یک تکه آهن به اندازه توپ تنیس را تصور کنید. آن را در دست خود وزن کنید. حال بگذارید روی پایتان فرود بیاید. چه حسی دارد؟ حالا یک شیء مشابه را که سه برابر چگال تر است تصور کنید. اگر این شیء را رها می‌کردید چه احساسی به شما دست می‌داد؟ آیا پس از آن توانایی راه رفتن داشتید؟
این فلز که سه برابر از آهن چگال تر است، تنگستن نام دارد. تنگستن علاوه بر اینکه بسیار چگال است، به طرز باورنکردنی سخت است و بالاترین نقطه ذوب را بین همه عناصر دارد. (3422 درجه سانتی گراد)
جالب است بدانید تا همین یک قرن پیش، این فلز هیچ کاربردی نداشت. چراکه شکل دادن یا کار کردن روی آن تقریباً غیرممکن بود. با این وجود، اکنون ما از تنگستن استفاده می‌کنیم تا با آن بنویسیم، اشعه‌های ایکس ساطع کنیم و ساختمان‌ها را بدون استفاده از مواد منفجره نابود کنیم.
برای درک این که چگونه سرگذشت این فلز به اینجا رسید، ما باید نیروهای رقابتی را درک کنیم که همه چیز را در دنیای ما شکل داده‌اند. بگذارید کمی از دنیای مهندسی مواد فاصله بگیریم و وارد زمینشناسی و باستان شناسی شویم.
ابتدا نگاهی بیندازیم به چهار میلیارد سال اول جهان که زندگی پیشرفت چندانی نکرد. ارگانیسم ها بسیار کوچک، ساده و نسبتا نادر بودند. اما حدود ۵۰۰ میلیون سال پیش اتفاق فوق‌العاده‌ای رخ داد. اسناد زمین شناسی فسیل هایی را نشان می‌دهند که وقوع موج تازه ای از زندگی را روایت می کنند.
انفجار کامبرین (The Cambrian explosion)
این انفجار به یک دوره زمانی در حدود ۵۴۵ میلیون سال پیش باز می گردد. زمانی که یک شروع ناگهانی از اشکال مختلف و متنوع زندگی رخ داد. این اتفاق شامل ظهور بسیاری از نژادهای بزرگ بود که زندگی حیوانات امروزی را تشکیل می‌دهند.
در این دوره است که ظهور قطعات سخت بدن در آثار فسیلی دیده می‌شود. پیش از انفجار کامبرین، اکثر ارگانیسم‌ها ساده بودند. اما پس از این آغاز، تعداد زیادی از موجودات عجیب و غریب ظاهر شدند. موجوداتی خرچنگ مانند با کش و قوس هایی روی مکان های مختلف بدنشان.
چارلز داروین عقیده داشت که چیزی که ما هم اکنون به عنوان “انفجار کامبرین” می شناسیم، مهم ترین ایراد تئوری او یعنی انتخاب طبیعی بود. این شکوفایی ناگهانی گونه ها، کاملاُ در برابر ایده تکامل تدریجی قرار گرفت.
اما چه چیزی باعث این انفجار شد؟
بسیاری از دانشمندان در حال حاضر بر این باورند که این گسترش عظیم زندگی جدید و توسعه آن به دلیل به وجود آمدن اعضای جدید بوده است. به خصوص آرواره ها، چشم ها یا حتی دندان ها! تصور کنید که اولین موجودات دندان دار، چه قاتلین وحشتناکی بشوند، در دوره ای که همه موجودات نرم و آسیب پذیرند.
اما این همه چیز نیست. دوره کامبرین زمانی است که پوسته ها و ناخن ها اولین بار در مقادیر قابل توجهی در فسیل ها ظاهر شدند. همچنین اولین شواهد حفاری در کف دریا در این دوره مشاهده شد. بیولوژیست معروف، “مارتین بریزر” در این باره می گوید:
این مانند پیدا کردن بقایایی بسیار آزاردهنده از تعداد زیادی تفنگ، بمب، تانک و دیگر اسلحه های جنگی در یک دوره قدیمی باستان شناسی است.
نظریه این است که بقیه مخلوقات باید خیلی سریع با این موجودات سازگار می شدند. یعنی آن ها باید از خود دفاع می کردند. در نتیجه زره ای از جنس کربنات کلسیم در بسیاری از حیوانات برای محافظت استفاده شد. زیست شناسان این فرآیند را co-evolution می‌نامند.
اصلا این ها چه ربطی به تنگستن دارد؟
خب، دنیای ساخت و تولید بسیار شبیه به فرایند co-evolution عمل می کند. همواره مواد مهندسی جدیدی ساخته می شوند. مثلاً همین آلیاژهای بسیار مستحکم که سالانه توسعه داده می شوند. به دنبال آن، ابزارهایی مانند هواپیما یا توربین برق، می‌توانند انعطاف‌پذیری بیشتری داشته باشند یا این که سبک‌تر و ارزان‌تر شوند.
اما اجزای قوی تر به ابزارهایی سخت‌تر برای کارپذیر کردن آن ها نیاز دارند و این همان جایی است که فلز تنگستن وارد می شود. عنصر ۷۴ در جدول تناوبی و یکی از سخت‌ترین مواد در طبیعت.
برای مثال، سراغ شرکت CGS CARBIDE یک کمپانی سازنده ابزار واقع در نزدیکی لندن برویم. این شرکت روزانه از انواع مته، دریل و دیگر ابزار برش استفاده می کند تا قطعات مورد استفاده در صنایع هوافضا، اتومبیل و بسیاری از حوزه های دیگر را تولید کند. این ابزارهای برش، از ترکیب کاربید تنگستن و کبالت ساخته می شوند.
حالا چگونه تنگستن را شکل دهیم؟
باید از تنها چیزی که سخت‌تر است استفاده کنیم؛ یعنی الماس. اما استفاده از ابزار برش الماسی، درست مانند یک نبرد پر سر و صدا است. اگرچه شما هیچ جرقه یا سر و صدایی را از کارخانه CGS CARBIDE نمی شنوید.
چرا که هر یک از این ابزارها در جعبه عایق صدای خود قرار دارند و یک سیستم خنک‌کننده پیچیده با استفاده از روغن منجمد در حال فعالیت است. اما حتی با همین ماشین‌های مدرن، حدوداً ۱۰ دقیقه یا بیشتر طول می کشد تا یک مته دریل برش داده شود. البته هر یک از این قطعات برش نیز 750 دلار ناقابل خرج برمی دارند.
داستان غم انگیز می شود . . .
همزمان با استخراج بیشترِ تنگستن از معادن سیاره زمین، قیمت این فلز خام در حال افزایش است. در عین حال آنچه که ممکن است شناخته شده ترین استفاده صنعتی تنگستن باشد نیز رو به کاهش است.
بیایید به اتاقی کوچک در یکی از راهروهای دانشکده شیمی دانشگاه لندن برویم. جایی که پروفسور “آندره سلّا“یک لامپ رشته‌ای قدیمی را در دست دارد و تکان می دهد. شما از پشت شیشه شفاف این لامپ، می‌توانید فیلامان ظریفی را ببینید که به آرامی درون لامپ تکان می خورد. آندره می گوید:
هرچه جریان الکتریسیته بیشتر می شود، این کویل تنگستن داغ تر می شود و درخشان تر می درخشد.
فیلمان تنگستنی لامپ
زمانی همه خانه‌های ما با لامپ‌هایی از این قبیل چراغانی شده بودند. اما طی دو قرن اخیر، دانشمندان و مخترعان بزرگ لامپ هایی را تولید کرده اند که از رشته‌های پلاتین، ایریدیوم نخ کربونیزه شده و حتی بامبو استفاده می کنند که این دو مورد اخیر، هر دو از نوآوری‌های توماس ادیسون بودند.
در سال ۱۹۰۸، یکی از مخترعان بزرگ آمریکایی به نام “ویلیام دی کولیژ” در نهایت به این نتیجه رسید که چگونه سیمی از تنگستنِ فوق‌العاده سخت تولید کند. این رشته کاملا ایده‌آل بود. مستحکم، بادوام و گرمایش پذیر. رشته ای که می توانست تا مدت ها بدرخشد، بدون این که ذوب شود.
تنگستن و مشکلی بزرگ
رشته‌های تنگستنی به خوبی برای یک قرن به ما خدمت کردند. اما حقیقت این است که آن‌ها همیشه در تولید گرما پیشتازتر بوده اند. در برخی لامپ‌ها تا حدود ۹۷ درصد انرژی به عنوان حرارت از دست می رفت. به همین دلیل، لامپ‌های رشته‌ای جهان اکنون با لامپ‌های فلورسنس فشرده کارآمدتر، دیودهای ساطع کننده نور و دیگر فناوری‌ها جایگزین شده اند.
لجباز، اما کارآمد.
اما تنگستن هنوز اساس دو تکنولوژی حیاتی است که به ما کمک می‌کند دنیا را با روش‌هایی بسیار متفاوت، دقیق تر و شفاف تر ببینیم. تنگستن منبع اصلی اشعه ایکس است. اشعه ایکس تولیدی از این ماده، نمایی از بدن و استخوان های ما به ارمغان می آورد.
همچنین از آن برای پروب تفنگ الکترونی به عنوان ساطع کننده الکترون استفاده می‌شود. این ابزار به میکروسکوپ‌های الکترونی اجازه می‌دهد که اشیا را به صورت مولکول‌های منفرد بررسی کنند و البته جوشکاری TIG را فراموش نکنیم. این روش جوشکاری، سال هاست که در پل سازی و ساخت بدنه کشتی ها، روش اصلی به شمار می رود.
انفجار کامبرین را یادتان هست؟
درست مانند تکثیر گونه‌های جدید در زمان انفجار کامبرین، روزانه انواع کاربردهای عجیب برای تنگستن ظهور می کنند تا ویژگی‌های منحصر به فرد آن را استخراج کنند. امروزه تنگستن در اسپایک های رانندگیِ اتومبیل های برفی، لرزاننده هایی که تلفن های همراه ما را هنگام زنگ تکان می دهند، وزنه هایی برای وسایل ماهیگیری و حتی دارت های حرفه ای استفاده می شود.
چگالی و سختی بالای این ماده کاملا گویای این است که چرا ارتش کشورها تنگستن را نوعی نژاد تکاملی برای سلاح های جنگی توصیف کرده اند. یک تحلیلگر نظامی به نام “رابرت کلی” در این باره می گوید:
با تنگستن واقعا می توان گلوله‌های خوبی تولید کرد. این گلوله ها دقیقا همان هایی هستند که شما مطمئن خواهید بود افراد را سریعاً می کشد.
و درست مانند موجودات دوره کامبرین، زمانی که کسی با استفاده از دندان (یا گلوله های تنگستنی) شروع به مقابله با شما کند، شما حتماً باید از خود دفاع کنید. آقای کلی معتقد است که مهندسان نظامی باید یک تعادل شگفت انگیز میان هزینه، سنگینی و بازیافت تنگستن ایجاد کنند.
موشک هایی بدون مواد منفجره
ویژگی‌های فوق‌العاده تنگستن به توسعه گروهی از موشک‌ها منجر شده است که بدون مواد منفجره کار می‌کنند. سلاح های بمباران “کینتیک” این کار را می کنند. در این سلاح ها، موشک های تنگستنی با سرعت باور نکردنی به سمت هدف حرکت می کنند.
آن‌ها می‌توانند در زره های ضخیم فولادی نفوذ کنند و باعث ایجاد خرابی های شدید شوند. البته این خرابی ها یک ویژگی منحصر به فرد دارند و آن این است که کاملاً موضعی هستند.
تنها رقیب تنگستن در این برنامه، اورانیوم رادیواکتیو است. اورانیوم deplete شده یا تهی شده به اندازه تنگستن سنگین است. از دیدگاه نظامی یک مزیت اضافی هم دارد. این که دماهایی بسیار بالا تولید می کند که باعث نابودی کامل سلاح های دشمن می شود. رابرت کلی می‌گوید:
اگر شما فردی داخل تانک مورد اصابت باشید، شک نکنید اصلا به یاد نخواهید داشت که چه اتفاقی افتاده است.
ساخت بمب با استفاده از فلز تنگستن
پس چرا ارتش ها هنوز از تنگستن استفاده می‌کنند؟ از آنجا که مردم کویت پس از اولین جنگ خلیج فارس کشف کردند که اورانیوم تهی شده یک غبار مرگبار را پس از سوختن باقی می‌گذارد.
می دانیم خیلی عجیب به نظر می رسد اما در دنیای جنگ، تنگستن یک جایگزین سازگار با محیط زیست است. همه این کاربردهای نظامی و صنعتیِ در حال رشد، توضیح می‌دهند که چرا تنگستن به عنوان یک عنصر استراتژیک حیاتی توسط بسیاری از کشورها طبقه بندی می‌شود.
همیشه پای چین در میان است.
این همه از اهمیت استراتژیک تنگستن برای کشورها گفتیم. این را هم بگوییم که بیش از ۸۰ درصد از تامین جهانی این فلز توسط چین کنترل می‌شود و در سال های اخیر چین محدودیت‌هایی را بر صادرات تنگستن به همراه بسیاری از کالاهای خام دیگر اعمال کرده است.
چین می‌خواهد توسعه صنایعی را که از تنگستن در خود چین استفاده می‌کنند، تشویق کند و البته قیمت جهانی تنگستن را افزایش دهد و سود بیشتری ببرد.
معدن “همردون” در منطقه “دارت مور” انگلستان یکی از معادن فلزی جدیدی است که ۴۰ سال در بریتانیا فعال است و سومین معدن بزرگ تنگستن در جهان است. این معدن جدید، تجلی دیگری از فشارهای رقابتی است که دنیای مدرن را شکل می‌دهد. همان طور که در دنیای ابتدایی نیز همین گونه تکامل پیدا کردیم.