Kryzys ziem rzadkich

Na wschodnim krańcu pustyni Mojave, godzinę jazdy na południowy zachód od Las Vegas w Mountain Pass w Kalifornii, leży 1,4 miliarda lat złoże ceru, neodymu i innych metali, które jest najbogatszym źródłem pierwiastków ziem rzadkich w Stanach Zjednoczonych. Obok wzgórz zamieszkanych przez kaktusy, drzewa Jozue i wędrujące żółwie znajduje się rozległe wysypisko śmieci z brązowymi i białymi skałami, które zostało zbudowane przez ponad 50 lat produkcji w 50-hektarowej kopalni odkrywkowej. Kopalnia była niegdyś największym na świecie producentem tych metali, które są kluczowe dla tak różnorodnych produktów, jak dyski twarde do komputerów, kompaktowe żarówki fluorescencyjne czy magnesy stosowane w silnikach pojazdów elektrycznych. A na stronie wciąż jest ich wystarczająco dużo, by wydobywać je przez co najmniej kolejne 30 lat. Ale w 2002 roku został zamknięty z powodu poważnych problemów środowiskowych i pojawienia się chińskich producentów, którzy dostarczali metale po niższych kosztach. Kopalnia była bezczynna przez dekadę.

Potężna kopalnia: Ta 50-hektarowa kopalnia na wschodnim krańcu kalifornijskiej pustyni Mojave była niegdyś wiodącym światowym dostawcą metali ziem rzadkich. Woda zgromadziła się na dnie kopalni, która leżała bezczynnie po zamknięciu dekady temu.

Ze względu na światowe zapotrzebowanie na materiały wybuchowe, właściciel strony, Molycorp Minerals, wznowił wydobycie w przełęczy górskiej w grudniu zeszłego roku. Obecnie jest jedynym producentem metali ziem rzadkich na półkuli zachodniej i jednym z niewielu poza Chinami, które obecnie wytwarzają 95 procent światowych dostaw. We wrześniu ubiegłego roku, po tym jak Chiny przestały eksportować materiały do ​​Japonii na dwa miesiące, kraje na całym świecie zaczęły starać się o zabezpieczenie własnych źródeł. Ale nawet bez chińskich ograniczeń i wraz z odrodzeniem kopalni w Kalifornii, światowe dostawy niektórych pierwiastków ziem rzadkich mogą wkrótce spaść. Szczególnie niepokojące są neodym i dysproz, które są wykorzystywane do wytwarzania magnesów, które pomagają generować moment obrotowy w silnikach samochodów elektrycznych i hybrydowych oraz przetwarzać moment obrotowy na energię elektryczną w dużych turbinach wiatrowych. W raporcie opublikowanym w grudniu ubiegłego roku Departament Energii USA oszacował, że powszechne stosowanie pojazdów z napędem elektrycznym i morskich farm wiatrowych może spowodować niedobory tych metali do 2015 roku.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2011 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Co by się wtedy stało, nie wiadomo. Nie ma praktycznych alternatyw dla tych metali w wielu krytycznych zastosowaniach wymagających silnych magnesów trwałych — materiałów, które zachowują pole magnetyczne bez potrzeby źródła zasilania do indukowania magnetyzmu poprzez przepuszczanie przez nie prądu elektrycznego. Większość magnesów codziennego użytku, w tym te, które trzymają notatki na lodówce, to magnesy trwałe. Ale nie są one bardzo mocne, podczas gdy te wykonane z metali ziem rzadkich są niezwykle silne. Stopy neodymu z żelazem i borem są cztery do pięciu razy silniejsze wagowo niż magnesy trwałe wykonane z dowolnego innego materiału. To jeden z powodów, dla których magnesy ziem rzadkich znajdują się w prawie każdym samochodzie hybrydowym i elektrycznym na drogach. Na przykład silnik Toyoty Prius zużywa około kilograma pierwiastków ziem rzadkich. Morskie turbiny wiatrowe mogą wymagać setek kilogramów każda.

Nowa działalność wydobywcza, nie tylko w Mountain Pass, ale także w Australii i innych miejscach, zwiększy dostawy – ale nie na tyle, by zaspokoić popyt na niektóre metale o krytycznym znaczeniu, w szczególności dysproz, w ciągu najbliższych kilku lat. A ograniczona wydajność nowych operacji wydobywczych to nie jedyny problem. Ponieważ pierwiastki ziem rzadkich są tak doskonałymi magnesami, naukowcy od wczesnych lat 80. włożyli niewiele wysiłku w ich ulepszanie lub opracowywanie innych materiałów, które mogłyby wykonać tę pracę. Niewielu naukowców i inżynierów spoza Chin pracuje nad metalami ziem rzadkich i alternatywami dla magnesów. Wynalezienie zamienników i wprowadzenie ich do silników zajmie lata, najpierw na rozwinięcie wiedzy naukowej, a następnie na zbudowanie infrastruktury produkcyjnej. Stany Zjednoczone straciły doświadczenie, gdy zamknięto kopalnie, a produkcja magnesów przeniosła się do Azji, aby znaleźć się w pobliżu kopalni działających i tańszej siły roboczej, mówi George Hadjipanayis, przewodniczący fizyki i astronomii na Uniwersytecie Delaware. W rezultacie badacze lub firmy miały niewiele zachęt do pracy nad magnesami. Teraz, jak mówi, nie ma zbyt wielu funduszy i nie ma przemysłu.

Odbudowa: Sprzęt przetwórczy w kopalni Molycorp Minerals w Kalifornii, przedstawiony na zdjęciu w grudniu 2010 roku, jest obecnie przebudowywany. Pokazany sprzęt obejmuje maszyny używane do kruszenia i rozpuszczania skał z kopalni oraz wydobywania i suszenia tlenków metali ziem rzadkich.

Odrodzony

Metale ziem rzadkich, wbrew nazwie, są stosunkowo obfite w skorupie ziemskiej. 16 naturalnie występujących pierwiastków ziem rzadkich jest zwykle zmieszanych ze sobą w osadach, które często zawierają również pierwiastki radioaktywne – a oddzielenie metali wymaga kosztownych procesów, które wytwarzają gulasz toksycznych zanieczyszczeń. Wiemy, jakie jest [całkowite] stężenie pierwiastków ziem rzadkich we wszystkich obszarach złoża, mówi kierownik kopalni Molycorp, Rocky Smith, stojąc na jednym z poziomów wyrzeźbionych w głębokim na 800 stóp wykopie i wskazując na skałę naładowaną rudą; jest zabarwiony na fioletowo z bastnazytem, ​​minerałem zawierającym mieszankę pierwiastków ziem rzadkich. Ale wiedza o tym, gdzie znajdują się pierwiastki ziem rzadkich w całym miejscu i wydobywanie poszczególnych metali z rudy, to dwie różne rzeczy.

Pierwszym krokiem w ekstrakcji tlenków metali ziem rzadkich z otaczającej skały jest kruszenie skał i zmielenie ich na drobny proszek. To przechodzi przez szereg zbiorników, w których pierwiastki ziem rzadkich unoszą się na górę. Niepożądane minerały opadają na dno, a ten niebezpieczny materiał odpadowy, zwany odpadami, jest wysyłany do stawów w celu przechowywania. Tymczasem powstały koncentrat metali ziem rzadkich jest prażony w piecach, a następnie rozpuszczany w kwasie. Usuwa się frakcję powstałego błota, która zawiera pierwiastki ziem rzadkich w postaci mieszanych tlenków metali. Na koniec rozpuszczalnik jest neutralizowany.

Reakcja generuje dużo soli: kiedy kopalnia w przełęczy górskiej pracowała z pełną mocą w latach 90., produkowała aż 850 galonów słonych ścieków na minutę, każdego dnia w roku. Odpady te zawierały również radioaktywny tor i uran, które zbierały się w postaci kamienia wewnątrz rury, która dostarczała ścieki do stawów odparowujących 11 mil dalej. Kilka razy w latach 90. operacje czyszczenia mające na celu usunięcie nagromadzonego kamienia spowodowały pęknięcie rurociągu, wyrzucając na pustynię setki tysięcy galonów niebezpiecznych odpadów. Stan Kalifornia nakazał firmie Molycorp, która była wówczas jednostką koncernu naftowego Unocal, uprzątnięcie odpadów. W 2002 roku firmie, która już walczyła o zysk, zabrakło miejsca na składowanie odpadów i nie udało się uzyskać pozwolenia na budowę nowego składowiska. Kopalnia została zamknięta.

Rzadka ruda: Skały przemieszczone przez wybuchy na przełęczy górskiej zawierają bastnazyt z minerałów ziem rzadkich.

Chevron kupił Unocal w 2005 roku, przejmując wraz z nim Molycorp i kopalnię Mountain Pass. W 2008 roku grupa prywatnych inwestorów kupiła kopalnię i utworzyła firmę Molycorp Minerals, która opracowuje technologie przetwarzania, które, jak twierdzi, wyeliminują potrzebę budowy stawów i rurociągów odparowujących. W 2009 roku Molycorp rozpoczął przetwarzanie zgromadzonego bastnazytu w celu wydobycia mieszanego minerału ziem rzadkich didymium. Latem ubiegłego roku spółka weszła na giełdę, a jej akcje poszybowały w górę. Amerykański przemysł metali ziem rzadkich odrodził się na nowo.

Jednak wizyta w zakładzie przetwórczym Molycorp pokazuje, że wznowienie wydobycia na przełęczy górskiej nie rozwiąże wszystkich problemów z zaopatrzeniem. W małym magazynie, w którym tlenki metali ziem rzadkich są suszone i pakowane, dyrektor generalny Molycorp, Mark Smith, zanurza rękę w beczce, aby nabrać garść brązowego proszku. Jest miękki jak drobny popiół. Ten materiał to tlenek dydymu, mieszanina utlenionego neodymu i praesodymu, pierwiastki znajdujące się daleko na lewo w ich rzędzie w układzie okresowym pierwiastków. Złoże na przełęczy górskiej, podobnie jak inne złoża ziem rzadkich, z wyjątkiem kilku w południowych Chinach, jest najbogatsze w te lżejsze pierwiastki. Doskonale nadają się do polerowania szkła i akumulatorów samochodowych oraz do magnesów pracujących w niskich temperaturach. Jednak aby wytrzymać wysokie temperatury w silnikach i turbinach, magnesy wymagają dodatku dysprozu lub terbu, które są ciężkimi metalami ziem rzadkich.

Innym problemem jest to, że Molycorp dopiero zaczyna odbudowywać infrastrukturę niezbędną do przekształcenia rudy metali ziem rzadkich w magnesy. Kiedy działalność wydobywcza opuściła Stany Zjednoczone, cała ta infrastruktura podążyła za nią. Oczyszczanie pierwiastków ziem rzadkich odbywa się obecnie prawie wyłącznie w Chinach, chociaż Malezja buduje nowy obiekt. A przemysł magnesów jest obecnie w dużej mierze zlokalizowany w Chinach i Japonii. Japońska firma Hitachi Metals, posiadająca niezbędne patenty do wytwarzania stopów metali ziem rzadkich i magnesów, zawarła umowę z Molycorp na produkcję ich w Stanach Zjednoczonych. Molycorp dostarczy neodym, ale aby wyprodukować magnesy odporne na ciepło, firma może być zmuszona nabyć dodatkowe ciężkie pierwiastki ziem rzadkich z innego miejsca niż kopalnia w Mountain Pass – i trudno jest wiedzieć, gdzie to może być.

Szukam szczęścia

Chociaż oczyszczanie ziem rzadkich nie jest już wykonywane w Stanach Zjednoczonych, zostało wynalezione tutaj przez Franka Speddinga, założyciela Ames National Laboratory w Iowa. W 1949 roku, jeszcze zanim metale ziem rzadkich zostały użyte na skalę przemysłową, Spedding wynalazł pierwsze metody oddzielania ich od siebie; technika wyrosła z jego pracy nad oczyszczaniem uranu i toru dla Projektu Manhattan. Laboratorium Amesa jest nadal jedynym ośrodkiem badawczym w kraju, który kładzie duży nacisk na materiały.

Skały są kruszone i rozpuszczane, a błoto pośniegowe oddzielane w celu wytworzenia tlenku dydymu, mieszaniny utlenionych lekkich metali ziem rzadkich, która wymaga dalszej obróbki w celu uzyskania czystego metalu neodymowego potrzebnego do produkcji magnesów.

Badacz Amesa Iver Anderson nie ma problemu z wykazaniem, dlaczego materiały ziem rzadkich są tak cenne w magnesach. Wyciągając rękę nad biurko, dłonią do dołu, pokazuje, że pole wytwarzane przez maleńki kawałek złamanego magnesu neodymowego wyważonego na grzbiecie jego dłoni może sprawić, że kolejny magnes neodymowy wielkości pensa przyklei się do jego dłoni. Pary magnesów neodymowych znacznie większych niż ta może łamać kości. Anderson następnie podnosi znacznie mocniejszy magnes, wykonany z aluminium, niklu, żelaza i kobaltu. Ledwo trzyma się czubka zwisającego spinacza do papieru.

Choć te parametry są słabe, właściwości magnetyczne materiału są obiecujące, więc grupa Andersona próbuje je ulepszyć, majstrując przy jego strukturze, mieszaninie igieł żelazowo-kobaltowych w nanoskali oddzielonych osnową z niklu i aluminium. Opierając się na teoretycznych badaniach materiału, Anderson ma nadzieję zmienić warunki przetwarzania, aby wydłużyć igły i lepiej je wyrównać. Jak długo możemy robić igły? zastanawia się. A co, jeśli przyłożymy do próbki ogromne pole magnetyczne — czy zmieniłoby to ich odstępy, sprawiło, że rosły?

Główną zaletą magnesu jest to, że nie zawiera metali ziem rzadkich. Mimo to nawet naukowcy z Ames wydają się niepewni, czy taki materiał może kiedykolwiek zastąpić magnesy ziem rzadkich. Od czasu wprowadzenia magnesów neodymowych w 1983 r. nie opracowano nic, co mogłoby się z nimi równać. Ale, mówi Anderson, możesz mieć szczęście.

Obecnie Molycorp wysyła worki tlenku dydymu do klientów w Japonii i innych krajach w celu przetworzenia.

Naukowcy pracują również nad sposobami wydajniejszej produkcji magnesów ziem rzadkich. Obecnie materiały magnetyczne są podgrzewane i ściskane w celu utworzenia dużych, gęstych bloków, które należy następnie przyciąć do pożądanego kształtu. Proces ten pozostawia stosy utlenionych wiórów metalowych, zwanych opiłkami, które często są zanieczyszczone smarami do ostrzy tnących. Zanieczyszczonych opiłków nie można zintegrować z nowymi magnesami, ale znalezienie sposobu na ich wykorzystanie – lub sformułowanie materiałów magnesu w taki sposób, aby można je było formować, a nie ciąć – pozwoliłoby na dalsze rozciąganie cennych elementów. Ludzie patrzą na 55-galonowe beczki pełne tych miażdżących odpadów, które wyglądają jak szarobrązowe błoto, zastanawiając się, jak odzyskać pierwiastki ziem rzadkich z tych wszystkich opiłków, mówi Anderson.

Jeśli podaż pierwiastków ziem rzadkich spadnie w nadchodzących latach i nie zostaną znalezione żadne substytuty zbliżone do ich wydajności, producenci samochodów hybrydowych i elektrycznych prawdopodobnie spróbują opracować nowe projekty silników, które opierają się na indukowanym, a nie stałym magnetyzmie, mówi Eric Rask. , naukowiec w Argonne National Laboratory. Przed dołączeniem do Argonne dwa lata temu, Rask pracował nad systemem napędowym dla elektrycznego Volta General Motors, który wykorzystuje magnes trwały ziem rzadkich. Ale, jak mówi, powodem stosowania silników z magnesami trwałymi jest to, że ich wydajność jest prawie zawsze wyższa w zakresie, w którym jest często używany – zazwyczaj można uzyskać większy moment obrotowy dla danego źródła prądu.

Niewielu ekspertów wyraża optymizm, że wystarczy materiałów ziem rzadkich, aby utrzymać znaczny wzrost technologii czystej energii, takich jak samochody elektryczne i energia wiatrowa, które potrzebują wszelkich możliwych korzyści pod względem kosztów i wydajności, aby konkurować. Pismo jest już na ścianie, mówi Patrick Taylor, dyrektor Kroll Institute for Extractive Metallurgy w Colorado School of Mines. Chcesz rozwijać tę wielką nową gospodarkę energetyczną, ale jest ograniczona podaż i stale rosnący popyt. Zapytany, w jaki sposób Chiny zyskały przewagę nad resztą świata, Taylor wskazuje, że większość niezbędnej wiedzy i przemysłu zaczęła przenosić się do tego kraju prawie dwie dekady temu. Dodaje, że wtedy nikt nawet nie zwracał na to uwagi.

Katherine Bourzac jest Przegląd technologii redaktor ds. materiałoznawstwa.

ukryć