La crisi delle terre rare

Sul bordo orientale del deserto del Mojave, a un'ora di macchina a sud-ovest di Las Vegas a Mountain Pass, in California, si trova un deposito di cerio, neodimio e altri metalli di 1,4 miliardi di anni che è la fonte più ricca di elementi delle terre rare negli Stati Uniti. Accanto a colline popolate da cactus, alberi di Giosuè e tartarughe erranti c'è una vasta discarica di rocce bianche e abbronzate che è stata costruita in oltre 50 anni di produzione in una miniera a cielo aperto di 50 acri qui. La miniera era un tempo il più grande produttore mondiale di questi metalli, che sono fondamentali per prodotti così diversi come i dischi rigidi dei computer, le lampadine fluorescenti compatte e i magneti utilizzati nei motori dei veicoli elettrici. E il sito ne contiene ancora abbastanza da estrarre per almeno altri 30 anni. Ma nel 2002 è stato chiuso, a causa di gravi problemi ambientali e dell'emergere di produttori cinesi che fornivano i metalli a costi inferiori. La miniera rimase inattiva per un decennio.

Possente mio: Questa miniera di 50 acri all'estremità orientale del deserto del Mojave in California era un tempo il principale fornitore mondiale di metalli delle terre rare. L'acqua si è accumulata sul fondo della miniera mentre era inattiva dopo essere stata chiusa dieci anni fa.

Con l'esplosione della domanda mondiale per i materiali, il proprietario del sito, Molycorp Minerals, ha riavviato l'estrazione mineraria a Mountain Pass lo scorso dicembre. Ora è l'unico produttore di metalli delle terre rare dell'emisfero occidentale e uno dei pochi al di fuori della Cina, che attualmente produce il 95% della fornitura mondiale. Lo scorso settembre, dopo che la Cina ha smesso di esportare i materiali in Giappone per due mesi, i paesi di tutto il mondo hanno iniziato a rimescolarsi per assicurarsi le proprie fonti. Ma anche senza le restrizioni cinesi e con la rinascita della miniera californiana, le forniture mondiali di alcune terre rare potrebbero presto non soddisfare la domanda. Di particolare interesse sono il neodimio e il disprosio, che vengono utilizzati per realizzare magneti che aiutano a generare coppia nei motori delle auto elettriche e ibride e a convertire la coppia in elettricità nelle grandi turbine eoliche. In un rapporto pubblicato lo scorso dicembre, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha stimato che l'uso diffuso di veicoli a propulsione elettrica e parchi eolici offshore potrebbe causare una carenza di questi metalli entro il 2015.

Questa storia faceva parte del nostro numero di maggio 2011

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Quello che accadrebbe allora è indovinato da chiunque. Non ci sono alternative pratiche a questi metalli in molte applicazioni critiche che richiedono potenti magneti permanenti, materiali che mantengono un campo magnetico senza la necessità di una fonte di alimentazione per indurre il magnetismo facendo passare una corrente elettrica attraverso di essi. La maggior parte dei magneti di tutti i giorni, compresi quelli che tengono appunti sul frigorifero, sono magneti permanenti. Ma non sono molto forti, mentre quelli realizzati con terre rare lo sono tremendamente. Le leghe di neodimio con ferro e boro sono da quattro a cinque volte più resistenti in peso dei magneti permanenti realizzati con qualsiasi altro materiale. Questo è uno dei motivi per cui i magneti delle terre rare si trovano in quasi tutte le auto ibride ed elettriche in circolazione. Il motore della Prius di Toyota, ad esempio, utilizza circa un chilogrammo di terre rare. Le turbine eoliche offshore possono richiedere centinaia di chilogrammi ciascuna.

La nuova attività mineraria, non solo a Mountain Pass, ma anche in Australia e altrove, aumenterà le forniture, ma non abbastanza per soddisfare la domanda di alcuni metalli critici, in particolare il disprosio, nei prossimi anni. E la capacità limitata delle nuove operazioni minerarie non è l'unico problema. Poiché le terre rare producono magneti così eccellenti, i ricercatori hanno compiuto pochi sforzi dall'inizio degli anni '80 per migliorarle o sviluppare altri materiali che potrebbero fare il lavoro. Pochi scienziati e ingegneri al di fuori della Cina lavorano su metalli delle terre rare e alternative ai magneti. Per inventare sostituti e inserirli nei motori ci vorranno anni, prima per sviluppare le competenze scientifiche e poi per costruire un'infrastruttura di produzione. Gli Stati Uniti hanno perso esperienza quando le sue miniere sono state chiuse e la produzione di magneti si è trasferita in Asia per essere vicino a miniere operative e manodopera meno costosa, afferma George Hadjipanayis, professore di fisica e astronomia presso l'Università del Delaware. Di conseguenza, c'erano pochi incentivi per ricercatori o aziende a lavorare sui magneti. Ora, dice, non ci sono molti finanziamenti e nessuna industria in giro.

Ricostruzione: L'attrezzatura di lavorazione presso la miniera di Molycorp Minerals in California, qui raffigurata nel dicembre 2010, è attualmente in fase di ricostruzione. L'attrezzatura mostrata include macchinari utilizzati per frantumare e dissolvere le rocce dalla miniera ed estrarre ed essiccare gli ossidi delle terre rare.

Rinato

I metalli delle terre rare, nonostante il nome, sono relativamente abbondanti nella crosta terrestre. Le 16 terre rare presenti in natura si trovano solitamente mescolate insieme in depositi che spesso contengono anche elementi radioattivi e la separazione dei metalli richiede processi costosi che producono una miscela di inquinanti tossici. Sappiamo qual è la concentrazione [totale] di terre rare in tutte le aree del giacimento, afferma il manager della miniera di Molycorp Rocky Smith, in piedi su uno dei livelli scavati nella fossa profonda 800 piedi e indicando una roccia carica di minerali; è tinto di malva con bastnäsite, un minerale che contiene una miscela di terre rare. Ma sapere dove si trovano le terre rare in tutto il sito e estrarre i singoli metalli dal minerale sono due cose diverse.

Il primo passo per estrarre gli ossidi di terre rare dalla roccia circostante è schiacciare le rocce e macinarle in una polvere fine. Questo viene fatto passare attraverso una serie di serbatoi, dove gli elementi delle terre rare galleggiano verso l'alto. I minerali indesiderati scendono sul fondo e questo materiale di scarto pericoloso, chiamato sterili, viene inviato agli stagni per lo stoccaggio. Nel frattempo, il concentrato risultante di metalli delle terre rare viene arrostito in forni e quindi sciolto in acido. La frazione della fanghiglia risultante che contiene terre rare, sotto forma di ossidi metallici misti, viene rimossa. Infine, il solvente viene neutralizzato.

La reazione genera molto sale: quando la miniera di Mountain Pass funzionava a pieno regime negli anni '90, produceva fino a 850 galloni di acque reflue salate ogni minuto, ogni giorno dell'anno. Questi rifiuti contenevano anche torio radioattivo e uranio, che si accumulavano come incrostazioni all'interno del tubo che portava le acque reflue agli stagni di evaporazione a 11 miglia di distanza. Diverse volte negli anni '90, le operazioni di pulizia volte a rimuovere le incrostazioni hanno causato lo scoppio del gasdotto, versando centinaia di migliaia di litri di rifiuti pericolosi nel deserto. Lo stato della California ordinò alla Molycorp, che allora era un'unità della compagnia petrolifera Unocal, di ripulire i rifiuti. Nel 2002, l'azienda, che già lottava per realizzare un profitto, ha esaurito lo spazio per immagazzinare i suoi sterili e non è riuscita a ottenere un permesso per costruire un nuovo impianto di stoccaggio. La miniera ha chiuso.

Minerale raro: Le rocce staccate dalle esplosioni al Mountain Pass contengono il minerale di terra rara bastnäsite.

Chevron ha acquistato Unocal nel 2005, acquisendo Molycorp e la miniera di Mountain Pass insieme ad essa. Nel 2008, un gruppo di investitori privati ​​ha acquistato la miniera e ha formato la Molycorp Minerals, che ha sviluppato tecnologie di lavorazione che, a suo dire, elimineranno la necessità di bacini di evaporazione e condutture. Nel 2009, Molycorp ha iniziato a elaborare il bastnäsite accumulato per estrarre il didimio, un minerale misto di terre rare. La scorsa estate la società è stata quotata in borsa e il prezzo delle sue azioni è aumentato vertiginosamente. L'industria statunitense delle terre rare è rinata.

Ma una visita all'impianto di lavorazione di Molycorp mostra che la ripresa dell'attività mineraria a Mountain Pass non risolverà tutti i problemi di approvvigionamento. All'interno di un piccolo magazzino in cui gli ossidi delle terre rare vengono essiccati e confezionati, il CEO di Molycorp Mark Smith immerge la mano in un barile per raccogliere una manciata di polvere color marrone chiaro. È morbido, come cenere fine. Questo materiale è ossido di didimio, una miscela di neodimio ossidato e praesodimio, elementi all'estrema sinistra della loro fila nella tavola periodica. Il deposito di Mountain Pass, come altri depositi di terre rare tranne alcuni nella Cina meridionale, è il più ricco di questi elementi più leggeri. Vanno bene per lucidare vetri e batterie per auto e per magneti che funzionano a basse temperature. Ma per resistere alle alte temperature nei motori e nelle turbine, i magneti richiedono l'aggiunta di disprosio o terbio, che sono terre rare pesanti.

Un altro problema è che Molycorp sta appena iniziando a ricostruire l'infrastruttura necessaria per trasformare le terre rare in magneti. Quando le operazioni minerarie hanno lasciato gli Stati Uniti, tutte quelle infrastrutture sono seguite. La purificazione delle terre rare viene ora eseguita quasi esclusivamente in Cina, sebbene la Malesia stia costruendo una nuova struttura. E l'industria dei magneti ora ha sede principalmente in Cina e Giappone. L'azienda giapponese Hitachi Metals, che detiene i brevetti necessari per realizzare leghe di terre rare e magneti, ha stretto un accordo con Molycorp per realizzarli negli Stati Uniti. Molycorp fornirà il neodimio, ma per realizzare magneti resistenti al calore, la società potrebbe dover acquisire ulteriori terre rare pesanti da un luogo diverso dalla sua miniera di Mountain Pass, ed è difficile sapere dove potrebbe essere.

In cerca di fortuna

Sebbene la purificazione delle terre rare non sia più praticata negli Stati Uniti, è stata inventata qui da Frank Spedding, il fondatore dell'Ames National Laboratory in Iowa. Nel 1949, ancor prima che le terre rare venissero utilizzate industrialmente, Spedding inventò i primi metodi per separarle l'una dall'altra; la tecnica è nata dal suo lavoro sulla purificazione dell'uranio e del torio per il Progetto Manhattan. Il laboratorio di Ames è ancora l'unico centro di ricerca nel paese con un'enfasi significativa sui materiali.

Le rocce vengono frantumate e disciolte e la fanghiglia viene separata per produrre ossido di didimio, una miscela di terre rare leggere ossidate che richiede un'ulteriore elaborazione per produrre il metallo di neodimio puro necessario per i magneti.

Il ricercatore di Ames Iver Anderson non ha problemi a dimostrare perché i materiali delle terre rare sono così preziosi nei magneti. Allungando la mano sulla scrivania, con il palmo rivolto verso il basso, mostra che il campo prodotto da un minuscolo pezzo di un magnete al neodimio rotto in equilibrio sul dorso della sua mano può far aderire al palmo un altro magnete al neodimio, delle dimensioni di un centesimo. Coppie di magneti al neodimio molto più grandi di queste possono rompere le ossa. Anderson poi prende un magnete considerevolmente più pesante, fatto di alluminio, nichel, ferro e cobalto. Tiene a malapena la punta di una graffetta penzolante.

Per quanto deboli siano queste prestazioni, le proprietà magnetiche del materiale mostrano qualche promessa, quindi il gruppo di Anderson sta cercando di migliorarle armeggiando con la sua struttura, una miscela di aghi di ferro-cobalto su scala nanometrica separati da una matrice di nichel e alluminio. Partendo da studi teorici sul materiale, Anderson spera di modificare le condizioni di lavorazione in modo da allungare gli aghi e allinearli meglio. Quanto tempo possiamo fare gli aghi? Lui si chiede. E se mettessimo un enorme campo magnetico sul campione: ne cambierebbe la distanza, li farebbe crescere più a lungo?

L'attrattiva principale del magnete è che non contiene metalli delle terre rare. Tuttavia, anche i ricercatori di Ames sembrano incerti sul fatto che un materiale come questo possa mai prendere il posto dei magneti delle terre rare. Da quando i magneti al neodimio sono stati introdotti nel 1983, non è stato sviluppato nulla che si avvicini a loro. Ma, dice Anderson, puoi essere fortunato.

Oggi, Molycorp spedisce sacchi di ossido di didimio a clienti in Giappone e altrove per la lavorazione.

I ricercatori stanno anche lavorando a modi per produrre magneti di terre rare in modo più efficiente. Attualmente, i materiali magnetici vengono riscaldati e compressi per formare blocchi grandi e densi che devono poi essere tagliati nella forma desiderata. Questo processo lascia mucchi di trucioli di metallo ossidato chiamati trucioli, che sono spesso contaminati con lubrificanti per le lame di taglio. Il truciolo impuro non può essere integrato in nuovi magneti, ma trovare un modo per usarlo, o formulare i materiali magnetici in modo tale che possano essere modellati anziché tagliati, allungherebbe ulteriormente gli elementi preziosi. Le persone stanno guardando fusti da 55 galloni pieni di questi rifiuti di macinazione, che sembrano fango grigio-marrone, chiedendosi come recuperare le terre rare da tutto quel truciolo, dice Anderson.

Se l'offerta di terre rare non sarà all'altezza della domanda nei prossimi anni e non verranno trovati sostituti che si avvicinino alle loro prestazioni, i produttori di auto ibride ed elettriche cercheranno probabilmente di sviluppare nuovi progetti di motori che si basano sul magnetismo indotto anziché permanente, afferma Eric Rask. , ricercatore presso l'Argonne National Laboratory. Prima di entrare in Argonne due anni fa, Rask ha lavorato al sistema di trasmissione per il Volt elettrico di General Motors, che utilizza un magnete permanente di terre rare. Ma, dice, il motivo per cui vengono utilizzati i motori a magneti permanenti è che la loro efficienza è quasi sempre maggiore nell'intervallo in cui li si utilizza molto, in genere è possibile ottenere più coppia per una determinata fornitura di corrente.

Pochi esperti esprimono ottimismo sul fatto che ci saranno abbastanza materiali delle terre rare per sostenere una crescita significativa delle tecnologie di energia pulita come le auto elettriche e l'energia eolica, che hanno bisogno di ogni possibile vantaggio in termini di costi ed efficienza per competere. La scritta è già sul muro, afferma Patrick Taylor, direttore del Kroll Institute for Extractive Metallurgy presso la Colorado School of Mines. Vuoi sviluppare questa nuova grande economia energetica, ma c'è un'offerta limitata e una domanda in costante aumento. Alla domanda su come la Cina abbia guadagnato il suo vantaggio sul resto del mondo, Taylor sottolinea che la maggior parte delle competenze e dell'industria necessarie hanno iniziato a trasferirsi in quel paese quasi due decenni fa. All'epoca, aggiunge, nessuno ci prestava nemmeno attenzione.

Katherine Bourzac è Revisione della tecnologia editore di scienza dei materiali.

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