ارتبط تطور علم المعادن على مر التاريخ بالاحتياجات العسكرية، وعندما نتأمل تاريخ الحرب ونتفحص الأسلحة والقذائف والمعدات وطرائق صنعها، سوف تذهلنا حقيقة واحدة وهي أن سلسلة التطورات هذه بكاملها لم تكن لولا وجود الكميات الهائلة من المعادن وخاصة الحديد والنحاس.
في مطلع القرن السادس عشر صنعت دروع كثيرة، وكان الدرع الكامل يفرض على الجندي الذي يلبسه، وعلى الحصان الذي يحمله، عبئاً إضافياً يعادل ثقل إنسان، وكان كل رامي سهام أو رماح من المشاة يلبس نصف درع، ولكن مع تنامي الجيوش، واشتداد حدة القتال، ازداد الطلب على المعادن لصنع بدلة كاملة، وفي نفس الوقت ازدادت الحاجة إلى المعادن لصنع الأسلحة النارية والقذائف. وكانت المدافع ثقيلة الوزن، يتراوح وزنها بين 3 الى 4 أطنان من البرونز، وكانت عربات المدفع، وبخاصة دواليبها، مكسوة برقائق الحديد، وكانت بعض المدافع تطلق كرات من حديد الصب يقدر حجمها بحجم رأس الإنسان.
إن الحرب التي تعتمد على البارود تقتضي استهلاكاً للمعادن، فالحرب الحديثة والصناعة الحديثة لم تقوما إلا على إنتاج المعادن بكميات هائلة، ولا سيما الحديد والفولاذ. وفي عام 1910، وقبيل اندلاع الحرب العالمية الأولى، بلغ إنتاج أوروبا من الحديد والفولاذ ستين مليون طن، في حين تصاعد إنتاج النحاس في العالم إلى حوالي مليون طن. وكانت الرغبة في الحصول على المزيد من السلاح دافعاً من دوافع الاكتشافات المتنوعة في التعدين التي ساعدت في زيادة إنتاج النحاس الأحمر والبرونز والنحاس الأصفر والحديد. وأدى اندلاع الحرب العالمية الثانية في أربعينات القرن الماضي، وحاجة الجيوش إلى معادن لتصنيع المعدات والدبابات والمدفعية وعربات القتال، إلى ثورة هائلة في هذا العلم من ناحية تطوير معادن وسبائك وتحسين خصائصها لتناسب المتطلبات العسكرية. وحديثاً تعمل الجيوش على تطوير معدات دفاعية أكثر تطوراً وتقدماً لمواجهة التهديدات الناشئة.
وتتراوح الابتكارات التي تجري في العالم من الطائرات التي تفوق سرعتها سرعة الصوت والدبابات والقذائف والذخائر وأسلحة الطاقة الموجهة إلى عسكرة الفضاء أيضاً، وهذه تتطلب تصاميم ومواد معدات ومعادن وسبائك مختلفة. وغالباً ما تتطلب تلبية هذه الاحتياجات أن تكون المعادن والسبائك مصممة، وفقاً لاحتياجات وتطبيقات عسكرية معينة. وخلال الحرب العالمية الثانية، خاضت الولايات المتحدة حرباً واسعة النطاق بقاعدة صناعية هائلة. بالإضافة إلى المعادن المرتبطة تقليدياً بالجيوش مثل الحديد والنيكل والنحاس والقصدير، فإن الوتيرة السريعة للتكنولوجيا زادت من أهمية المعادن الأخرى التي لم تشهد الكثير أو أي استخدام في الحروب السابقة، وشملت هذه الألمنيوم واليورانيوم.
معادن استراتيجية
تستخدم الجيوش مجموعة واسعة من المعادن لاستخدامات متعددة، بدءاً من المركبات إلى الإلكترونيات والمقذوفات. وكل فرع أو صنف لديه تخصصات تتطلب تصميمات ومواد معدات مختلفة. غالباً ما تتطلب تلبية هذه الاحتياجات أن تكون المعادن والسبائك مصممة وفقاً لاحتياجات تطبيقات عسكرية معينة. تشمل بعض المعادن الأكثر شيوعاً المستخدمة في التطبيقات العسكرية، الألمنيوم، التيتانيوم، ستانلس ستيل، الكربون الصلب، سبائك النيكل. يتم اختيار كل مادة تطبيقية على وجه التحديد بناء على نقاط القوة والضعف الخاصة بها، ويمكن تعديلها ومعالجتها لتناسب المتطلبات التشغيلية المحددة. على الرغم من وجود تداخل كبير، فإن كل فرع من فروع الجيش لديه تفضيلات مادية متخصصة تساعد على ضمان التشغيل الأمثل للمعدات في بيئات وإعدادات معينة.
في السنوات الأخيرة، أصبح يطلق على المعادن التي تشكل أهمية في الصناعات العسكرية وصف المعادن الاستراتيجية، لأن امتلاك دولة معينة لمعادن نادرة وذات قيمة تجعل منها عاملاً مهماً في تحديد الهيمنة التكنولوجية العالمية والتفوق العسكري. وقد حدد موقع (STANDFORD للمعادن المتقدمة) ستة معادن استراتيجية تستخدم بشكل واسع في الصناعات العسكرية، وهي: المغنيسيوم، التيتانيوم، الرينيوم، المليبدونيوم، التنجستون، اليورانيوم. ونظراً لأهميتها الحاسمة، فإن أقوى الدول تكافح من أجل تأمين إمدادات مستقرة منها لتغطية احتياجاتها في الصناعات العسكرية والاستراتيجية. وتشير منصة (المعادن تصنع الحياة) إلى أن وزارة الدفاع الأمريكية تستخدم سنوياً 750،000 طن من المعادن لبناء التقنيات الدفاعية. وقد أدى البحث والتطوير في علوم المواد إلى طرق جديدة يمكن للمعادن من خلالها تعزيز أداء الآلات في صناعة الدفاع، بالنظر إلى أن متطلبات المواد الدفاعية تحتاج إلى تحمل التآكل والاحتكاك والوزن الخفيف وخفض التكاليف.
وحسب دراسة بمعهد بروكغنز للدراسات في واشنطن، فإن العالم يواجه حالياً تحديات كبيرة في تحديد مصادر المعادن الضرورية للصناعة عالية الدقة، والتي تساهم في الانتقال إلى مصادر الطاقة منخفضة الكربون والصناعات عالية التقنية والشرائح الإلكترونية. ومن بين المعادن التي باتت تدخل ضمن حماية «الأمن القومي الأمريكي»، وتعتبر استراتيجية للتفوق الأمريكي على الصين، نحو 40 معدناً، تشمل المعادن الأرضية النادرة والنيكل والنحاس والليثيوم والكوبالت وصفائح الألمونيوم، التي تدخل في صناعات الفضاء والصناعات الدفاعية. ويشير الخبراء والباحثون إلى أن هناك نوعية من المعادن ستكون محور الصراعات بين القوى الاقتصادية خلال المرحلة المقبلة، يمكن تصنيفها إلى ثلاثة أقسام:
1 - المعادن الاستراتيجية، ويقصد بها تلك التي تحتل مكانة كبيرة لدى الحكومات، لكونها أحد مصادر التمويل وإنعاش إيرادات الدول المصدرة لها بشكل مستمر، وتشمل المعادن الاستراتيجية وفق تصنيف معهد المعادن والأتربة النادرة: الأنتيمون، الزرنيخ، البزموت، الكادميوم، الكالسيوم، الكروم، الكوبالت، الغاليوم، الجرمانيوم، الإنديوم، الليثيوم، المغنيسيوم، الزئبق، الموليبدينوم، النيوبيوم، السيلينيوم، الرينيوم، السيليكون، التنتالوم، التيلوريوم، الإلمنيوميت، التيتانيوم، التنغستنوم.
2 - المعادن النادرة، وتلك التي توجد بكميات قليلة رغم أنها عناصر محورية في الصناعات الدقيقة. وتتضمن 17 عنصراً رئيسياً، وتحظى بخصائص مغناطيسية وكهروكيميائية فريدة، وتشمل عناصر الغادولينيوم، اللانثانوم، السيريوم، البروميثيوم، الديسبروسيوم، الإربيوم، الأوروبيوم، الهولميوم، اللوتيتيوم، النيوديميوم، البراسيوديميوم، السماريوم، السكانديوم، التربيوم، الثوليوم، الإيتربيوم والإيتريوم، وتكتسب أهميتها كونها تدخل في إنتاج عقاقير علاج السرطان والهواتف الذكية وتقنيات الطاقة المتجددة ومصافي تكرير النفط وصناعة الزجاج.
3 - معادن عالية التقنية، وتمثل مصدراً مضموناً للدخول وأحد روافد الاقتصاد للدول المنتجة لها، وأبرزها: الألمنيوم، الأنتيمون، البريليوم، البزموت (البزموت)، الكادميوم، السيزيوم، السيريوم الكوبالت، الديسبروسيوم، سبيكة اليوروبيوم، سبيكة الغاليوم، الجرمانيوم، الذهب، الهولميوم، الإنديوم، الايريديوم، النحاس، النيكل، الأوسيميوم.
المغنيسيوم: المعدن الدفاعي
شكل معدن المغنيسيوم جانباً هاماً من صناعة الدفاع منذ أربعينات القرن العشرين، ونظراً لاستخداماته الكمية والنوعية في الصناعات العسكرية أطلق عليه اسم المعدن الدفاعي، وتتمتع سبائك المغنيسيوم بمجموعة متنوعة من المزايا، بما في ذلك كثافتها، وكونها واحدة من أخف المعادن الهيكلية في العالم، حيث تمتلك كثافة أقل من المعادن الهيكلية الاخرى مثل الألمنيوم أو الفولاذ.
نتيجة لذلك، يمكن استخدام المغنيسيوم كبديل مباشر للألمنيوم أو الفولاذ مع الحفاظ على خفة الوزن أيضاً. كما يتميز المغنيسيوم بمزايا القوة والصلابة، والتخميد الجيد، والقَطَع. كما يعتبر من المعادن الأكثر انتشاراً في قشرة الأرض، ولذلك يستخدم كمادة هيكلية أساسية لإنتاج المركبات الفضائية والطائرات العسكرية والصواريخ والمركبات عالية الحركة والسفن، ويستخدم على نطاق واسع في تصنيع الذخائر المتوهجة والقنابل الحارقة بسبب حرارته العالية والضوء الذي يصدره عند احتراقه. وقد جعلت الاكتشافات الجديدة في علوم وتكنولوجيا المواد من الممكن تحسين أداء سبائك المغنيسيوم أكثر من أي وقت مضى لتحل مكان سبائك الألومنيوم والفولاذ.
تم استخدام المغنيسيوم على نطاق واسع في أسلحة الحرب العالمية الأولى، مثل القذائف المتوهجة الحارقة وطلقات التتبع بسبب قابليته للاشتعال وخصائصه الباعثة للضوء. كما تم توظيف الكثافة المنخفضة للمعدن خلال الحرب العالمية الثانية، عندما تم استخدامه على نطاق واسع في تصنيع الطائرات العسكرية في جسم الطائرة وعناصر المحرك وصندوق التروس، والعجلات لخفض الوزن بشكل كبير. كما استخدمت قاذفات B-36 وB-47 بشكل كبير مكونات المغنيسيوم خفيفة الوزن لتعزيز حمولات الذخائر.
بعد الحرب العالمية الثانية، عندما أصبحت المحركات أكثر قوة، انخفض الاهتمام بالمغنيسيوم في الطائرات العسكرية، ليتم تجديده مع انطلاق عصر الصواريخ في خمسينات القرن العشرين، ثم مرة أخرى خلال حرب فيتنام. بدأ استخدام المغنيسيوم في المركبات البرية العسكرية مثل آليات M-274 التي بنتها الولايات المتحدة وكانت لديها حمولة 450 كجم مما يثبت أن كثافة المغنيسيوم المنخفضة كانت مفيدة مرة أخرى. استخدم الجيش الأمريكي هذه السيارة في ثمانينات القرن العشرين، وذلك بفضل أغلفة محور المغنيسيوم ومنصة التحميل، كما استخدمت ناقلات الجنود المدرعة (APCs) والمركبات البرمائية ودبابات القتال الرئيسية (MBTs) والمركبات العسكرية الأخرى سبائك المغنيسيوم.
التنجستون: الأسنان الصناعية
يعود استخدام التنجستون في إنتاج المعدات العسكرية إلى زمن بعيد. عندما تم استخدامه لتحسين متانة سبطانة البندقية. كان الفولاذ المستخدم في صناعة السبطانات شديد التأثر بالتآكل الناتج عن ملامسة البارود. تؤدي إضافة التنجستون إلى الفولاذ إلى تحسين متانته وقدرته على مقاومة التآكل لذلك يطلقون عليه اسم الأسنان الصناعية، وتشير التقارير إلى أنه في وقت مبكر من الحرب العالمية الأولى كانت البنادق المصنوعة من الفولاذ المخلوط بالتنجستون أكثر متانة من البنادق المصنوعة من الفولاذ فقط. إذ يمكن أن تطلق سبطانات البنادق المخلوطة بالتنجستون أكثر من ضعف عدد الطلقات التي تطلقها سبطانات البنادق الفولاذية قبل أن تتلف. تتضمن بعض التطبيقات الحديثة للتنجستون في المواد العسكرية في صنع المركبات المضادة للرصاص والدبابات المدرعة وأنواع أخرى من معدات الحماية المصممة لتحمل تأثير الرصاص عالي السرعة وهذا يرجع إلى صلابة التنجستون، ويمكن تعزيز هذه الخاصية، من خلال صناعة السبائك لإنتاج مواد مركبة أقوى.
يستخدم التنجستون أيضاً في تصنيع قطع غيار الصواريخ والطائرات ويفيد في تصنيع أجزاء مثل المحركات بسبب درجات الحرارة المرتفعة التي يتعين عليها تحملها. يتمتع التنجستون بمقاومة حرارية عالية ولذلك يستخدم بشكل رئيسي في صناعة السبائك الصلبة وعلى نطاق واسع في صناعة الدفاع والفضاء وصناعة المعلومات وما إلى ذلك. يمكن استخدام السبائك المصنوعة من التنجستون والمعادن المنصهرة الأخرى (التنتالوم، النيوبيوم، الموليبدينوم، الرينيوم) في تطبيقات عسكرية متعددة.
التيتانيوم: وزن خفيف وأثر كبير
يعد التيتانيوم أحد المعادن الأكثر استخداماً في التطبيقات العسكرية، وتكمن أهميته بسبب نسبة قوته العالية إلى الوزن ومقاومته الممتازة للتآكل، وهذا سمح للمصنعين بإنشاء معدات خفيفة الوزن مع زيادة المتانة (خاصة في البيئات القاسية). إن تفضيل التيتانيوم فيما يتعلق بالتطبيقات العسكرية ليس أمراً عشوائياً فهو يحافظ على مستوى عالٍ من الأداء، حتى في درجات الحرارة المرتفعة. علاوة على ذلك، فهو يتميز بالصلابة والقوة وخفة الوزن ومقاومة الكسر والإجهاد المطلوبة مع مقاومة ممتازة للتآكل، لذلك غالباً ما يستخدم التيتانيوم في تصنيع أجزاء محركات الطائرات وهياكل الصواريخ والدروع والسفن البحرية. وحتى المركبات الفضائية تحتوي على مكونات من التيتانيوم. ونظراً لتعدد استخداماته في بيئات مختلفة يمكن استخدام سبائك التيتانيوم كصهاريج تخزين للوقود وأوعية الضغط العالي، كما بدأت الطائرات الحربية والعربات المدرعة الجديدة للجيش الأمريكي في استخدام منتجات التيتانيوم بأعداد كبيرة، ولذلك ينظر للتيتانيوم كمورد قيم في الجيوش.
ساهم الطلب الكبير على التيتانيوم في المجال العسكري في البحث المبتكر فيما يتعلق بالاستخدامات المحتملة الجديدة. وكان من المهم للصناعة العسكرية العثور على معدن يمكنه تحمل الظروف القاسية، دون أن تتأثر كفاءته وقوة مقاومته. ونظراً لأن عمليات استخراج وتنقية التيتانيوم أصبحت أقل تعقيداً، لم يعد التيتانيوم باهظ الثمن كما كان في الماضي، ومع توافره بسهولة، فقد تم تفضيل المعدن تدريجياً وتم استبداله بالفولاذ كخيار قياسي وأصبح المجال العسكري يعتمد عليه بشكل متزايد. يعتمد المصنعون على سبائك التيتانيوم المخلوطة مع الألمنيوم والفاناديوم، وقاموا بتطوير أنابيب العادم والأنظمة الهيدروليكية. كما تم خلط التيتانيوم مع التنجستون، ويستخدم الخليط الناتج في دروع الدبابات. وبفضل الأبحاث المبتكرة، يجد التيتانيوم المزيد والمزيد من الاستخدامات في المجال العسكري في دروع الحماية والمكونات الهيكلية للطائرات، ويتم استخدامه لصنع الدبابات والصواريخ وكذلك لأنواع أخرى من الأسلحة والمعدات البحرية.
ركز الباحثون على استخدام مركبات التيتانيوم في المجال العسكري، إذ تم تطوير مركب من التيتانيوم والألياف الزجاجية، ويستخدم في تصنيع الشفرات الدوارة (في مروحيات بلاك هوك) ويتم استخدام هذه المواد المركبة في كثير من الأحيان للتطبيقات العسكرية لأنها تتمتع بموصلية فائقة، خاصة بالمقارنة مع مركبات الكربون، كما تضمن تمدداً حرارياً عالي الفعالية. تتطلب التطبيقات البحرية معدناً يمكنه مقاومة أضرار مياه البحر، دون التأثير على سلامته على الإطلاق. يمثل التيتانيوم، بمقاومته الممتازة للتآكل، خياراً مثالياً حقاً. وبالتالي، يتم استخدامه لتطوير المعدات التي تتلامس بشكل متكرر مع مياه البحر. تُصنع أعمدة المروحة والمناورات تحت الماء من التيتانيوم وسبائكه. وينطبق الشيء نفسه على معدات الحفر وأنظمة تبريد السفن والأنابيب. يمثل التيتانيوم الخيار الأول لصنع الصمامات الكروية المغمورة والمبادلات الحرارية، بالإضافة إلى مضخات الحريق وبطانات مدخنة العادم. وقبل أن يتم استخدام التيتانيوم على نطاق واسع، كان تلف أنابيب مياه البحر مشكلة مستمرة، وقد تمت مصادفة هذا التدهور بشكل خاص في المبادلات الحرارية، مما يتطلب عمليات استبدال وإصلاح متكررة (ارتفاع تكاليف الخدمة) ومع مرور الوقت، تم استبدال أنابيب النحاس والنيكل بأنابيب من التيتانيوم، مما أدى إلى تحسين العمر الافتراضي وانخفاض تكاليف الخدمة.
» العقيد المتقاعد المهندس خالد العنانزة
)مستشار ومدرب في البيئة والسلامة المهنية(
