چشم امید دولت کانادا به تصاحب بازار نیمه‌هادی‌ها

گزارش سالانه ارائه شده براساس راهبرد مواد معدنی حیاتی کانادا در سال ۲۰۲۴ که اخیرا متن آن منتشر شده است، دستاوردهای کانادا را از ابتدای آغاز توسعه بخش مذکور تا به امروز نشان داده و در آن، بر ارائه سیاست‌گذاری‌های جدید و سرمایه‌گذاری بیشتر در بخش تحقیق و توسعه تاکید شده است.

طرح «Critical Minerals Centre of Excellence» ارائه شده از سوی سازمان دولتی «NRCan» برای شناسایی و حمایت از پروژه‌های استراتژیک و مواد اولیه حیاتی در زنجیره تامین نیمه‌هادی‌ها، از جمله مهم‌ترین راهبرد معرفی شده در همین رابطه است؛ اگرچه طرح مذکور هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد، با این حال، آن دسته از پروژه‌هایی که بر افزایش تولید و همکاری مشترک در رابطه با رشد ظرفیت مواد اولیه حیاتی و فرآوری شده مورد نیاز صنعت نیمه‌هادی‌ها تمرکز کرده‌اند، در اولویت طرح «CMCE» قرار دارند.

در خصوص فراهم کردن زیرساخت‌های سرمایه‌گذاری در پروژه‌های مبتنی بر توسعه صنعت نیمه‌هادی‌ها، تمرکز بر پروژه‌هایی خواهد بود که تولیدکنندگان آن‌ها به دنبال تولید مواد اولیه حیاتی مورد نیاز برای ایجاد زیرساخت‌های نسل بعدی فناوری اطلاعات و ارتباطات هستند. هدف‌گذاری بر روی ایجاد فرصت به منظور رشد زنجیره ارزش نیمه‌رساناها، از جمله مواد اولیه مورد نیاز و با خلوص بالا برای ساخت حس‌گرها و سیستم‌های میکروالکترومکانیکی، تمرکز بر تامین مواد اولیه تولیدکنندگان نیمه‌رساناهای ترکیبی و توسعه ظرفیت فرآوری مواد معدنی حیاتی و ظرفیت تولید این مواد برای ایجاد انگیزه در صنایع تولیدی که نیازمند به‌کارگیری فناوری‌های دیجیتالی جدید هستند، از جمله اولیت‌های طرح مذکور به شمار می‌روند. از صنایعی که به طور ویژه بر روی حمایت از آن‌ها تاکید شده است، می‌توان به صنایع خودروسازی، هوافضا و دفاعی که همگی به شدت به استفاده از فناوری‌های مبتنی بر صنایع نیمه‌هادی وابسته هستند، اشاره کرد.

اقدام دیرهنگام کانادا در حمایت از صنعت باتری

اگرچه دولت فدرال کانادا ممکن است پتانسیل این کشور را در توسعه صنایع مواد معدنی حیاتی مورد نیاز برای بخش فناوری، از جمله صنعت نیمه‌هادی‌ها بسیار بالا در نظر گرفته باشد اما یکی از فعالان بسیار کهنه‌کار صنعت مذکور بر این باور است که کانادا نباید تمام تمرکز خود را برای تبدیل شدن به یک تامین‌کننده جهانی یا حتی داخلی مواد معدنی حیاتی و فلزات گران‌بها قرار دهد.

گوردون هارلینگ، رئیس و مدیرعامل شرکت «CMC Microsystems» معتقد است که ریسک‌ها و موانع زیادی برای تبدیل شدن کانادا به یک تامین‌کننده استراتژیک و جهانی مواد معدنی حیاتی مورد نیاز صنعت نیمه‌هادی‌ها وجود دارد.

وی عنوان کرد: مقررات سخت‌گیرانه‌ای در مورد استخراج مواد اولیه حیاتی از معادن کانادا وجود دارد و حدود ۱۰ تا ۱۵ سال طول می‌کشد تا یک پروژه معدنی جدید به مرحله بهره‌برداری برسد. بنابراین، هدف‌گذاری کانادا برای گرفتن سهمی از بازار باتری‌ وسایل نقلیه الکتریکی، به دلیل مدت زمان طولانی آغاز فرایند تولید در معادن جدید عملا محقق نخواهد شد.

مدیرعامل شرکت «CMC Microsystems» مطرح کرد: وقتی صحبت از تامین لیتیوم مورد نیاز تولید باتری‌ خودروهای الکتریکی در قاره آمریکای شمالی به میان می‌آید، می‌توان به معدن لیتیوم «Thacker Pass» واقع در ایالت نوادا آمریکا اشاره کرد که یکی از بزرگترین ذخایر لیتیوم در جهان لقب گرفته است؛ به همین دلیل آمریکا چند قدم از کانادا در این زمینه جلوتر است.

هارلینگ در همین خصوص اظهار داشت: روند تولید در معدن نامبرده از هم‌اکنون آغاز شده است. به علاوه در بخش معدن آمریکا، موانع زیست‌محیطی کمتری نسبت به کانادا وجود دارد و این خود نشان‌دهنده مانعی است که بر سر توسعه بخش مواد اولیه مورد نیاز در تولید باتری خودروهای الکتریکی در کانادا قرار گرفته است.

وی تصریح کرد: فرایند فرآوری و پالایش لیتیوم، یک فرایند آلاینده محسوب می‌شود. بنابراین برای دستیابی به یک روال سازگار با محیط‌ زیست در این زمینه، کانادا باید اقدامات بسیاری زیادی انجام دهد که البته با اجرای قوانین فعلی در این کشور بسیار زمان‌بر خواهد بود.

مدیرعامل شرکت «CMC Microsystems» در ادامه به استرالیا به عنوان یکی دیگر از بازیگران اصلی بخش مواد اولیه حیاتی در جهان اشاره کرد که دولت آن، حمایت‌های گسترده‌ای را به منظور توسعه بخش مذکور انجام داده است.

ناگفته نماند که تمرکز کانادا بر مواد اولیه حیاتی به ویژه لیتیوم، اقدامی منطقی نخواهد بود زیرا با سرعتی که بخش علم و فناوری به سمت پیشرفت حرکت می‌کند، امکان ظهور فناوری‌های جدید تولید باتری که جایگزین لیتیوم شوند، دور از انتظار نیست.

در مورد حمایت از تولید عناصر نادر خاکی با تمرکز بر بازار داخلی کانادا نیز می‌توان عنوان کرد که در این کشور، واحد تولیدی و کارخانه‌ای در صنایع نیمه‌هادی‌ها که به استفاده از عناصر کمیاب متکی باشد، وجود ندارد.

به گفته هارلینگ، در واحدهای تولیدکننده سیستم‌های میکروالکترومکانیک و فوتونیک واقع در کانادا، در صنعت نیمه‌هادی‌ها از مواد اولیه‌ای مانند سیلیسیوم، اکسیژن و چندفلزی استفاده می‌شود که دسترسی به این مواد در همه کشورها بسیار آسان است.

وی تاکید کرد: فرایند فرآوری عناصر نادر خاکی، بسیار هزنیه‌بر بوده و نیازمند رسیدن به درجه خلوص بسیار بالایی است. علاوه‌براین، بیشتر واحدهای فرآوری این عناصر در چین یا ایالات متحده آمریکا قرار داشته و میلیاردها دلار برای راه‌اندازی آن‌ها هزینه شده است، از این رو واضح است که برای توسعه بخش عناصر نادر خاکی در کانادا، سرمایه‌گذاری هنگفتی نیاز خواهد بود.

مدیرعامل شرکت «CMC Microsystems» یادآور شد: بسیاری از فلزات حیاتی مورد نیاز در صنعت نیمه‌هادی‌ها را می‌توان از طریق باطله‌های معدنی و سایر روش‌های بازیافت استخراج و تولید کرد. به علاوه، کانادا می‌تواند با ساخت چندین سد باطله برای معادن آهن یا مس خود ظرفیت تولید این مواد معدنی را افزایش دهد اما به دلیل نبود واحدهای فرآوری در کشور مذکور، محموله مواد اولیه حیاتی استخراج شده باید به کشور دیگری برای فرآوری ارسال شود.

با این اوصاف، می‌توان بیان کرد چالش‌هایی که مانع از توسعه و سودآوری مدنظر در بخش مواد معدنی حیاتی و عناصر نادر خاکی در کانادا می‌شود، لزوما به این معنا نیست که حجم تقاضا برای مواد معدنی مذکور در سطح جهانی، چه در صنعت نیمه‌هادی‌ها و چه در بخش فناوری‌های مرتبط با تولید باتری خودروهای الکتریکی کاهش را تجربه کرده است.

کانادا طرح‌هایی برای توسعه بخش معدن در دست اجرا دارد

گزارش اخیر شرکت «IDTechEX» نشان می‌دهد که تقاضا برای آهن‌رباهای مبتنی بر عناصر نادر خاکی که ماده اولیه مهمی در تولید موتورهای الکتریکی در خودروهای برقی به شمار می‌رود، به شدت افزیش یافته است. در گزارش مذکور، به نگرانی‌ها در خصوص نوسانات قیمت، اثرات زیست‌محیطی و همچنین تسلط چین بر بخش عناصر نادر خاکی اشاره شده است.

آهن‌ربای نئودیمیوم، رایج‌ترین شکل از آهن‌ربای تولید شده از عناصر نادر خاکی مورد استفاده در برخی صنایع به شمار می‌رود. از عناصر جایگزین نئودیمیوم در تولید آهن‌رباهای دائمی، می‌توان به آهن‌رباهای تولید شده از عناصری مانند آلومینیوم کبالت نیکل، کبالت ساماریوم، بیسموت منگنز و آهن‌رباهای فریت مانند نیترید آهن نام برد.

جیمز ادمونسون، مدیر بخش تحقیقات شرکت «IDTechEX» در مصاحبه با مجله «EE Times» اظهار داشت: در حال حاضر کانادا تولیدکننده عناصر نادر خاکی کلیدی در تولید آهن‌رباهای دائمی مانند نئودیمیوم نیست. با این وجود، به نظر می‌رسد فاز اکتشافی در چندین پروژه از این عناصر در کشور مذکور آغاز شده باشد. طبق آخرین ارزیابی‌های انجام شده، حجم زیادی از ذخایر عناصر نادر خاکی در کانادا وجود دارد.

وی عنوان کرد: در حال حاضر پروژه «Nechalacho»، از جمله شاخص‌‎ترین ذخایر عناصر نادر خاکی در کانادا به شمار می‌رود و قرار است این معدن به یک پروژه در مقیاس بزرگ و با عمر طولانی تبدیل شود.

ادمونسون خاطرنشان کرد: به نظر می‌رسد تولید سالانه حداقل پنج هزار تن اکسیدهای عناصر خاکی در پروژه مذکور تا سال ۲۰۲۵ هدف‌گذاری شده است. درست است که در حال حاضر سالانه صدها هزار تن از عناصر نادر خاکی در چین تولید می‌شود اما توسعه معادنی نظیر پروژه «Nechalacho» که یکی از بزرگ‌ترین پروژه‌های عناصر نادر خاکی در خارج از چین به شمار می‌آید، می‌تواند امید کشورهای غربی به کاهش وابستگی به واردات این عناصر از چین را افزایش دهد و جایگاه کانادا در بخش عناصر نادر خاکی در عرصه جهانی را ارتقا بخشد.

جیایی چن، تحلیلگر بخش فناوری شرکت «IDTechEX» با بیان اینکه چندین پروژه در کانادا برای تولید نیکل با تمرکز بر تامین نیکل مورد نیاز باتری‌های نیکل منگنز کبالت (NMC) در مرحله توسعه قرار دارد، گفت: کانادا در آینده به جمع تولیدکنندگان برتر دنیا در استخراج نیکل یعنی اندونزی و چین خواهد پیوست.

بر اساس تحقیقات انجام شده از سوی شرکت «IDTechEX»، باتری‌های نیکل منگنز کبالت بیشترین سهم را در بخش باتری خودروهای الکتریکی در سطح جهانی در اختیار دارند که رقم آن حدود ۶۳ درصد برای سال ۲۰۲۴ ذکر شده است.

طبق پیش‌بینی انجام شده از سوی شرکت نامبرده، سهم کانادا از تولید جهانی نیکل در معادن طی بازه زمانی سال‌های ۲۰۲۵ تا ۲۰۳۵، در مقایسه با مقدار فعلی دو برابر افزایش خواهد یافت. از جمله مهم‌ترین پروژه‌های نیکل کانادا که در سال ۲۰۳۰ فاز بهره‌برداری از آن آغاز خواهد شد، می‌توان از پروژه سولفید نیکل معدن «Crawford» تحت مالکیت شرکت «Canada Nickel Co» نام برد که ادعا شده دومین ذخیره نیکل بزرگ جهان را در خود جای داده است.

مشکلات پیش روی توسعه زنجیره تامین مواد اولیه حیاتی کانادا

درک لمکه، معاون ارشد بخش ارائه‌دهنده اطلاعات محصولات در نرم‌افزار زنجیره تامین شرکت «Exiger» معتقد است که افزایش سهم و تمرکز بر بخش تولید مواد معدنی حیاتی از سوی آمریکا و کانادا، فرصت‌هایی را برای این دو کشور و حتی سایر کشوهای غربی فراهم می‌کند تا اتکای خود به واردات مواد معدنی را از چین کاهش دهند.

در چنین شرایطی، به نظر می‌رسد با توجه به اقدام دولت چین در ایجاد محدودیت در صادرات برخی مواد اولیه حیاتی نظیر عناصر نادر خاکی مانند گالیوم، ژرمانیوم، آنتیموان و گرافیت، اقدام آمریکا و کانادا از اهمیت خاصی برخوردار خواهد بود.

وی مطرح کرد: با توجه به محدودیت‌های اخیر وضع شده از سوی چین در خصوص صادرات برخی مواد معدنی حیاتی و به دنبال آن برخی اختلالات به وجود آمده در زنجیره تامین این مواد، در روند ساخت برخی تولیدکنندگان صنعت نیمه‌هادی‌ها در جهان از جمله تایوان و اندونزی وقفه‌هایی از نوع کاهش ظرفیت تولید لیجاد شده است.

به گفته لمکه، کانادا به حجم زیادی از برخی از عناصر نادر خاکی کلیدی نظیر ژرمانیوم در معادن خود که در واقع یک محصول میانی تولید شده از فرایند استخراج سنگ معدن روی به شمار می‌رود، دسترسی دارد.

طبق گزارش‌های منتشر شده، پروژه «MacMillan Pass» تحت مالکیت شرکت «Fireweed Metals» واقع در قلمرو یوکان کانادا، دارای حدود ۶۱۴ هزار و ۸۰۰ کیلوگرم ژرمانیوم بوده که با توجه به رشد تقاضای جهانی برای این عنصر نادر خاکی، رقم بسیار محدودی به حساب می‌آید.

وی در خصوص آنتیموان که در فهرست مواد معدنی حیاتی کانادا قرار دارد، با اشاره به اینکه حجم ذخایر این عنصر نادر خاکی در کشور مذکور محدود گزارش شده است، تصریح کرد: اگرچه فرایند تولید آنتیموان که یک ماده میانی تولید شده از طریق استخراج فلز طلا به شمار می‌رود و حتی حجم زیادی از این فلز گران‌بها در کانادا تولید می‌شود، دشوار است اما به نظر می‌رسد تاکنون اهمیت چندانی به تولید آن در کانادا داده نشده است.

علاوه‌براین، کانادا گالیوم را نیز در فهرست مواد معدنی حیاتی خود گنجانده است. گفتنی است که گالیوم به عنوان یک محصول جانبی تولید شده از فرایند آلومینیوم و روی به شمار می‌رود.

معاون ارشد شرکت «Exiger» اظهار داشت: با توجه به اهمیت ندادن چین به رعایت استانداردهای مبتنی بر شاخص ‌محیطی، اجتماعی و حاکمیتی (ESG) و به تبع آن استخراج آسان‌تر و در حجم بسیار گسترده در معادن این کشور، ترغیب شرکت‌های معدنی به سرمایه‌گذاری در استخراج از معادن در کانادا و ایالات متحده آمریکا با چالش‌هایی مواجه است. فراتر از نگرانی‌های مرتبط با شاخص ‌محیطی، اجتماعی و حاکمیتی، فرایند استخراج مواد معدنی حیاتی و عناصر نادر خاکی در این دو کشور با مشکلاتی همراه است.

مایکل چان، فعال در دپارتمان مهندسی شیمی دانشگاه متروپولیتن تورنتو (TMU) طی مصاحبه‌ای با مجله «EE Times» عنوان کرد: برخلاف نام عناصر نادر خاکی، این مواد در  حجم بسیاری زیادی وجود دارند. با این حال، فرایند استخراج آن‌ها دشوار است.

یک تیم تحت رهبری چان در حال تحقیق بر روی عناصری مانند لانتانیوم و سریوم است که در حجم بسیار زیادی در تولید ابزارهای الکترونیک استفاده می‌شوند. این تیم با همکاری شرکای صنعتی خود، به دنبال ارزیابی میزان بازیابی عناصر نادر خاکی از دل ذخایر معدنی نزدیک به سفره‌های آب زیرزمینی بدون آسیب رساندن به ذخایر آبی است.

وی در خصوص فناوری جاذب صنعتی، به ویژه اسفنج‌های فانتزی که یون‌های فلزی را جذب می‌کنند، بیان کرد: یکی از چالش‌های اسفنج‌های فانتزی این است که همه مواد را به خود جذب می‌کنند. به همین دلیل، جداسازی و فرآوری عناصر نادر خاکی و مواد اولیه حیاتی پس از فرایند استخراج دشوار خواهد شد؛ البته تیم ما به دنبال ارائه روش‌هایی به منظور آسان‌تر شدن فرایند استخراج است تا چالش‌های فاز فرآوری عناصر مذکور کاهش پیدا کند.

چان در ادامه گفت: غلظت‌های بالای لانتانیوم اغلب در باطله‌های معدنی استخراج می‌شود و رواناب سطحی حاصل از این پسماندها می‌تواند به آب‌های زیرزمینی نفوذ کند؛ به همین دلیل، خطری جدی برای سلامت انسان و محیط‌زیست ایجاد خواهد کند.

علاوه‌براین، چان و تیم زیر نظر وی در حال حاضر بر روی یافتن راه‌حلی به منظور بازیابی مواد اولیه حیاتی و عناصر نادر خاکی کار می‌کنند. به گفته چان، استفاده از جاذب‌های شیمیایی صنعتی می‌توانند به منظور جذب لانتانیوم از باطله‌های معدنی استخراج‌ شده به کار گرفته شود.

تیم تحقیقاتی زیر نظر وی، فاز آزمایشگاهی جاذب‌های شیمیایی صنعتی را آغاز کرده‌اند و در نتیجه این آزمایش نه تنها رواناب‌های سطحی به یک مرحله از تصفیه رسیدند بلکه تنها عنصر لانتانیوم از طریق این جاذب‌ها استخراج شد.

چان خاطرنشان کرد: در این آزمایش از یک میکروسکوپ الکترونی روبشی به منظور درک بهتر فرایند تبادل یونی استفاده شد و حتی قرار است نتیجه یافته‌ها به منظور بررسی‌های بیشتر به دانشگاه ساسکاچوان کانادا ارسال شود.

وی با تاکید بر اینکه هدف نهایی از توسعه چنین روشی، امکان جذب سایر عناصر نادر خاکی و مواد معنی حیاتی است، یادآور شد: سایر محققان در آمریکای جنوبی با استفاده از روشی متفاوت، موفقیت‌هایی را در این زمینه کسب کرده‌اند و تیم تحقیقاتی دانشگاه متروپولیتن تورنتو سه سال است که کار بر روی توسعه جاذب‌های شیمیایی صنعتی را آغاز کرده است.

چان در پایان بیان کرد: در پیشبرد توسعه روش مذکور از نتایج به دست آمده توسط سایر محققانی که طی چند سال گذشته موفق به کسب پیشرفت‌هایی در این زمینه شده‌اند، استفاده شده است.