Krize vzácných zemin

Na východním okraji Mohavské pouště, hodinu jízdy jihozápadně od Las Vegas v Mountain Pass v Kalifornii, leží 1,4 miliardy let staré naleziště ceru, neodymu a dalších kovů, které jsou nejbohatším zdrojem prvků vzácných zemin. ve Spojených státech. Vedle kopců obydlených kaktusy, stromy Joshua a putujícími želvami se rozkládá rozlehlá skládka hnědohnědých a bílých kamenů, která zde byla vybudována za více než 50 let těžby v 50akrovém povrchovém dole. Důl byl kdysi největším světovým producentem těchto kovů, které jsou klíčové pro tak rozmanité produkty, jako jsou počítačové pevné disky, kompaktní fluorescenční žárovky a magnety používané v motorech elektrických vozidel. A místo jich stále drží dost k těžbě na dalších minimálně 30 let. Ale v roce 2002 byla uzavřena kvůli vážným ekologickým problémům a příchodu čínských výrobců, kteří dodávali kovy za nižší cenu. Důl ležel ladem deset let.

Mocný důl: Tento 50akrový důl na východním okraji kalifornské pouště Mojave byl kdysi předním světovým dodavatelem kovů vzácných zemin. Voda se hromadila na dně dolu, když ležel ladem poté, co byl před deseti lety odstaven.

Vzhledem k tomu, že celosvětová poptávka po materiálech exploduje, vlastník lokality, Molycorp Minerals, loni v prosinci znovu zahájil těžbu v Mountain Pass. Nyní je jediným producentem kovů vzácných zemin na západní polokouli a jedním z mála mimo Čínu, která v současnosti produkuje 95 procent světové nabídky. Loni v září, poté, co Čína na dva měsíce přestala vyvážet materiály do Japonska, se země po celém světě začaly snažit zajistit si vlastní zdroje. Ale i bez čínských omezení a s oživením kalifornského dolu by celosvětové dodávky některých vzácných zemin mohly brzy zaostávat za poptávkou. Zvláště znepokojivé jsou neodym a dysprosium, které se používají k výrobě magnetů, které pomáhají generovat točivý moment v motorech elektrických a hybridních automobilů a přeměňovat točivý moment na elektřinu ve velkých větrných turbínách. Ve zprávě zveřejněné loni v prosinci americké ministerstvo energetiky odhadlo, že rozsáhlé používání vozidel s elektrickým pohonem a pobřežních větrných farem by mohlo do roku 2015 způsobit nedostatek těchto kovů.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z května 2011

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Co by se stalo pak, si může každý domyslet. Neexistují žádné praktické alternativy k těmto kovům v mnoha kritických aplikacích vyžadujících silné permanentní magnety – materiály, které udrží magnetické pole bez potřeby zdroje energie pro indukci magnetismu průchodem elektrického proudu skrz ně. Většina každodenních magnetů, včetně těch, které drží poznámky na lednici, jsou permanentní magnety. Ale nejsou příliš silné, zatímco ty vyrobené ze vzácných zemin jsou ohromně silné. Slitiny neodymu se železem a borem jsou hmotnostně čtyřikrát až pětkrát silnější než permanentní magnety vyrobené z jakéhokoli jiného materiálu. To je jeden z důvodů, proč se magnety vzácných zemin nacházejí téměř v každém hybridním a elektrickém autě na silnici. Například motor Toyoty Prius používá asi kilogram vzácných zemin. Pobřežní větrné turbíny mohou vyžadovat stovky kilogramů na každou.

Nová těžební činnost, nejen v Mountain Pass, ale také v Austrálii a jinde, zvýší zásoby – ale ne natolik, aby pokryla poptávku po určitých kritických kovech, zejména dysprosiu, v příštích několika letech. A omezená kapacita nových těžebních provozů není jediným problémem. Vzhledem k tomu, že vzácné zeminy vytvářejí tak vynikající magnety, výzkumníci od počátku 80. let minulého století věnovali jen malé úsilí jejich vylepšení nebo vývoji jiných materiálů, které by tuto práci zvládly. Jen málo vědců a inženýrů mimo Čínu pracuje na kovech vzácných zemin a alternativách magnetů. Vynalézt náhražky a dostat je do motorů bude trvat roky, nejprve se rozvine vědecká odbornost a poté se vybuduje výrobní infrastruktura. Spojené státy ztratily odbornost, když se jejich doly uzavřely a výroba magnetů se přemístila do Asie, aby byly v blízkosti provozních dolů a levnější pracovní síly, říká George Hadjipanayis, předseda fyziky a astronomie na University of Delaware. V důsledku toho bylo pro výzkumníky nebo společnosti jen málo podnětů k práci na magnetech. Nyní říká, že kolem není mnoho finančních prostředků a žádný průmysl.

Přestavba: Zpracovatelské zařízení v dole Molycorp Minerals v Kalifornii, na obrázku zde v prosinci 2010, je v současné době přestavěno. Zobrazené zařízení zahrnuje stroje používané k drcení a rozpouštění hornin z dolu a extrakci a sušení oxidů vzácných zemin.

Znovuzrozený

Kovy vzácných zemin, navzdory svému názvu, jsou v zemské kůře relativně hojné. 16 přirozeně se vyskytujících vzácných zemin se obvykle nachází smíchané v ložiscích, které často obsahují také radioaktivní prvky – a separace kovů vyžaduje nákladné procesy, které produkují maso toxických znečišťujících látek. Víme, jaká je [celková] koncentrace vzácných zemin ve všech oblastech ložiska, říká manažer dolu Molycorp Rocky Smith, stojící na jedné z pater vytesaných do 800 stop hluboké jámy a ukazující na skálu nabitou rudou; má fialový nádech s bastnäsite, minerálem, který obsahuje směs vzácných zemin. Ale vědět, kde jsou vzácné zeminy v celém areálu a dostat jednotlivé kovy z rudy, jsou dvě různé věci.

Prvním krokem při získávání oxidů vzácných zemin z okolní horniny je rozdrcení hornin a jejich rozemletí na jemný prášek. Ta prochází řadou nádrží, kde prvky vzácných zemin vyplavou na vrchol. Nežádoucí minerály klesají na dno a tento nebezpečný odpad, nazývaný hlušina, se posílá do rybníků ke skladování. Mezitím se výsledný koncentrát kovů vzácných zemin praží v pecích a poté se rozpustí v kyselině. Frakce výsledné kaše, která obsahuje vzácné zeminy, ve formě směsných oxidů kovů, se odstraní. Nakonec se rozpouštědlo neutralizuje.

Reakce generuje velké množství soli: když důl Mountain Pass běžel v 90. letech na plný výkon, produkoval každou minutu a každý den v roce až 850 galonů slané odpadní vody. Tento odpad také obsahoval radioaktivní thorium a uran, které se shromažďovaly jako vodní kámen uvnitř potrubí, které odvádělo odpadní vodu do odpařovacích nádrží 11 mil daleko. Několikrát v 90. letech 20. století způsobily čisticí operace určené k odstranění nahromaděného vodního kamene prasknutí potrubí a vysypání stovek tisíc galonů nebezpečného odpadu do pouště. Stát Kalifornie nařídil společnosti Molycorp, která byla tehdy jednotkou ropné společnosti Unocal, aby odpad uklidila. V roce 2002 společnost, která se již potýkala se ziskem, došla prostor pro skladování hlušiny a nezískala povolení k výstavbě nového skladu. Důl se zavřel.

Vzácná ruda: Skály uvolněné výbuchy v Mountain Pass obsahují minerál vzácných zemin bastnäsite.

Chevron koupil Unocal v roce 2005 a spolu s ním získal Molycorp a důl Mountain Pass. V roce 2008 koupila důl skupina soukromých investorů a vytvořila společnost Molycorp Minerals, která vyvíjí zpracovatelské technologie, které podle ní eliminují potřebu odpařovacích nádrží a potrubí. V roce 2009 začala společnost Molycorp zpracovávat nahromaděný bastnäsite k extrakci smíšeného minerálu vzácných zemin didymium. Loni v létě společnost vstoupila na burzu a cena jejích akcií vzrostla. Americký průmysl vzácných zemin byl znovuzrozen.

Návštěva zpracovatelského zařízení Molycorp však ukazuje, že obnovení těžby v Mountain Pass nevyřeší všechny problémy se zásobováním. Uvnitř malého skladiště, kde se suší a balí oxidy vzácných zemin, ponoří generální ředitel Molycorpu Mark Smith ruku do sudu, aby nabral hrst tříslově zbarveného prášku. Je měkký, jako jemný popel. Tímto materiálem je oxid didymia, směs oxidovaného neodymu a praesodymu, prvků zcela vlevo v jejich řadě v periodické tabulce. Ložisko v Mountain Pass, stejně jako jiná naleziště vzácných zemin s výjimkou několika v jižní Číně, je nejbohatší na tyto lehčí prvky. Jsou vhodné pro leštění skla a autobaterií a pro magnety, které pracují při nízkých teplotách. Aby však magnety odolávaly vysokým teplotám v motorech a turbínách, vyžadují přidání dysprosia nebo terbia, což jsou těžké vzácné zeminy.

Dalším problémem je, že Molycorp právě začíná přestavovat infrastrukturu potřebnou k přeměně rudy vzácných zemin na magnety. Když těžařské operace opustily Spojené státy, následovala veškerá infrastruktura. Čištění vzácných zemin se nyní provádí téměř výhradně v Číně, ačkoli Malajsie staví nové zařízení. A průmysl magnetů nyní sídlí převážně v Číně a Japonsku. Japonská společnost Hitachi Metals, která vlastní potřebné patenty na výrobu slitin vzácných zemin a magnetů, uzavřela dohodu s Molycorp o jejich výrobě ve Spojených státech. Molycorp dodá neodym, ale k výrobě tepelně odolných magnetů bude možná muset společnost získat další těžké vzácné zeminy odjinud, než je důl v Mountain Pass – a je těžké vědět, kde by to mohlo být.

Hledá se štěstí

Ačkoli se čištění vzácných zemin již ve Spojených státech neprovádí, vynalezl jej zde Frank Spedding, zakladatel Ames National Laboratory v Iowě. V roce 1949, ještě předtím, než byly vzácné zeminy průmyslově využívány, Spedding vynalezl první metody, jak je oddělit od sebe; tato technika vyrostla z jeho práce na čištění uranu a thoria pro projekt Manhattan. Amesova laboratoř je stále jediným výzkumným centrem v zemi s výrazným důrazem na materiály.

Horniny se rozdrtí a rozpustí a rozbředlý sníh se oddělí za vzniku oxidu didymu, směsi oxidovaných lehkých vzácných zemin, která vyžaduje další zpracování, aby se získal čistý neodymový kov potřebný pro magnety.

Výzkumník z Ames Iver Anderson nemá problém prokázat, proč jsou materiály vzácných zemin tak cenné v magnetech. Natáhl ruku nad stůl dlaní dolů a ukázal, že pole vytvořené maličkým kouskem zlomeného neodymového magnetu vyváženého na hřbet jeho ruky může způsobit, že se mu na dlaň přilepí další neodymový magnet o velikosti penny. Páry neodymových magnetů mnohem větších, než je tento, mohou lámat kosti. Anderson poté zvedne podstatně mohutnější magnet vyrobený z hliníku, niklu, železa a kobaltu. Sotva drží na špičce visící kancelářské sponky.

Ačkoli je tento výkon slabý, magnetické vlastnosti materiálu jsou slibné, takže Andersonova skupina se je snaží vylepšit tím, že si pohraje s jeho strukturou, směsí nanočástic železo-kobaltových jehel oddělených matricí niklu a hliníku. Na základě teoretických studií materiálu Anderson doufá, že změní podmínky zpracování tak, aby byly jehly delší a lépe je zarovnaly. Jak dlouho můžeme jehly vyrábět? diví se. Co kdybychom na vzorek umístili obrovské magnetické pole – změnilo by to jejich vzdálenost a prodloužilo by je?

Hlavní přitažlivost magnetu je, že neobsahuje žádné kovy vzácných zemin. Přesto se zdá, že i Amesoví výzkumníci si nejsou jisti, zda by materiál jako tento mohl někdy nahradit magnety vzácných zemin. Od zavedení neodymových magnetů v roce 1983 nebylo vyvinuto nic, co by se jim blížilo. Ale, říká Anderson, můžete mít štěstí.

Dnes Molycorp zasílá pytle s oxidem didymiem zákazníkům v Japonsku i jinde ke zpracování.

Vědci také pracují na způsobech, jak efektivněji vyrábět magnety vzácných zemin. V současné době se magnetické materiály zahřívají a stlačují, aby vytvořily velké, husté bloky, které se pak musí řezat do požadovaného tvaru. Tento proces zanechává hromady oxidovaných kovových třísek nazývaných třísky, které jsou často kontaminovány mazivy pro řezné čepele. Nečisté třísky nelze integrovat do nových magnetů, ale nalezení způsobu, jak je použít – nebo formulování materiálů magnetů takovým způsobem, aby je bylo možné tvarovat spíše než řezat – by cenné prvky dále prodloužilo. Lidé se dívají na 55galonové bubny plné tohoto odpadu z mletí, který vypadá jako šedohnědé bahno, a přemýšlí, jak získat zpět vzácné zeminy ze všech těch třísek, říká Anderson.

Pokud nabídka vzácných zemin v nadcházejících letech nedosáhne poptávky a nenajdou se žádné náhražky, které by se blížily jejich výkonu, výrobci hybridních a elektrických automobilů se pravděpodobně pokusí vyvinout nové konstrukce motorů, které se budou spoléhat na indukovaný spíše než na permanentní magnetismus, říká Eric Rask. , výzkumník v Argonne National Laboratory. Před nástupem do Argonne před dvěma lety Rask pracoval na systému pohonu pro elektrický Volt společnosti General Motors, který používá permanentní magnet ze vzácných zemin. Ale říká, že důvodem, proč se používají motory s permanentními magnety, je to, že jejich účinnost je téměř vždy vyšší v rozsahu, kde je často používáte – obvykle můžete získat větší točivý moment pro danou dodávku proudu.

Jen málo odborníků vyjadřuje optimismus, že bude dostatek materiálů vzácných zemin k udržení významného růstu technologií čisté energie, jako jsou elektrická auta a větrná energie, které potřebují všechny možné výhody v oblasti nákladů a účinnosti, aby mohly konkurovat. Nápis je již na zdi, říká Patrick Taylor, ředitel Krollova institutu pro těžební metalurgii na Coloradské škole hornictví. Chcete rozvinout tuto velkou novou energetickou ekonomiku, ale je zde omezená nabídka a neustále rostoucí poptávka. Na otázku, jak Čína získala náskok před zbytkem světa, Taylor poukazuje na to, že většina nezbytných odborných znalostí a průmyslu se do této země začala přesouvat před téměř dvěma desetiletími. Tehdy, dodává, nikdo ani nevěnoval pozornost.

Katherine Bourzac je Recenze technologie editor materiálových věd.

skrýt