgar veya güneş elektriği kullanılarak suyun elektrolizinden elde edilen yüz milyon ton yeşil hidrojen üretmemiz biraz zaman alacak (günümüzdeki hidrojenin neredeyse tamamı doğal gaz ve kömürden elde edilmektedir) . En iyi tahmin, yeşil hidrojenin 2030 yılına kadar dünya enerji tüketiminin %2’sini sağlayacağı, bu da nihayetinde amonyak ve çelik üretimini karbondan arındırmak için ihtiyaç duyulacak olan yüz milyon tonun çok altında. Buna karşılık, çimento üretiminin karbondan arındırılması ancak atık malzemeler ve biyokütle kullanılarak bir yere kadar gidebilir ve çimento CO2’siz hale getirmek için yeni süreçlerin geliştirilmesi ve ticarileştirilmesi gerekir. Benzer şekilde, plastik üretimini karbondan arındırmanın basit bir yolu yoktur ve önlemler, bitki besleme stoklarından daha fazla geri dönüşüme ve diğer malzemelerin ikamesine kadar uzanacaktır.

Ve bu dört malzeme sütununun ötesinde, yeni ve yüksek düzeyde enerji yoğun malzeme bağımlılıkları ortaya çıkıyor ve elektrikli arabalar en iyi örnekleridir Yaklaşık 450 kilogram ağırlığındaki tipik bir lityum araba aküsü, yaklaşık 11 kilogram lityum, yaklaşık 14 kilogram kobalt, 27 kilogram nikel, 40 kilogramdan fazla bakır ve 50 kilogram grafitin yanı sıra yaklaşık 181 kilogram çelik, alüminyum ve plastik. Bu malzemeleri tek bir araç için tedarik etmek, yaklaşık 40 ton cevherin işlenmesini gerektirir ve cevherlerindeki birçok elementin düşük konsantrasyonu göz önüne alındığında, yaklaşık 225 ton hammaddenin çıkarılmasını ve işlenmesini gerektirir. Ve karayolu taşımacılığının agresif bir şekilde elektrifikasyonu, yakında bu ihtiyaçların yılda on milyonlarca birim ile çarpılmasını gerektirecektir!

İster amonyak bazlı gübreler olsun, ister hala büyüyen küresel nüfusu beslemek için olsun, modern ekonomiler her zaman büyük malzeme akışlarına bağlı olacaktır; yeni aletler, makineler, yapılar ve altyapılar için ihtiyaç duyulan plastik, çelik ve çimento; veya güneş pilleri, rüzgar türbinleri, elektrikli arabalar ve akümülatörler üretmek için gereken yeni girdiler. Ve bu malzemeleri çıkarmak ve işlemek için kullanılan tüm enerjiler yenilenebilir dönüşümlerden gelene kadar, modern uygarlık temel olarak bu vazgeçilmez malzemelerin üretiminde kullanılan fosil yakıtlara bağımlı kalacaktır. Hiçbir yapay zeka tasarımı, hiçbir uygulama, hiçbir “kaydileştirme” iddiası bunu değiştirmeyecek.

Dan uyarlandı DÜNYA GERÇEKTEN NASIL ÇALIŞIYOR Penguin Random House, LLC’nin bir bölümü olan Penguin Publishing Group’un bir baskısı olan Viking tarafından yayınlanan Vaclav Smil tarafından. Telif hakkı © 2022 Vaclav Smil’e aittir.

Bize Ulaşın [email protected] adresinde.