المصانع والبيئة

تنتج المصانع أغلب المنتجات التي نستخدمها يوميًا مثل الملابس والألعاب والأدوية، بل والغذاء. ويستخدم العلماء كلمة الصناعات للإشارة إلى المصانع ونميز بين الصناعات حسب منتجاتها. على سبيل المثال، تنتج الصناعات الكيميائية العديد من المواد لصنع كل شيء حولنا تقريبًا. وصناعة الأدوية هي مثال على صناعة كيميائية تنتج الأدوية. تعمل بعض الصناعات الكيميائية إلى حد كبير مثل مطبخك. ففي المطبخ، يمكنك استخدام مكونات مختلفة ووصفات متنوعة والعديد من المعدات لتحضير أكلات معينة، مثل الكيك (الشكل 1A). وعندما يحتاج الطعام إلى وقت طهي طويل أو درجة حرارة طهي مرتفعة، يستهلك المزيد من الكهرباء أو الغاز أو الخشب. وفي تلك الحالات، ينطلق الكثير من ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي لكوكب الأرض، ما يتسبب في الاحتباس الحراري العالمي الذي سمعت عنه الكثير على الأرجح.

في بعض الصناعات الكيميائية، تستهلك الطرق المُستخدَمة أيضًا الكثير من الطاقة والمواد (الشكل 1B). ولأنه لا توجد عملية مثالية، لا يتم تحويل بعض العناصر إلى منتجات قيّمة وغالبًا ما تتولد النفايات. والمنتجات الناتجة عن هذه الطريقة لا تكون مستدامة جدًا، ما يعني أنها تساهم في الإضرار بكوكبنا. عندما تنتج الصناعات الأدوية واللقاحات، غالبًا ما تركز على حفظ الأرواح وقد لا تهتم كفايةً بكمية النفايات الناتجة أو انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، بما أن مناخ الأرض يقترب من نقطة حرجة، علينا الحد من استهلاك المواد والانبعاثات عند صنع كل المنتجات، بما في ذلك السلع الأساسية.

يعدّ هدف التنمية المستدامة رقم 9 (الصناعة والابتكار والبنى التحتية، أو SDG 9 اختصارًا) من أهداف التنمية المستدامة الـ 17 التي وضعتها الأمم المتحدة للحفاظ على صحة كوكبنا [1]. ويسعى هدف التنمية المستدامة رقم 9 إلى ضمان اعتماد الصناعات لممارسات مستدامة واستثمار البلدان في تحسين البنى التحتية مثل الطرق والجسور وتوفّر الخدمات الأساسية مثل الماء النظيف والإنترنت السريع لتعزيز المجتمعات. ولتحقيق كل هذا، نحتاج إلى العديد من التطورات العلمية والتقنية الجديدة. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن تغير المناخ هو مشكلة عالمية، من المهم أن تستغل كل البلدان التكنولوجيات الجديدة الأكثر فعالية. وبالتركيز على تحسين البنى التحتية ودعم الإبداع، يمكننا توفير المزيد من الوظائف ودعم الشركات وضمان جودة حياة أفضل للجميع. والتطورات في هذا المجال مهمة أيضًا لأهداف التنمية المستدامة الأخرى. على سبيل المثال، فإن توفير الأدوية بأسعار معقولة يمكن أن يدعم هدف التنمية المستدامة رقم 3 والذي يركز على ضمان حياة صحية لكل البشر. بالإضافة إلى ذلك، فإن تحسين طرق إنتاج الأدوية يدعم الهدف 12 من أهداف التنمية المستدامة والذي يسعى إلى ضمان الاستهلاك والإنتاج المستدامين.

لدعم الهدف 9 من أهداف التنمية المستدامة، فالإجراءات التي على الصناعات القيام بها لا تختلف كثيرًا عن المساهمات التي نطبقها في المنزل، وهي الحد من الاستهلاك وإعادة الاستخدام وإعادة التدوير. يجب أن تحد الصناعات من استهلاك الطاقة والمواد اللازمة لصناعة منتجاتها. وبعد استخدام المنتجات، من المفترض أن نتمكن من إعادة تدويرها. نتكبد تكلفة مالية عند محاولة ابتكار طرق جديدة للحد من الاستهلاك وإعادة الاستخدام وإعادة التدوير، ولكن إن لم نقم بذلك، فسندفع ثمنًا أعلى للتعامل مع عواقب التغير المناخي وتضرر البيئة.

علم الصناعة

بفضل العلوم، تطورت التكنولوجيا بسرعة كبيرة جدًا في السنوات القليلة الماضية، فالأشياء الشائعة في حياتنا مثل الهواتف المحمولة والإنترنت لم تكن متاحة في وقت طفولة أجدادنا وآبائنا. ولكن الآلات المستخدمة في الصناعة باهظة الثمن، ومن المفترض أن تدوم لسنوات عديدة. إذا تم تصميم آلة ليست فعالة بدرجة كبيرة لتعمل عدة سنوات، فسيمضي وقت طويل إلى أن تستبدلها المعدات الأكثر فعالية. على سبيل المثال، تعمل بعض الآلات المُستخدَمة لإنتاج الأسمدة عادةً بين 40 و50 عامًا. وتحدّث الصناعات آلاتها وعمليات التصنيع الخاصة بها بسرعات مختلفة، ولكن تحتاج كلها إلى التحول إلى استخدام آلات وعمليات أكثر استدامة في السنوات القادمة.

لننظر مثلاً إلى صناعة يعمل بها الملايين، وهي صناعة الأدوية. بفضل منتجات هذه الصناعة، تحسنت صحة مجتمعنا كثيرًا ويمكن للناس الآن العيش لسنوات أطول. تقوم صناعة الأدوية بصنع العقاقير التي نأخذها عندما نصاب بالمرض. كما رأيت في الشكل 1، يتم إنتاج الأدوية بطريقة مشابهة لطهي الطعام. وكما نستخدم المقالي في الطهي، تستخدم المصانع أوعية، تسمى المفاعلات.

بدلاً من الطعام، يتم تحويل المواد الكيميائية المختلفة إلى أدوية. وتستغرق عملية التحويل هذه وقتًا وتنتج عادةً خليطًا من المركبات، وبعضها يكون غير مطلوب. تستهلك عمليتا الإنتاج والتنقية الكثير من المواد والأموال. تولّد عملية إنتاج الأدوية أيضًا الكثير من النفايات، فمع كل كجم من الأدوية المباعة في المتوسط، تنتج نفايات يزيد وزنها عن 25 كجم من المواد [2]. ويمكن أن تمرّ الأدوية المخصصة لأمراض محددة بالكثير من مراحل الإنتاج، مما يولّد عمومًا الكثير من النفايات، ولهذا السبب تكون أغلى ثمنًا أيضًا. فهل يمكن أن تتوفر طريقة أفضل لإنتاج الأدوية التي يحتاجها الجميع؟

تحسين طرق الصناعة

إذا أردنا صنع وتوفير أدوية لعدد أكبر من الناس حول العالم، نحتاج إلى عملية تصنيع أرخص وأكثر استدامة. ومع ذلك، لا يمكننا مقايضة التكلفة بالجودة، بل علينا التأكد من خفض تكلفة الأدوية مع ثبات جودتها وسلامتها وتأثيرها. نظرًا لأن معايير الجودة الخاصة بصناعة الأدوية مرتفعة للغاية، يحدث الإنتاج عادةً على مراحل، حيث يتم تحويل المواد الكيميائية في مفاعلات مختلفة (الشكل 2A). وهذا يمنع خسارة المصنع لكل مواده الكيميائية إذا لم تنجح العملية. يسهل هذا أيضًا إزالة دفعات الأدوية السيئة من السوق إذا تعرض شخص لتفاعل سلبي. ولهذا السبب تحمل كل علب الأدوية رقم دفعة. ولكن تتجنب عملية جديدة اسمها التصنيع المستمر استخدام الدفعات من خلال تطبيق طرق أخرى للتحكم في التفاعلات وجودة إنتاج الأدوية (الشكل 2B) [4]، كما تتم صناعة الأدوية بسرعة أكبر. ولكن كيف يمكننا إنشاء مفاعلات التصنيع المستمر؟

الطباعة ثلاثية الأبعاد: طريقة جديدة لصنع أشياء جديدة

تمامًا كما يحدث عند الرغبة في الحصول على النكهات المطلوبة أثناء الطهي، فهناك بعض التفاعلات الكيميائية التي لا يسهل تنفيذها والتحكم فيها. على سبيل المثال، عندما تطهو شيئًا وتكون درجة الحرارة مرتفعة جدًا، قد يحترق الطعام أو يصبح مذاقه سيئًا. ويحدث هذا بسبب وقوع تفاعلات كيميائية غير مرغوب فيها. عند إنتاج الأوية، إذا لم يتم التحكم جيدًا في درجة الحرارة، يمكن أن يتكوّن مركب سام مع الدواء. وهذا مثال واحد فقط، ولكن هناك العديد من المشاكل المختلفة، وكل مشكلة منها تحتاج إلى معالجتها أثناء الإنتاج. وفي حين تتعدد الحلول المحتملة، يعتمد أغلبها على استخدام المزيد من الموارد أو إطالة عملية الإنتاج. وقد تزيد تكلفة المنتجات بسبب هذه الطرق.

يعرض الشكل 3 أحد المفاعلات التي أنتجناها والتي تُسمّى المفاعل الكسوري [3]. وكلمة الكسوري تشير إلى التعريف الرياضي لشكل يتكرر فيه نمط معين عدة مرات، مثل فروع الشجرة.

ويمكن أن تساعد المفاعلات الكسورية في صناعة أدوية معينة بطريقة أسرع وأكثر استدامة. وأفضل ميزة هنا أنه يمكننا تعديل شكل المفاعل بسهولة كبيرة، فهدفنا الرئيسي تحسين شكل المفاعل لتصنيع أي منتج مع الحد من كميات الموارد والطاقة اللازمة.

تُعدّ الطباعة ثلاثية الأبعاد أحد الخيارات الممكنة لإنتاج المفاعلات الكسورية للتصنيع المستمر الذي يشتمل على تفاعلات صعبة. ومن ميزات الطباعة ثلاثية الأبعاد إمكانية إنتاج أشكال معقدة للغاية لم يكن من الممكن إنشاؤها في السابق. وتعمل مجموعتنا البحثية على تصميم وتصنيع مفاعلات جديدة لمحاولة التحكم في التفاعلات المعقدة. على سبيل المثال، يمكننا التعامل مع الأحماض الخطيرة بطرق أكثر أمانًا وفي وحدات أكثر إحكامًا من أي وقت مضى [4]. ونحن نتبع في الأساس ما تقوم به عند اختيار الملابس، فنحن نختار المقاس المناسب والتفاصيل الملائمة للملابس لكل نشاط نقوم به. فما من حاجة مثلاً إلى ارتداء بدلة وربطة عنق لركوب الأمواج.

صناعات المستقبل

تشكل الصناعات إحدى ركائز رفاهنا وهي في غاية الأهمية للمجتمعات البشرية. ويسعى الهدف 9 من أهداف التنمية المستدامة إلى ضمان بذل البلدان قصارى جهدها لجعل كل الصناعات أكثر استدامة. ويمكن أن تستفيد الصناعات من التكنولوجيات الجديدة مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد لصنع منتجات تستهلك عددًا أقل من الموارد، مع توليد القليل من النفايات وانبعاثات الكربون. وفي صناعة الأدوية، يمكن أن تساعدنا الطباعة ثلاثية الأبعاد في إنشاء مفاعلات لتصنيع الأدوية المهمة بسرعة أكبر، مع الحفاظ على جودتها. ويمكنك أيضًا المساهمة في الأمر من خلال اختيار شراء الأشياء المصنوعة باستخدام طرق إنتاج مستدامة. يمكنك أيضًا استغلال مخيلتك للتوصل إلى طرق جديدة لصناعة أشياء أفضل للكوكب وسكّانه من البشر.

شكر وتقدير

نودّ أن نتوجه بالشكر لكلٍ من روبن كوستا ونيكي تالبوت في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية على دعمهما الثمين لنا خلال مرحلة الكتابة الأولية وعملية المراجعة، فلولاهما ما اكتملت هذه المجموعة. كما نود أن نعرب عن امتناننا لمكتب الاستدامة والمكتب القُطري لبرنامج الأمم المتحدة الإنمائي في المملكة العربية السعودية لتفانيهم في رفع مستوى الوعي بأهمية أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة في رحلتنا نحو عالم أكثر استدامة. تم إجراء البحث الوارد في هذه المقالة بدعم من جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست). ويشكر المؤلفون آنا بيجيو على رسم الشكلين 1 و2.

مسرد للمصطلحات

الأدوية (Pharmaceutical): ↑ أي عقار يتم استخدامه لأغراض طبية.

الصناعات (Industries): ↑ ''مصانع'' يتم فيها إنتاج المنتجات أو الخدمات.

مستدامة (Sustainable): ↑ المنتجات التي يتم صنعها باستخدام القليل من المواد وتكرار استخدام الأشياء وتحويل العناصر القديمة إلى أخرى جديدة، ما يساعد الكوكب عبر تقليل الاستهلاك.

البنية التحتية (Infrastructure): ↑ الأنظمة والخدمات الأساسية اللازمة لأي مؤسسة حتى تعمل جيدًا.

المفاعلات (Reactors): ↑ آلات خاصة تصنع أشياءً جديدة من خلال خلط أشياء معًا، ويحدث هذا في الكثير من الأحيان عبر رفع درجة حرارتها للغاية.

التنقية (Purification): ↑ العملية المستخدمة لاختيار العناصر المرغوبة فقط في خليط.

التصنيع المستمر (Continuous Manufacturing): ↑ مواصلة إنتاج الأشياء نفسها مرارًا وتكرارًا بدون توقف.

المفاعل الكسوري (Fractal Reactor): ↑ جهاز يحتوي على العديد من المنعطفات، ما يجعل الأشياء تصطدم ببعضها كثيرًا، فينتج شيء جديد.

الجزيء (Molecule): ↑ أصغر وحدة لأي مادة (يمثل H2O جزيئًا واحدًا للماء).

الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D Printing): ↑ صنع عناصر حقيقية متكدسة في طبقات من رسم على الكمبيوتر. تشبه العملية تكديس وحدات معًا لإنشاء بنية.

إقرار تضارب المصالح

يعلن المؤلفون أن البحث قد أُجري في غياب أي علاقات تجارية أو مالية يمكن تفسيرها على أنها تضارب محتمل في المصالح.