حمل و نقل یکی از شاخص های مهم رشد اقتصادی در جهان از جمله ایران محسوب می شود. هر چند مسئولان کشور، از سهم 9 درصدی حمل و نقل در تولید ناخالص داخلی سخن گفته اند اما این میزان طی یک دهه گذشته، حدود 7 درصد برآورد می شود. این در حالی است که حمل و نقل بین 6 تا 12 درصد تولید ناخالص داخلی بسیاری از کشورهای توسعه یافته را تشکیل می دهد. در این رابطه آنچه کمتر در اقتصاد حمل و نقل به آن پرداخته شده، نقش و جایگاه انواع فلزات در ساخت زیرساخت ها و مُدهای مختلف حمل و نقل اعم از جاده ای، ریلی، هوایی و دریایی است. قیمت میلگرد آلیاژی که برای ساخت و ساز در صنعت خودروسازی استفاده می شوند یکی از فاکتورهای مهمی است که روی قیمت نهایی کالا تاثیر می گذارد.
از این رو، در این مقاله در قالب بررسی ارتباط بین فلزات و وسایل حمل و نقل، کاربرد برخی فلزات خصوصا فولاد، مس و آلومینیوم در ساخت انواع وسایل حمل و نقل مانند خودرو، اتوبوس، قطار، هواپیما و کشتی مورد توجه قرار گرفته است. همچنین در انتها سهم حمل و نقل مواد معدنی به ویژه فولاد در صادرات و ترانزیت کالا و تاثیر آن بر رشد اقتصادی کشور به اختصار بررسی شده است.
فولاد و آهن آلات، به دلیل دوام، استحکام، مقاومت بالا، مقرون به صرفه بودن و قابلیت بازیافت، جایگاه ویژه ای در صنعت حمل و نقل و بهبود شیوه های آن داشته و عمر انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش می دهد. بر اساس تحقیقات منتشر شده، تقریبا 16 درصد از فولاد و آهن آلات، برای نیازهای حمل و نقل به ویژه ساخت خودرو، استفاده می شود. خودروها در بین انواع وسایل حمل و نقل، از پرمصرف ترین مدهای حمل و نقلی در زمینه استفاده از فولاد به شمار می روند. به تعبیر دیگر، فولاد ماده اصلی در تولید خودرو است که حدود 65 درصد وزن متوسط آن را به خود اختصاص می دهد. در مجموع، توزیع فولاد موجود در خودرو به شرح زیر است:
بر اساس پیش بینی انجمن جهانی فولاد، خودرو تقریبا 12 درصد کل مصرف جهانی فولاد را تشکیل می دهد. کمپانی آرسلور میتال (ArcelorMittal)، یکی از تولیدکنندگان نسبتا جدید فولاد مورد استفاده در ساخت خودرو، در سال 2014 به تنهایی حدود 16.7 درصد بازار ورق های فولادی در دنیا را به خود اختصاص داده است. همچنین براساس اعلام سازمان بین المللی تولیدکنندگان وسایل نقلیه موتوری، 95.6 میلیون دستگاه خودرو در سال 2018 تولید شده که به طور متوسط در هر وسیله نقلیه، 900 کیلوگرم فولاد استفاده می شود. علاوه بر اینها، صنعت حمل و نقل اعم از عمومی و خصوصی، به میزان زیادی به عرضه فولاد بستگی دارد. بدنه های اتوبوس به دلیل برخورداری از افزایش وزن و قدرت، اغلب از فولاد با کیفیت بالا ساخته می شوند تا توانایی تحمل فشار شدید در جاده را داشته باشند. ضمنا فولاد در ساخت قاب دوچرخه هم استفاده می شود که این امر، افزایش استحکام و ایمنی داخلی این وسیله حمل و نقل پاک را در پی دارد.
در حال حاضر، شرکت های بزرگ فولادی در زمینه تولید فولادهای با استحکام بالا (HSS)، سرمایه گذاری می کنند تا جایگاه آن را به عنوان ماده انتخابی برای صنعت خودرو حفظ کنند. این فولادها که حداقل 60 درصد ساختار بدنه وسایل نقلیه امروزی را تشکیل می دهند، از حداقل مقاومت کششی 500 تا 800 مگاپاسکال برخوردارند. این فولادها نسبت به فولادهای سنتی، استحکام قابل مقایسه و صرفه جویی در وزن دارند و استفاده از آنها در ساختار بدنه، سبب سبک تر و بهینه تر شدن طراحی وسایل نقلیه، افزایش ایمنی و بهبود مصرف سوخت می شود. علاوه بر این، گریدهای جدید فولادهای پیشرفته با استحکام بالا، باعث می شود خودروسازان وزن خودرو را در مقایسه با استفاده از فولاد معمولی، 25 تا 39 درصد کاهش دهند؛ به گونه ای که هنگام استفاده از یک خودرو معمولی خانوادگی دارای پنج سرنشین، وزن کلی وسیله نقلیه 170 تا 270 کیلوگرم کاهش می یابد که این امر، سبب صرفه جویی 3 تا 4.5 تن از گازهای گلخانه ای در طول عمر خودرو می شود.
با وجود نقش برجسته فولاد در خودروسازی، با توجه به دلایلی مانند نگرانی درباره پایداری فولاد در بلندمدت و نیز لزوم سبک تر شدن اتومبیل، سهم فولاد در خودرو به تدریج کاهش می یابد؛ به گونه ای که تولیدکنندگان استفاده از مواد سبک تر مانند آلومینیوم و کامپوزیت های پلاستیکی را در خودروهای خود افزایش داده اند. البته مواد سبک تر برای جایگزینی فولاد در ساخت اتومبیل مانند آلیاژهای منیزیمی، فولاد منیزیم، فیبر کربن و کامپوزیت های پلیمری که کمترین چگالی مصالح مورد استفاده در وسایل نقلیه را دارا هستند، وجود دارد و استفاده گسترده از آنها از پتانسیل کاهش وزن بیش از 60 درصد قطعات برخودار است، اما پذیرش آنها به جای فولاد در ساخت خودرو ممکن نیست.
بر این اساس، استفاده از ورق آلومینیوم در ساخت خودرو، جذابیت بیشتری دارد اما آلومینیوم نسبت به فولاد، فلز بسیار گران تری است و سایر مواد سبک تر مانند منگنز و کامپوزیت های پلاستیکی نیز گران تر از آن هستند. با این توصیف، بین کاهش وزن و افزایش هزینه ها، تعادل برقرار است. همچنین استحکام تسلیم منیزیم مشابه آلومینیوم است اما این فلز دارای کشش نهایی، خستگی و مقاومت خزش پایین تری است و آلیاژهای آن دارای سختی کمتری بوده و احتمال شکست آن به دلیل انعطاف پذیری کم وجود دارد.
علاوه بر کاربردهای فولاد در خودروسازی، زیرساخت های حمل و نقلی مانند جاده ها، بنادر، فرودگاه ها، پل ها و مراکز سوخت نیز از آن بهره می برند. همچنین حدود 60 درصد از فولاد مصرفی در زیرساخت ها به میلگردها اختصاص دارد و بقیه شامل، ریل، راه آهن و فولاد مصرف شده در قطعه ها هستند. در این رابطه، هواپیماها، کشتی ها و کانتینرها، قطارها و واگن ها، از جمله کاربردهای آهن آلات و فولاد محسوب می شود.
در حال حاضر کشتی های فولادی، 90 درصد محموله های جهان را حمل می کنند و میلیون ها کانتینر در دنیا وجود دارد که بیشتر آنها از جنس آهن است. از آنجا که ورق های فولادی از مقاومت کششی بسیار بالایی برخوردارند، برای ساخت بدنه کشتی از آنها استفاده می شود. برخی از انواع ورق فلزی نیز برای مقاومت در خوردگی طراحی شده که در تانکرهای نفت مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین فولادهای زنگ نزن که در ساخت مخازن سبک تر و با ظرفیت بیشتر با همان وزن کاربرد دارند، کاهش مصرف سوخت و در نتیجه کاهش دی اکسید کربن را موجب می شود.
در همین زمینه، صنعت حمل و نقل ریلی برای ساخت قطارها، ریل ها و زیرساخت های مرتبط با آن، از فولاد و آهن آلات استفاده می کند و این فلزات، حدود 15 درصد از جرم قطارهای پر سرعت را به خود اختصاص می دهد. علاوه بر واگن های باری که کاملا از جنس فولاد هستند، اجزای اصلی فولادی در قطارهای سریع السیر را چرخ ها، اکسل ها، یاتاقان و موتورها تشکیل می دهند. فولاد در صنایع هوایی نیز کاربرد ویژه ای دارد و از استیل و آلومینیوم در ساخت موتورهای هواپیما، بدنه هواپیما و نظایر آن استفاده می شود.
مس به عنوان یکی از پرکارترین فلزات غیرآهنی سنگین، قابلیت های فراوانی در زمینه هدایت جریان برق و گرما، چکش کاری، مقاومت در برابر خوردگی، ماشین کاری، استحکام کششی، خاصیت آلیاژی و شکل پذیری دارد و آن را به یک فلز مطلوب برای صنایع مختلف از جمله حمل و نقل تبدیل کرده است. بنا بر آمارهای منتشر شده، درصد مس مصرفی در برق، 65 درصد، در ساخت و ساز، 25 درصد و در عرصه حمل و نقل، 7 درصد است و 3 درصد نیز به سایر حوزه ها اختصاص دارد.
در این میان، مس به دلیل مقاومت بالا، در انواع حمل و نقل به ویژه حمل و نقل دریایی، کاربرد فراوانی دارد. همچنین اجزای اصلی هواپیماها، قطارها، خودروها و قایق ها همگی به خاصیت الکتریکی و حرارتی مس وابسته اند. علاوه بر آن، رادیاتورهای مسی و برنجی و نیز کولرهای روغنی از دهه 1970 به عنوان استاندارد صنعتی در اتومبیل ها استفاده شده اند. طی سال های اخیر، استفاده فزاینده از قطعات الکترونیکی شامل سیستم های ناوبری آن بود، سیستم های ترمز ضد قفل و صندلی های حرارتی، باعث افزایش تقاضای مس در این بخش ها شده است. اتصالات، چفت ها و پیچ های برنجی، سیم کشی برای سیستم های ضد یخ شیشه ای، یاتاقان های آستین برنجی و خطوط هیدرولیک از جمله اجزای مسی خودروها هستند.
استفاده بیشتر از خودروهای هیبریدی و برقی، مصرف مس را در سطح جهان افزایش داده است. این اتومبیل ها به طور میانگین، تقریبا 25 کیلوگرم مس نیاز دارند. البته بر اساس تحقیقات موسسه بین المللی مس، طی سال های اخیر، بازار رو به رشد خودروهای برقی، تاثیر چشمگیری بر تقاضای مس در طول دهه آینده خواهد گذاشت. بر این اساس، تقاضای مس برای اتومبیل ها و اتوبوس های برقی از 185 هزار تن در 2017 به 1.74 میلیون تن در 2027 ارتقا می یابد که این امر به معنای افزایش حدود 9 برابری استفاده از مس در این وسایل حمل و نقل است.
بر اساس این تحقیق، یک خودروی الکتریکی هیبریدی 40 کیلوگرم، یک خودروی الکتریکی هیبریدی دو شاخه ای 60 کیلوگرم، یک خودروی الکتریکی باتری دار 83 کیلوگرم و یک اتوبوس الکتریکی هیبریدی 89 کیلوگرم مس، نیاز دارند. همچنین یک اتوبوس الکتریکی که با برق باتری کار می کند، بسته به اندازه باتری مورد استفاده، بین 224 تا 369 کیلوگرم مس احتیاج دارد.
علاوه بر آن، قطارهای پر سرعت نیز تا حداکثر 10 مگاتن مس در هر کیلومتر مسیر استفاده می کنند. ضمنا دو درصد از وزن یک هواپیمای مسافربری را می توان به مس اختصاص داد که 190 کیلومتر سیم کشی را شامل می شود. یکی دیگر از کاربردهای مس، در بدنه کشتی ها و قایق هاست. مس به خاطر مقاومت زیاد و فرسایش کمتر، از ورود آب به بدنه کشتی ها و قایق ها جلوگیری می کند و از همین رو، در بدنه آنها از آلیاژ مس نیکل استفاده می شود.
این فلز، فقط در صنعت خودروسازی پر مصرف نیست بلکه علاوه بر آن، در عرصه هوافضا و صنعت حمل و نقل ریلی به ویژه در زمینه ساخت قطارهای سریع السیر کاربرد فراوانی دارد. تقریبا تمام قسمت های باربری قطار، از آلومینیوم استفاده می شود. با توجه به استفاده از چوب و چدن در ساخت قطارهای نخستین و مشکلات خوردگی چدن در دیگ های بخار، آلومینیوم در برخی قسمت های قطار، رواج یافت. هر چند اولین مورد استفاده از آلومینیوم در ساخت قطار به سال 1894 یعنی بیش از 125 سال قبل بر می گردد، اما در دهه 1930 کاربرد آلومینیوم در صنعت ریلی پیشرفت کرد و بعد از آن تا 50 سال روند پیشرفت آن متوقف شد تا اینکه از حدود سال های 1980، آلومینیوم، اصلی ترین فلز مورد استفاده در صنعت حمل و نقل ریلی شد. از این رو، عمر کاربرد گسترده این فلز در حوزه ریلی، حدود نیم قرن است.
از آلومینیوم در ساخت دیواره های توخالی بدنه قطارهای مسافربری و باری استفاده می شود. از آنجا که کاربرد آلومینیوم در بدنه، وزن قطار را کاهش می دهد، امکان حمل بار به میزان بیشتر و مصرف سوخت کمتر، فراهم می شود. این قطارها به ویژه در چین، ژاپن، کشورهای اروپایی و برخی کشورهای دیگر، به توسعه حمل و نقل ریلی یاری رسانده اند. در این رابطه، آلیاژهای مختلف آلومینیوم مانند آلیاژهای سری 5000، 6000 و 7000 در راه آهن کاربرد دارند. علاوه بر اینها، به خاطر نقش آلومینیوم در پیشرفت قطارهای پر سرعت، این امر، موجب کاهش حمل و نقل هوایی شده و به این وسیله، از ورود گازهای گلخانه ای به جو زمین، به میزان زیادی جلوگیری می شود.
استحکام بالا و صرفه جویی در استفاده از مواد، به عنوان ویژگی آلومینیوم، موجب کاربرد گسترده آن در صنعت حمل و نقل توسط محققان داخلی شده است. بر این اساس، محققان دانشگاه امیرکبیر، طی سال های اخیر، موفق به ساخت قطعات آلومینیومی نانو ساختار در مقیاس آزمایشگاهی شدند. این محققان از ساخت آلیاژی با خواص ویژه صنعت حمل و نقل خبر داده اند که ویژگی آن استحکام بالا، کاهش وزن و صرفه جویی در استفاده از مواد، مصرف کمتر انرژی و کاهش آلودگی با قابلیت کاربرد گسترده در صنعت حمل و نقل و هوافضاست. در این طرح، کاهش وزن وسیله نقلیه و بهبود وضعیت ایمنی با تولید مواد خاص، مدنظر قرار گرفته است.
علاوه بر کاربردهای انواع فلزات در ساخت انواع وسایل حمل و نقل جاده ای (زمینی)، ریلی، هوایی و دریایی، نکته مهم دیگر، در زمینه ارتباط فولاد و حمل و نقل، به سهم صادرات و ترانزیت مواد معدنی و فولاد در عرصه حمل و نقل اختصاص دارد. به تعبیر دیگر، جایگاه فلزات آهنی خصوصا فولاد فقط به ساخت انواع وسایل حمل و نقل مانند کشتی، هواپیما، قطار و اتوبوس بر نمی گردد بلکه علاوه بر آن، رابطه تنگاتنگی بین فولاد و زیر ساخت های حمل و نقل برقرار است. در این زمینه، هر چه زیر ساخت های ریلی، دریایی و جاده ای قوی تر باشد، توسعه صادرات و جابه جایی محصولات معدنی و مرتبط با فولاد، شتاب بیشتری دارد و در رشد اقتصادی کشور موثرتر است.
طبق سند چشم انداز 1404 کشور که از سال 1384 ابلاغ شده، تولید فولاد باید به 55 میلیون تن برسد. همچنین تا این سال، خطوط ریلی کشور باید به 25 هزار کیلومتر و سهم ریل در حوزه جابه جایی فولاد باید از حدود 7 درصد به 30 درصد ارتقا یابد. در همین رابطه، به منظور تامین مواد اولیه برای تولید محصولات فولادی، به طور تقریبی حدود 190 میلیون تن مواد خام در عرصه ترانزیت جاده ای و ریلی، در انتهای چشم انداز نیاز است که از این میزان، ظرفیت سازی جاده های ترانزیتی باید به 85 میلیون تن و خطوط ریلی به 105 میلیون تن برسد.
همچنین در زمینه توسعه شبکه حمل و نقل دریایی، با توجه به موازنه در کل زنجیره حمل و نقل برای تحقق تولید 55 میلیون تن فولاد، حدود 35 تا 50 میلیون تن برای توسعه و تجهیز بنادر و استفاده کامل از ظرفیت آن لازم است. با این وجود، علی رغم رشد مناسب تولید فولاد طی سال های اخیر، به دلیل توسعه محدود زیرساخت های حمل و نقل جاده ای، ریلی و دریایی و نیز تحریم ها و محدودیت های ناشی از صادرات مواد معدنی و محصولات فولادی، عملا دستیابی به اهداف چشم انداز، دور از دسترس است و همگی این موارد، از جمله موانع مهم توسعه اقتصادی کشور در قالب صادرات فولاد و زیرساخت های حمل و نقل به شمار می رود.