《先进材料计量战略》

  • 来源专题:计量基标准与精密测量
  • 发布时间:2024-03-21
  • 先进材料是一种影响我们生活方方面面的交叉技术,如绿色能源、先进药物、量子技术和电信的未来。先进原材料的制造业为英国经济贡献了约144亿英镑的全球价值,对所有制造业的创新至关重要。

    尽管全球对先进材料的投资不断增加,但整个供应链的创新步伐往往受到对材料技术准备水平的信心限制。例如,这可能是在学术研究环境中测量的先进材料增强性能的再现性,或者是证明对消费者和环境安全的测量数据。

    稳健的计量提供了这种信心,降低了投资风险,实现了先进材料的创新和商业化。随着创新步伐的加快,新的更复杂的材料变得可用,人们越来越需要发展所需的材料计量能力,以加快先进材料的使用,并为英国公司在全球市场上提供竞争优势。

    本先进材料计量战略是通过深入审查英国和国际先进材料和计量战略以及一系列全面的利益相关者访谈制定的。它确定了包括能源和数字转型在内的变革的关键驱动因素如何需要测量能力的创新和提供英国材料计量基础设施的新方法。

    材料计量学的主要趋势已被确定并分为两大主题:

    ?前沿测量:随着材料变得更加复杂,并在不同和具有挑战性的条件下使用,计量学需要进行调整,以允许在多个尺度(从非常小到非常大,从超快过程到长期变化)和模拟现实应用的复杂条件下进行测量;

    ?智能和互联计量:单一的测量方法往往不足以充分表征先进材料。通过混合计量的概念,将多种测量技术和先进的数据融合相结合,以提取比目前使用单独方法所能获得的更多信息和更高的置信度,测量将需要变得更智能、更互联。

    这些趋势将允许高效实施数字和虚拟测试、快速的材料信息学创新和对先进材料的稳健选择。所有这些都将支持多个行业的颠覆性创新,同时减少对环境的影响。

    该文件还提供了三项关键建议,以提高英国在这一重要领域的竞争力,巩固英国的科学超级大国地位,并促进需要高技能劳动力的行业的经济增长。这些是英国应该建立的:

    ?国家材料验证和保证中心,汇集材料计量、材料科学和行业专业知识;

    ?一个全国性的材料数据库,通过材料信息学和数字驱动的设计-制造-测试-使用周期来实现创新;

    ?保持英国在国际材料计量领域领先地位的战略和资金框架,旨在针对和影响基于先进材料的新兴技术的标准、规范和监管的发展。

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    • 来源专题:关键原材料领域知识服务平台
    • 发布时间:2023-03-24
    • 原文导语: 德国经济90%以上的原材料供应都依赖进口。这些原材料的进口很多只来自少数几个生产国。通常这些国家都不是很民主国家。在这方面,供应风险有时非常高,包括稀土、锂和镁等矿物原料的情况也是如此。确保原材料进口的安全经济政策可以采取各种措施。例如,欧洲买家可以捆绑采购关键原材料,以对抗少数供应商的市场力量。还可以进一步挖掘进口多样化的潜力。还应重新考虑储存问题,并以强制性最低储备作为补充。从长远来看,通过更多地利用回收机会和在国内扩大矿物原料的开采,可以减少原材料的进口。最后,应启动技术创新,以取代原材料的进口。这些措施应该尽可能在欧洲层面进行协调。 2022年的事件清楚地表明,原材料的供应可以作为政治杠杆。 几十年来,似乎有两个不同的世界: 世界原材料市场和国际政治。即使在冷战期间,苏联也曾可靠地向西方 "敌人" 出售原材料。 这种可靠性不再适用,因此政府和企业的负责人都知道,必须做出更多努力来保证原材料的供应。 在德国使用的所有原材料中,以原材料的价值来衡量,进口的份额远远超过90%。因此,商品安全意味着在短期内确保这些原材料的进口。这些原材料大多从世界不同地区进口,包括从欧洲角度看不被认为是可靠供应商的国家。 在对乌克兰的战争过程中,这一点在天然气和石油方面已经变得非常明显。然而,以进口份额来衡量,这在更大程度上也适用于矿物原料。 欧盟委员会评估许多矿物原料的供应安全是至关重要的 自2011年以来,欧盟委员会每三年都会制定一份 "关键原材料" 清单,进行盘点。如果满足两个标准,一种原材料就被认为是关键的。一方面,原材料必须具有经济上的重要性,另一方面,其供应必须被评估为有风险。重要性主要涉及现代技术(如半导体、电池技术或航空航天)的原材料。在供应风险的情况下,供应的意愿考虑的主要因素是国家位置、运输手段和路线,以及供应商之间缺乏竞争。 在考虑的83种商品中,有30种被认为是关键商品。其他的也不是不重要,但不那么关键。例如,黄金在这两个方面都被认为是不重要的,而白银受到的风险很低,但却很重要。柚木受到供应风险的影响,但被评估为经济上不太重要。关键组别尤其包括稀土,以及镁、锂、钴和铝土矿。 欧盟和德国政府准备采取措施加强原材料安全 为了应对新的全球经济环境,欧盟委员会宣布了2023年春季关键原材料的行动计划。这可能比以前的建议更具体,并超越了以前的方法,包括进口的多样化。德国政府也在考虑采取国家措施。 短期措施假定关键原材料的进口将是必要的。供应商基本保持不变,数量甚至可能增加,例如为应对能源转型。这仍然留下三个不同的措施。 一种方法是将需求捆绑,以抵消少数供应商的市场力量。另一个措施是供应国更加多样化,这往往会减少个别供应商的权力,也会在供应商违约的情况下缓冲进口下降。最后,强制性最低储备可以暂时保证供应安全。 从长远来看,可以通过三项措施部分替代原材料进口来提高原材料供应的安全性。这些措施包括改进回收利用。这可以通过加强努力来实现,如改善法律规定的回收配额。此外,可以更多地利用自身的生产可能性。最后,可以促进技术革新,减少甚至完全取代关键原材料的使用。 欧洲层面的协调行动和原材料的联合采购是有利的 对于上述六项措施,如果欧盟国家能够合作,对德国是有利的。 在比较德国和欧盟之间对原材料进口的依赖性时,这一点就很明显了。在27种关键原材料中的14种(来自欧盟的清单),德国和欧洲都百分之百地依赖进口,而其他三种则分别超过95%(图1)。 此外,有七种原材料德国完全依赖进口,而欧盟对进口的依赖程度最高达80%。这就使得德国和欧盟有两种原材料需要进口50%到80%。只有在硼酸盐的情况下,德国的依赖性比欧盟低。 总之,德国只有在一种原材料的依赖性低于欧盟,但在七种情况下,欧盟更独立。这种不对称性同样适用于大多数其他欧盟国家,这为欧洲合作创造了强大动力。 欧洲合作的一个出发点是联合采购进口原材料,以便以抗衡少数关键原材料供应商的市场力量。如果看一下单个的稀土(如铈和镝),欧盟委员会名单上的关键原材料的数量从30个上升到了44个。 对于所有44种商品,最大的供应国已经拥有相当大的市场份额。在全球产量中最小的份额为28%,最大的份额为 93%(图2)。中位数为74%。 可以通过进一步的多样化来提高供应的安全性 使进口多样化,以避免依赖一个或极少数供应商的随机性,是一个有益的措施。然而,当世界市场74%或更多的份额被一个单一的供应商所控制时,一个大的消费者——如欧盟国家——的短期多样化潜力是有限的。除了经济层面,如果重要的供应国也被认为在政治上不太可靠,那么还有一个政治层面(图3)。 归类为关键世界银行的 “话语权与责任”索引(?Voice-and-Accountability“ - Index)可用于确定供应国。 如果这些国家的数值比土耳其差,则被认为是关键国家,而土耳其的数值是所有经合组织(OECD)成员中迄今为止最弱的。可以看出,许多关键的原材料是欧盟几乎完全从缺乏民主的国家进口的。在这种情况下,一种方法是争取其他生产国成为供应商。 相反,在短期内,从话语权和问责制指数低于土耳其的国家减少进口的潜力是有限的。这可以通过欧盟从关键国家的进口份额和它们在全球生产中的份额之间的差异来说明 (图4)。 据此,只有少数矿物原料,欧洲从较不民主的国家进口的比例较高。因此,通过从民主组成的供应国进口更多的东西,这里有一个短期的多样化潜力。反过来说,表明许多商品的生产已经不成比例地依赖于民主国家的生产(负值范围),因此改变参照国的潜力较小。 欧洲更多的原材料开采仍有争议 最 "安全" 的生产地区可能是欧盟本身。在所考虑的30种关键原材料中,有12种目前在欧盟开采,但数量往往非常少。对于其他五种原材料,欧盟有尚未开采矿藏。 然而,人们对任何形式的原材料开采和环境使用都有抵触情绪,即使是气候友好型的能源转型也无法避免。尽管这在个别情况下或从受影响者的角度来看是可以理解的,但从宏观经济角度来看,这与减少对关键能源进口的依赖的目标是不相符的。 因此,社会必须考虑如何平衡收入(作为高科技地点)、原材料安全(通过减少对缺乏民主的国家的依赖)和保护自己的环境(通过避免原材料开采)三个目标(图5)。 这些相互冲突的目标是可以缓解的(例如通过回收),但必须做出决定。联邦政府在目前的原材料战略中提出的立场仍然不够,因为它在目前的情况下显得非常被动:"联邦政府将支持欧洲委员会的倡议,旨在恢复欧洲委员会成员国对电动汽车和能源周转所必需的金属原材料的私人开采,如铜、锂和镍 。" 每种原材料的情况都不同 对于所有重要的原材料实施捆绑需求、引入强制性最低储备、使用回收和通过创新促进替代是有意义的。然而,当涉及到多样化措施和自身的推广时,情况就不同了。这一点从稀土、镁和锂的例子中可以看出。 稀土中的17种元素被用于一些关键技术,对于建造电动汽车和风力涡轮机尤其重要。欧盟几乎完全依赖原材料的进口:欧盟94%的进口来自特别关键的国家,首先是中国(图6)。 就稀土而言,欧盟的中短期原材料多样化将很难实现。 除中国外,缅甸、美国和澳大利亚也生产较多的稀土,但其出口量很低,因为它们主要供应各自的国内产业。因此,欧洲将很难获得美国和澳大利亚的稀土可能变得昂贵甚至不可能。只有泰国和中国有大量的稀土过剩,在中期内可以帮助欧盟实现多样化。 然而,国际能源署预测,仅为实现巴黎气候目标,全球对稀土的需求到2040年可能会增加7倍。因此,扩大民主供应国的生产对长期的原材料多样化至关重要。 除了中国、俄罗斯和越南这些关键国家之外,巴西、印度和澳大利亚尤其拥有大量稀土储备。因此,加强扩大这些国家的生产能力,以确保长期的原材料,符合欧洲的利益。为此,欧盟应研究它能在多大程度上为这些国家的勘探项目提供具体支持,它还应减少与这些国家的贸易壁垒。 减少对进口原材料依赖的另一个选择是在欧盟开始或扩大生产。一些关键的原材料,如萤石,已经在德国或其他欧盟国家生产。 在世界范围内,90.7%的镁在中国生产;93.3%的欧盟进口镁来自中国。当中国的镁产量在2021年因节能要求而下降时,欧盟的依赖性已经导致了紧张的供应形势和汽车行业的工厂关闭威胁。这种依赖是不必要的,因为全世界的镁储备特别多。 对每个国家的储量没有精确的估计,这是由于镁可以从海水、白云石和其他矿物中提取。然而,有公司初步努力在欧盟开采镁。欧盟应考虑对这些项目给予更多支持。就镁和其他30种关键原材料中的一些而言,高度依赖进口的原因不是欧盟缺乏矿藏,而是国内生产成本高。 尽管重点是来自关键国家的原材料,但民主国家对欧盟的依赖性也应得到解决。这些国家也可以利用他们的市场力量来实现高价或完全停止出口,正如印度尼西亚2020年的镍的例子所显示的那样。 锂是被欧盟列为特别关键的30种原材料之一。除其他外,锂被用于电动汽车的电池,因此对实现气候目标特别重要。因此,国际能源署预测,如果采用可持续发展的方案,到2040年全球对锂的需求可能会增加40倍以上。 在2020年,欧盟仅从智利采购了63%的锂进口,这是一个值得关注的问题。这使该国拥有高度的市场力量。 对全球出口国的考察显示,澳大利亚、中国和阿根廷也被认为是锂的供应国。然而,除了智利,几乎只有中国大量出口锂。由于从中国进口更多的产品不会使原材料进口更安全,剩下的就是加强与其他潜在生产国的合作。此外,在欧洲也可以增加锂的生产,例如在西班牙。 向其他国家学习 日本或韩国等国家的情况与德国基本相当。他们已经采取了影响更深远的措施。例如,这两个国家都在呼吁强制规定关键原材料的最低储备。日本将这些定为180天的消费。韩国最近成立了一家国有原材料公司,以支持勘探。这两个国家都特别提倡回收利用,并对旨在替代关键原材料的研究提供补贴。 另一个例子是,美国通过政府对炼油厂和生产设施的投资和税收优惠支持其国内的稀土生产。产量从2017年的零吨增加到2020年的39000吨,这相当于全球产量的15%左右。 欧盟可以对有自己欧洲储备的关键原材料采取这种措施,例如镁。对于欧盟没有储备的原材料,支持变得更加困难。在这种情况下,可以考虑在被认为是可靠的国家投资新的矿场和炼油厂。还应考虑按照能源伙伴关系的思路建立战略伙伴关系。 结论:需要快速和全欧洲的协调行动 为确保关键原材料的供应而采取行动的压力是显而易见的,并且得到了政治家的认可。即使所考虑的原材料的重要供应国,主要是中国,没有停止或削减对欧洲的出口,供应商的高度集中与德国和欧洲经济迫切的进口需求相结合,是一个极其脆弱的组合。由于扩大回收利用等措施的启动时间较长,在同一时间使用所有可用的措施似乎是明智的。 在短期内,在不削减进口需求的情况下,特别是有三种措施可供选择。 首先,在国家层面,最好是在欧洲层面进行需求捆绑。 第二,关于供应商的系统信息,并在此基础上利用当前的多样化潜力。 第三,由国家发起和中央协调的最低限度的储备积累,确保类似于能源原材料的紧急供应。 同时,值得考虑在长期内减少对原材料的进口需求。为此,可以更有力地促进回收利用。另一项措施,特别是针对不可缺少的原材料,将是扩大欧洲的资金,德国作为欧洲最大的工业化国家,应该适当地参与其中。最后,应推广不需要或少用进口原材料的技术。 对于所有的措施,在欧洲层面上以协调的方式使用它们有明显的优势。然而,必要的过程往往是漫长的,即使是现实的。在这方面,最好不要仅仅依靠欧洲的合作,也要尽快开始在国家层面实施措施。? 欧盟和德国政府的原材料战略 早在2008年,欧盟委员会就发起了一个原材料倡议(RMI, Raw Materials Initiative - RMI)。根据这一倡议,欧盟正在努力实现供应国的多样化、原材料的循环利用和提高原材料的使用效率。自2011年以来,每三年编撰一次关于关键原材料的研究报告,本周报对关键原材料的定义采用了最新版本(2020年)。随着每一期的出版,所考虑的原材料数量都在增加,最近一次是83种原材料。其中有30个被认为是 "关键",即它们对欧洲同样重要,并面临着更大的供应风险。 德国于 2010 年首次制定原材料战略。结果之一是德国原材料署 (Deutsche Rohstoffagentur  - DERA) 的成立成为联邦地球科学与自然资源研究所 (BGR) 的一部分,而联邦地球科学与自然资源研究所 (Geowissenschaften und Rohstoffe - BGR) 又隶属于联邦经济与技术部气候保护(BMWK)。DERA 收集有关矿产和能源资源的信息,对其进行评估并就此向德国公司提供建议。原材料策略最后更新于 2020 年。
  • 《西班牙量子技术战略2025-2035》

    • 来源专题:计量基标准与精密测量
    • 编译者:李晓萌
    • 发布时间:2025-05-07
    • 近日,西班牙数字转型与公共服务部长奥斯卡·洛佩斯(óscarLópez)和科学、创新与大学部长戴安娜·莫兰特(DianaMorant)在经济合作与发展组织(OECD)全球技术论坛上,共同发布了西班牙首个2025-2030年量子技术战略。这项战略于4月15日获得西班牙部长理事会批准,标志着西班牙政府履行了对量子技术生态系统的承诺,推动了一项全面的战略,并在量子计算、量子通信和量子传感这三大关键领域与欧盟的投资保持一致。该战略的预算估计为8.08亿欧元,资金主要来自两个渠道:一是欧盟区域发展基金(FEDER),二是恢复、转型与韧性计划。此外,这两个渠道都有望吸引公共和私人投资,预计总投资可能达到15亿欧元。“我们正在经历的数字化转型推动了颠覆性技术的发展,这些技术将改变我们所熟知的世界。其中一项就是量子技术,全球对量子技术的领导权竞争正在加剧。量子竞赛不会轻松,但西班牙可以在量子通信等领域发挥专长,这些领域对于保护金融交易和能源分配网络等关键环境至关重要。”数字转型与公共服务部长奥斯卡·洛佩斯(óscarLópez)这样评价道。“我们发布的量子技术战略是使西班牙成为该领域领先国家的重要一步。”科学、创新与大学部长戴安娜·莫兰特(DianaMorant)表示,并强调“投资量子研究并将这些知识转化为工业应用,是我们引领定义21世纪的颠覆性创新的能力的体现。”工业应用:药物研发、导航与气候风险具体而言,这一倡议将促进对基础设施和这些技术的工业应用用例的资金投入。其目标不仅是增强西班牙生态系统的优势,如量子通信或后量子密码学领域的研究,还要利用量子传感和计量技术的市场接近性和双重应用潜力,特别是在导航和国防等领域。例如,通过量子时钟,船只可以以极高的精度确定位置,而不依赖外部技术,避免信号干扰或位置偏差。此外,量子技术还可以帮助超精确地规划电网,减少对化石燃料的依赖,支持新药物的研发,模拟气候风险以便更好地进行后续管理,助力可持续肥料催化剂的开发,以及加速国防领域先进材料的研发。该战略的实施是在西班牙此前已投入3亿欧元的基础上进行的,并与联合国推动的“国际量子科学与技术年”相契合。在制定过程中,西班牙组织了多场与量子技术生态系统相关的研讨会和交流活动,并与各自治区代表以及地方实体进行了沟通。此外,发展量子技术还将支持欧盟的数字主权和经济安全,利用其带来的竞争力优势,巩固西班牙和欧盟在全球量子技术竞赛中的地位。根据欧盟委员会的数据,全球现有的量子中小企业中,有四分之一位于欧洲,这一比例与美国相当。这一数据证实了欧洲在全球量子技术市场中实现领导地位的潜力,最终也包括西班牙在全球量子技术市场中的领导地位。预计到2040年,全球量子技术市场的价值将达到1730亿美元。通过这一行动,西班牙旨在实现以下四个战略目标:1.加强研发与创新:促进知识转移,推动研究成果走向市场。2.创建西班牙量子市场:推动量子企业的增长和发展,提升其获取资金和满足市场需求的能力。3.为社会变革做好准备:通过促进安全性和对新的数字权利、后量子隐私的思考,为颠覆性变革做好准备。4.巩固量子生态系统:整合量子生态系统,推动国家整体发展愿景的实现。为了充分利用这些技术带来的好处,同时减轻相关风险,该战略确定了七个优先领域,并通过跨部门协调实施一系列相关举措:优先领域1:增强西班牙量子技术企业的实力。优先领域2:人工智能与量子技术之间的算法设计与技术融合。优先领域3:使西班牙成为量子通信领域的标杆。优先领域4:展示量子传感和计量技术的影响力。优先领域5:后量子时代的信息隐私与保密性。优先领域6:能力提升:基础设施、研究和人才。优先领域7:打造一个强大、协调且在欧盟领先的西班牙量子生态系统。量子通信中心作为首个具体落实这些优先领域的举措,部长理事会上周批准了创建量子通信中心的皇家法令。该中心的初始投资为1000万欧元,将推进以下三大方向:在量子通信领域开发用例;推动量子光子学的研究与开发;以及开展培训和推广活动。该计划的目标是将西班牙量子通信生态系统中的关键公共参与者联合起来,巩固一个涵盖研究、开发和实施这些技术的网络。通过这种方式,量子通信中心将推动量子技术在全国范围内的发展,例如,向加泰罗尼亚光子科学研究所投入超过240万欧元;向马德里理工大学量子信息与通信研究中心投入超过140万欧元;向多诺斯蒂亚国际物理中心基金会投入93万欧元;以及向加那利群岛天体物理研究所投入48万欧元。