Economia delle risorse naturali
Background e introduzioneModifica
Il concetto di risorsa perpetua è complesso perché il concetto di risorsa è complesso e cambia con l’avvento di nuove tecnologie (di solito recupero più efficiente), nuovi bisogni, e in misura minore con nuove economie (ad esempio, cambiamenti nei prezzi del materiale, cambiamenti nei costi energetici, ecc.) Da un lato, un materiale (e le sue risorse) può entrare in un momento di penuria e diventare un materiale strategico e critico (una crisi di esaurimento immediato), ma dall’altro lato un materiale può andare fuori uso, la sua risorsa può procedere ad essere perpetua se prima non lo era, e poi la risorsa può diventare una paleo-risorsa quando il materiale va quasi completamente fuori uso (ad esempio le risorse di selce a punta di freccia). Alcune delle complessità che influenzano le risorse di un materiale includono il grado di riciclabilità, la disponibilità di sostituti adatti per il materiale nei suoi prodotti di uso finale, più alcuni altri fattori meno importanti.
Il governo federale divenne improvvisamente irresistibilmente interessato alle questioni delle risorse il 7 dicembre 1941, poco dopo che il Giappone tagliò fuori gli Stati Uniti dallo stagno e dalla gomma e rese molto difficile ottenere alcuni altri materiali, come il tungsteno. Questo fu il caso peggiore per la disponibilità di risorse, diventando un materiale strategico e critico. Dopo la guerra fu creata una scorta governativa di materiali strategici e critici, con circa 100 materiali diversi che furono acquistati in contanti o ottenuti scambiando per essi i prodotti agricoli statunitensi. A lungo termine, la scarsità di stagno portò in seguito a sostituire completamente i fogli di alluminio con la carta stagnola e le lattine di acciaio rivestite di polimeri e gli imballaggi asettici con le lattine di acciaio galvanizzate con lo stagno.
Le risorse cambiano nel tempo con la tecnologia e l’economia; un recupero più efficiente porta a un calo del grado del minerale necessario. Il grado medio del minerale di rame lavorato è sceso dal 4,0% di rame nel 1900 all’1,63% nel 1920, 1,20% nel 1940, 0,73% nel 1960, 0,47% nel 1980 e 0,44% nel 2000.
Il cobalto è stato in uno stato di approvvigionamento incerto da quando il Congo belga (l’unica fonte significativa di cobalto al mondo) ha ottenuto una frettolosa indipendenza nel 1960 e la provincia produttrice di cobalto si è separata come Katanga, seguita da diverse guerre e insurrezioni, rimozioni di governi locali, ferrovie distrutte e nazionalizzazioni. Tutto ciò fu coronato da un’invasione della provincia da parte dei ribelli del Katanga nel 1978 che interruppe la fornitura e il trasporto e causò una breve triplicazione del prezzo del cobalto. Mentre la fornitura di cobalto era interrotta e il prezzo schizzava in alto, il nichel e altri sostituti furono spinti in servizio.
In seguito a ciò, l’idea di una “guerra delle risorse” da parte dei sovietici divenne popolare. Piuttosto che il caos che risultò dalla situazione zairese del cobalto, questa sarebbe stata pianificata, una strategia progettata per distruggere l’attività economica al di fuori del blocco sovietico attraverso l’acquisizione di risorse vitali con mezzi non economici (militari?) al di fuori del blocco sovietico (Terzo Mondo?), poi trattenendo questi minerali dall’Occidente.
Un modo importante di aggirare una situazione di cobalto o una situazione di “Guerra delle Risorse” è di usare sostituti per un materiale nei suoi usi finali. Alcuni criteri per un sostituto soddisfacente sono (1) pronta disponibilità interna in quantità adeguate o disponibilità da nazioni contigue, o possibilmente da alleati d’oltremare, (2) possesso di proprietà fisiche e chimiche, prestazioni e longevità paragonabili al materiale di prima scelta, (3) comportamento e proprietà ben stabilite e conosciute, in particolare come componente in leghe esotiche, e (4) una capacità di lavorazione e fabbricazione con cambiamenti minimi nella tecnologia esistente, impianti di capitale e strutture di lavorazione e fabbricazione. Alcune sostituzioni suggerite erano l’alunite per la bauxite per fare l’allumina, il molibdeno e/o il nichel per il cobalto, e i radiatori delle automobili in lega di alluminio per quelli in lega di rame. I materiali possono essere eliminati senza sostituirli, per esempio usando scariche di elettricità ad alta tensione per modellare oggetti duri che prima erano modellati da abrasivi minerali, dando prestazioni superiori a costi inferiori, o usando computer/satelliti per sostituire il filo di rame (linee terrestri).
Un modo importante di sostituire una risorsa è per sintesi, per esempio, i diamanti industriali e molti tipi di grafite, anche se un certo tipo di grafite potrebbe essere quasi sostituito da un prodotto riciclato. La maggior parte della grafite è sintetica, per esempio gli elettrodi di grafite, la fibra di grafite, le forme di grafite (lavorate o non lavorate) e la polvere di grafite.
Un altro modo di sostituire o estendere una risorsa è il riciclaggio del materiale desiderato da rottami o rifiuti. Questo dipende dal fatto che il materiale sia dissipato o disponibile come prodotto durevole non più utilizzabile. Il recupero del prodotto durevole dipende dalla sua resistenza alla rottura chimica e fisica, dalle quantità disponibili, dal prezzo di disponibilità e dalla facilità di estrazione dal prodotto originale. Per esempio, il bismuto nella medicina dello stomaco è irrimediabilmente disperso (dissipato) e quindi impossibile da recuperare, mentre le leghe di bismuto possono essere facilmente recuperate e riciclate. Un buon esempio in cui il riciclaggio fa una grande differenza è la situazione della disponibilità di risorse per la grafite, dove la grafite in scaglie può essere recuperata da una risorsa rinnovabile chiamata kish, uno scarto della siderurgia creato quando il carbonio si separa come grafite all’interno del kish dal metallo fuso insieme alle scorie. Dopo che si è raffreddato, il kish può essere lavorato.
È necessario introdurre diversi altri tipi di risorse. Se i materiali strategici e critici sono il caso peggiore per le risorse, a meno che non siano mitigati dalla sostituzione e/o dal riciclaggio, uno dei migliori è una risorsa abbondante. Una risorsa abbondante è una risorsa il cui materiale ha finora trovato poco uso, come l’uso di argille ad alta luminosità o anortosite per produrre allumina, e il magnesio prima che fosse recuperato dall’acqua di mare. Una risorsa abbondante è abbastanza simile a una risorsa perpetua. La base di riserva è la parte di una risorsa identificata che ha un ragionevole potenziale di diventare economicamente disponibile in un momento successivo a quello in cui la tecnologia attualmente provata e l’economia corrente sono in funzione. Le risorse identificate sono quelle la cui posizione, grado, qualità e quantità sono note o stimate da specifiche prove geologiche. Le riserve sono quella parte della base delle riserve che può essere estratta economicamente al momento della determinazione; le riserve non dovrebbero essere usate come un surrogato delle risorse perché sono spesso distorte dalla tassazione o dalle necessità di pubbliche relazioni della società proprietaria.
Modelli completi delle risorse naturaliModifica
Harrison Brown e soci hanno dichiarato che l’umanità elaborerà “minerali” di grado sempre più basso. Il ferro proverrà da materiale ferroso di bassa qualità, come la roccia grezza di qualsiasi formazione di ferro, non molto diverso dall’input usato oggi per fare pellet di taconite in Nord America e altrove. Con il declino delle riserve di carbone da coke, la produzione di ghisa e acciaio utilizzerà processi che non utilizzano il coke (cioè l’acciaio elettrico). L’industria dell’alluminio potrebbe passare dall’uso della bauxite a quello dell’anortosite e dell’argilla. Il consumo di magnesio metallico e di magnesia (per esempio nei refrattari), attualmente ottenuto dall’acqua di mare, aumenterà. Lo zolfo sarà ottenuto dalle piriti, poi dal gesso o dall’anidrite. Metalli come il rame, lo zinco, il nichel e il piombo saranno ottenuti dai noduli di manganese o dalla formazione Phosphoria (sic!). Questi cambiamenti potrebbero avvenire in modo irregolare in diverse parti del mondo. Mentre l’Europa e il Nord America potrebbero usare l’anortosite o l’argilla come materia prima per l’alluminio, altre parti del mondo potrebbero usare la bauxite, e mentre il Nord America potrebbe usare la taconite, il Brasile potrebbe usare il minerale di ferro. Appariranno nuovi materiali (nota: sono apparsi), il risultato dei progressi tecnologici, alcuni come sostituti e altri con nuove proprietà. Il riciclaggio diventerà più comune e più efficiente (nota: l’ha fatto!). In definitiva, i minerali e i metalli si otterranno processando roccia “media”. Rock, 100 tonnellate di roccia ignea “media”, produrranno otto tonnellate di alluminio, cinque tonnellate di ferro e 0,6 tonnellate di titanio.
Il modello USGS basato sui dati di abbondanza crostale e la relazione riserva-abbondanza di McKelvey, è applicato a diversi metalli nella crosta terrestre (in tutto il mondo) e nella crosta degli Stati Uniti. Le risorse potenziali attualmente recuperabili (tecnologia attuale, economia) che si avvicinano di più alla relazione di McKelvey sono quelle che sono state cercate da più tempo, come rame, zinco, piombo, argento, oro e molibdeno. I metalli che non seguono la relazione di McKelvey sono quelli che sono sottoprodotti (dei metalli principali) o che non sono stati vitali per l’economia fino a poco tempo fa (titanio, alluminio in misura minore). Il bismuto è un esempio di un metallo sottoprodotto che non segue molto bene la relazione; le riserve di piombo al 3% negli Stati Uniti occidentali avrebbero solo 100 ppm di bismuto, chiaramente troppo basso grado per una riserva di bismuto. Il potenziale mondiale di risorse recuperabili è di 2.120 milioni di tonnellate per il rame, 2.590 milioni di tonnellate per il nichel, 3.400 milioni di tonnellate per lo zinco, 3.519 miliardi di tonnellate per l’alluminio e 2.035 miliardi di tonnellate per il ferro.
Diversi autori hanno ulteriori contributi. Alcuni pensano che il numero di sostituti sia quasi infinito, in particolare con il flusso di nuovi materiali dall’industria chimica; prodotti finali identici possono essere fatti da materiali e punti di partenza diversi. La plastica può essere un buon conduttore elettrico. Dato che tutti i materiali sono 100 volte più deboli di quanto dovrebbero essere teoricamente, dovrebbe essere possibile eliminare le zone di dislocazione e rinforzarle notevolmente, permettendo di utilizzare quantità minori. Per riassumere, le aziende “minerarie” avranno prodotti sempre più diversificati, l’economia mondiale si sta spostando dai materiali verso i servizi, e la popolazione sembra livellarsi, tutto ciò implica una minore crescita della domanda di materiali; molti dei materiali saranno recuperati da rocce poco comuni, ci saranno molti più coprodotti e sottoprodotti da una data operazione, e più commercio di minerali e materiali.
Tendenza verso le risorse perpetueModifica
Come la nuova tecnologia radicale ha un impatto sempre più potente sul mondo dei materiali e dei minerali, i materiali usati hanno sempre più probabilità di avere risorse perpetue. Ci sono già sempre più materiali che hanno risorse perpetue e sempre meno materiali che hanno risorse non rinnovabili o sono materiali strategici e critici. Alcuni materiali che hanno risorse perpetue come il sale, la pietra, il magnesio e l’argilla comune sono stati menzionati in precedenza. Grazie alla nuova tecnologia, i diamanti sintetici sono stati aggiunti alla lista delle risorse perpetue, poiché possono essere facilmente fatti da un grumo di un’altra forma di carbonio. La grafite sintetica è prodotta in grandi quantità (elettrodi di grafite, fibre di grafite) a partire da precursori di carbonio come il coke di petrolio o una fibra tessile. Una ditta chiamata Liquidmetal Technologies, Inc. sta utilizzando la rimozione delle dislocazioni in un materiale con una tecnica che supera i limiti di prestazione causati da debolezze intrinseche nella struttura atomica del cristallo. Crea leghe metalliche amorfe, che mantengono una struttura atomica casuale quando il metallo caldo si solidifica, piuttosto che la struttura atomica cristallina (con dislocazioni) che normalmente si forma quando il metallo caldo si solidifica. Queste leghe amorfe hanno proprietà prestazionali molto migliori del solito; per esempio, le loro leghe Liquidmetal di zirconio-titanio sono il 250% più forti di una lega di titanio standard. Le leghe Liquidmetal possono soppiantare molte leghe ad alte prestazioni.
L’esplorazione del fondo dell’oceano negli ultimi cinquant’anni ha rivelato noduli di manganese e noduli di fosfato in molte località. Più recentemente, sono stati scoperti depositi di solfuro polimetallico e “fanghi neri” di solfuro polimetallico sono attualmente depositati da “fumatori neri” La situazione di scarsità di cobalto del 1978 ha ora una nuova opzione: recuperarlo dai noduli di manganese. Una ditta coreana prevede di iniziare a sviluppare un’operazione di recupero di noduli di manganese nel 2010; i noduli di manganese recuperati sarebbero in media dal 27% al 30% di manganese, dall’1,25% all’1,5% di nichel, dall’1% all’1,4% di rame, e dallo 0,2% allo 0,25% di cobalto (grado commerciale). sta progettando di recuperare materiale di qualità commerciale con una media del 29,9% di zinco, del 2,3% di piombo e dello 0,5% di rame da depositi massicci di solfuro polimetallico sul fondo dell’oceano utilizzando un dispositivo subacqueo simile a un aspirapolvere che combina alcune tecnologie attuali in un modo nuovo. Partner di Nautilus sono Tech Cominco Ltd. e Anglo-American Ltd., aziende internazionali leader a livello mondiale.
Ci sono anche altre tecniche di estrazione robotica che potrebbero essere applicate sotto l’oceano. Rio Tinto sta usando collegamenti satellitari per permettere ai lavoratori a 1500 chilometri di distanza di far funzionare gli impianti di perforazione, caricare il carico, scavare il minerale e scaricarlo su nastri trasportatori, e piazzare gli esplosivi per far esplodere successivamente la roccia e la terra. L’azienda può mantenere i lavoratori fuori pericolo in questo modo, e anche usare meno lavoratori. Questa tecnologia riduce i costi e compensa il declino del contenuto di metallo delle riserve di minerali. Così una varietà di minerali e metalli sono ottenibili da fonti non convenzionali con risorse disponibili in quantità enormi.
Infine, cos’è una risorsa perpetua? La definizione ASTM per una risorsa perpetua è “una che è virtualmente inesauribile su una scala temporale umana”. Gli esempi forniti includono l’energia solare, l’energia delle maree e l’energia eolica, a cui si dovrebbero aggiungere il sale, la pietra, il magnesio, i diamanti e altri materiali menzionati sopra. Uno studio sugli aspetti biogeofisici della sostenibilità ha elaborato una regola di prudenza secondo la quale uno stock di risorse dovrebbe durare 700 anni per raggiungere la sostenibilità o diventare una risorsa perpetua, o nel caso peggiore, 350 anni.
Se una risorsa che dura 700 o più anni è perpetua, una che dura da 350 a 700 anni può essere chiamata una risorsa abbondante, ed è così definita qui. Quanto a lungo il materiale può essere recuperato dalla sua risorsa dipende dal bisogno umano e dai cambiamenti nella tecnologia dall’estrazione attraverso il ciclo di vita del prodotto allo smaltimento finale, più la riciclabilità del materiale e la disponibilità di sostituti soddisfacenti. In particolare, ciò dimostra che l’esaustività non si verifica fino a quando questi fattori non si indeboliscono e giocano: la disponibilità di sostituti, l’estensione del riciclaggio e la sua fattibilità, una produzione più efficiente del prodotto di consumo finale, prodotti di consumo più durevoli e di più lunga durata, e anche una serie di altri fattori.
Le informazioni più recenti sulle risorse e la guida sui tipi di risorse che devono essere considerate sono coperte nella Resource Guide-Update
Transitioning: perpetual resources to paleoresourcesEdit
Le risorse perpetue possono passare ad essere una paleoresource. Una paleo-risorsa è una risorsa che ha poca o nessuna domanda per il materiale estratto da essa; un materiale obsolescente, gli esseri umani non ne hanno più bisogno. La classica paleo-risorsa è una risorsa di selce a punta di freccia; nessuno produce più punte di freccia o punte di lancia in selce: fare un pezzo di rottame d’acciaio affilato e usarlo è molto più semplice. I prodotti obsoleti includono le lattine di latta, la carta stagnola, la lavagna di ardesia della scuola e il radio nella tecnologia medica. Il radio è stato sostituito da cobalto-60 e altri radioisotopi molto più economici nella radioterapia. Il piombo non corrosivo come rivestimento dei cavi è stato sostituito dalla plastica.
L’antracite della Pennsylvania è un altro materiale dove la tendenza all’obsolescenza e a diventare una paleo-risorsa può essere dimostrata statisticamente. La produzione di antracite era di 70,4 milioni di tonnellate nel 1905, 49,8 milioni di tonnellate nel 1945, 13,5 milioni di tonnellate nel 1965, 4,3 milioni di tonnellate nel 1985 e 1,5 milioni di tonnellate nel 2005. La quantità usata per persona era di 84 kg a persona nel 1905, 7,1 kg nel 1965 e 0,8 kg nel 2005. Confronta questo con le riserve di antracite dell’USGS di 18,6 miliardi di tonnellate e le risorse totali di 79 miliardi di tonnellate; la domanda di antracite è scesa così tanto che queste risorse sono più che perpetue.
Siccome le risorse di antracite sono così lontane nella gamma delle risorse perpetue e la domanda di antracite è scesa così tanto, è possibile vedere come l’antracite potrebbe diventare una paleorisorsa? Probabilmente i clienti continuano a scomparire (cioè si convertono ad altri tipi di energia per il riscaldamento degli ambienti), la rete di fornitura si atrofizza perché i commercianti di carbone di antracite non riescono a mantenere abbastanza affari per coprire i costi e chiudono, e anche le miniere con un volume troppo piccolo per coprire i costi chiudono. Questo è un processo che si rafforza a vicenda: i clienti si convertono ad altre forme di energia più pulita che producono meno inquinamento e biossido di carbonio, poi il commerciante di carbone deve chiudere per mancanza di un volume di vendite sufficiente a coprire i costi. Gli altri clienti del commerciante di carbone sono poi costretti a convertirsi, a meno che non riescano a trovare un altro commerciante di carbone nelle vicinanze. Infine, la miniera di antracite chiude perché non ha abbastanza volume di vendite per coprire i suoi costi.