Χρόνης Διαμαντόπουλος Είναι πολύ πιθανό να έχετε ακούσει πρόσφατα για σπάνιες γαίες και να αναρωτηθήκατε τι ακριβώς είναι και γιατί προκαλούν το ενδιαφέρον αρθογράφων.
Καρακασίδης Θεόδωρος*
Οι σπάνιες γαίες αποτελούν μια ομάδα χημικών στοιχείων που παρουσιάζουν ιδιαίτερες ιδιότητες και χρησιμοποιούνται σε πλήθος τεχνολογικών εφαρμογών με σημαντικές οικονομικές αλλά και γεωπολιτικές συνέπειες. Τα σημαντικότερα μέταλλα σπάνιων γαιών με βάση το απόθεμα τους και τις εφαρμογές τους είναι το νεοδύμιο, το πρασεοδύμιο, το δυσπρόσιο, το ύττριο και το γαδολίνιο. Ο όρος σπάνιες οφείλεται στο μικρό απόθεμα ορισμένων από αυτές και στην πολυπλοκότητα επεξεργασίας και διαχωρισμού από ορυκτά, καθώς οι σπάνιες γαίες δεν βρίσκονται στην φύση σε στοιχειακή κατάσταση και με εξαίρεση το σκάνδιο δεν υπάρχουν στα ορυκτά ως μεμονωμένες ουσίες.
Οι πράσινες τεχνολογίες απαιτούν μεγάλες ποσότητες σπάνιων γαιών και ιδιαίτερα νεοδυμίου, δυσπρόσιου, πρασεοδύμιου και σαμάριου καθώς χρησιμοποιούνται στους μόνιμους μαγνήτες. Οι μόνιμοι μαγνήτες χρησιμοποιούνται σε ανεμογεννήτριες, κινητήρες υβριδικών και ηλεκτρικών αυτοκινήτων και στην αμυντική. Οι σπάνιες γαίες χρησιμοποιούνται αυτούσιες ή αντικαθιστούν κάποια μέταλλα προκειμένου να μειωθεί ο όγκος και το βάρος συσκευών, προσδίδοντας μέσω των ιδιοτήτων τους μεγαλύτερη ταχύτητα και απόδοση, συμβάλλοντας έτσι σημαντικά στην ανάπτυξη νέων προϊόντων από τις βιομηχανίες. Χαρακτηριστικά σε ηλεκτρικούς κινητήρες έχουν περίπου το ένα τρίτο του βάρους και μεγέθους αντίστοιχου ηλεκτρομαγνήτη και παρέχουν μεγαλύτερη ροπή. Μια άλλη σημαντική χρήση που σχετίζεται και με τα παραπάνω περιλαμβάνουν τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες με εφαρμογή σε ηλεκτρικά οχήματα, κινητές συσκευές (τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές κλπ.) με κυρίους εκπροσώπους το λανθάνιο και δημήτριο.
Ιδιαίτερα σημαντική είναι η χρήση τους ως φωσφόροι σε οθόνες υπολογιστών, κινητών τηλεφώνων και συστημάτων φωτισμού, προϊόντων με τεράστια ζήτηση με αποτέλεσμα να χρειάζονται μεγάλες ποσότητες ευρωπίου και τέρβιου. Άλλες σπάνιες γαίες, όπως το έρβιο, χρησιμοποιούνται σε δίκτυα οπτικών ινών προκειμένου να επιτευχθεί υψηλή ταχύτητα μετάδοσης της πληροφορίας. Υλικά όπως το θούλιο, τέρβιο και υττέρβιο βρίσκουν εφαρμογές σε φωτοβολταϊκά πανέλλα. Χρησιμοποιούνται επίσης σε καταλύτες πυρόλυσης ρευστών, καταλυτικούς μετατροπείς στις βιομηχανίες πετρελαίου και αυτοκινήτων καθώς και στην αμυντική βιομηχανία, όπως οπλικά συστήματα με καθοδήγηση ακριβείας, λέιζερ στόχευσης, συστήματα επικοινωνιών, κινητήρες αεροσκαφών, συστήματα ραντάρ, οπτικός εξοπλισμός κλπ. Σύμφωνα με την Αμερικανική Υπηρεσία Γεωλογικών Ερευνών (USGS) το δυσπρόσιο, το νεοδύμιο, το ευρώπιο, το τέρβιο και το ύττριο αποτελούν τα κρισιμότερα μέταλλα σπάνιων γαιών που χρησιμοποιούνται σε τεχνολογικές εφαρμογές και δεν μπορούν να υποκατασταθούν.
Είναι ενδιαφέρουσα η γεωγραφική και ιστορική εξέλιξη της παραγωγής σε συνδυασμό με τις τεχνολογικές εξελίξεις. Η παραγωγή σπάνιων γαιών ξεκίνησε στα μέσα του 20ου αιώνα με κύριους παραγωγούς την Βραζιλία, την Ινδία και την Νότια Αφρική. Μέχρι το 1965 η ζήτηση ήταν ιδιαίτερα μικρή καθώς δεν υπήρχαν τεχνολογίες που να βρίσκουν εφαρμογές παρά μόνο σε κράματα μετάλλων. Η αύξηση της ζήτησης ξεκίνησε με την παραγωγή έγχρωμων τηλεοράσεων το 1965, καθώς το ευρώπιο αποτελούσε βασικό υλικό για τις έγχρωμες οθόνες και έτσι οι σπάνιες γαίες έγιναν απαραίτητες για την αγορά. Την περίοδο εκείνη εντοπίζονται κοιτάσματα στις ΗΠΑ και ξεκινά η δημιουργία ορυχείου στο Mountain Pass για την κάλυψη αναγκών σε σπάνιες γαίες και ιδιαίτερα σε ευρώπιο. Το Mountain Pass εξελίχθηκε στον μεγαλύτερο παραγωγό σπάνιων γαιών στον κόσμο και έκανε τις ΗΠΑ μεγαλύτερη παραγωγό παγκοσμίως μεταξύ 1965-1985. Η παραγωγή στις ΗΠΑ μεταξύ 1965 και 1966 αυξήθηκε από 2.900 σε 12.200 τόνους, ενώ η παγκόσμια παραγωγή από 6.960 σε 16.200 τόνους. Οι ΗΠΑ την χρονική περίοδο 1965-1984 είχαν στην παγκόσμια παραγωγή ένα μερίδιο που εκτιμάται στο 65%, φτάνοντας το 1974 στο μέγιστο 80%.
Από το 1985 και μετά μειώνεται η δυναμική των ΗΠΑ ενώ παρατηρείται ραγδαία αύξηση της παραγωγής σπάνιων γαιών στην Κίνα από ποσοστό 20% της παγκόσμιας παραγωγής σε 80% αγγίζοντας το 95% το 2005. Την ίδια περίοδο καταγράφεται μείωση του μεριδίου των ΗΠΑ από το 30% το 1985 σε 6% το 2000. Η Κίνα πέτυχε μέσα σε δέκα χρόνια να καταστεί ο μεγαλύτερος παραγωγός παγκοσμίως, καθώς πέρα των μεγάλων αποθεμάτων που διαθέτει, διέθετε στην αγορά σπάνιες γαίες σε ιδιαίτερα χαμηλές τιμές που άλλες χώρες δεν μπορούσαν να ανταγωνιστούν. Αυτό είχε ως συνέπεια να ενισχυθεί το μερίδιο της Κίνας στην αγορά σπάνιων γαιών και να βρίσκεται σταθερά άνω του 90% της παγκόσμιας παραγωγής σπανίων γαιών.
Η ανάγκη για πράσινες τεχνολογίες, η συνεχιζόμενη αύξηση ζήτησης ηλεκτρονικών προϊόντων και οι νέες τεχνολογίες σε αυτοκινητοβιομηχανίες είναι μερικοί από τους λόγους που οδηγούν σε ιδιαίτερα σημαντική άνοδο της παραγωγής σπάνιων γαιών. Σήμερα οι δέκα μεγαλύτερες σε εξορύξεις χώρες (εκφρασμένες σε μετρικούς τόνους) είναι με σειρά κατάταξης: 1) Κίνα (210.000), 2) ΗΠΑ (43.000) 3) Αυστραλία (18.000) 4) Μυανμάρ (12.000) 5) Ταϊλάνδη (7.100) 6) Βιετνάμ (4.300) 7) Ινδία (2.900 ) 8) Ρωσία (2.600) 9) Μαδαγασκάρη (960) 10 Βραζιλία (80).
Όπως προκύπτει ξεκάθαρα τα μεγαλύτερα αποθέματα σπάνιων γαιών βρίσκονται στην Κίνα καθιστώντας την τον μεγαλύτερο παραγωγό και προμηθευτή παγκοσμίως. Αυτό έχεις ως συνέπεια πολλά κράτη να εξαρτώνται άμεσα από τις εξαγωγές της Κίνας. Ταυτόχρονα η αγορά κοιτασμάτων σπάνιων γαιών από την κυβέρνηση της Κίνας σε παγκόσμια κλίμακα έχει οδηγήσει την αγορά των σπάνιων γαιών σε σχετικά μονοπωλιακές καταστάσεις. Προκειμένου να αντιμετωπισθεί η κυριαρχίας της Κίνας στο εμπόριο σπάνιων γαιών διερευνάται η δυνατότητα ανακύκλωσης και ανάκτησης στοιχείων σπάνιων γαιών από χρησιμοποιημένες συσκευές ενώ αναζητούνται από την επιστημονική κοινότητα ουσίες που θα μπορούν να υποκαταστήσουν ορισμένες σπάνιες γαίες σε σημαντικές εφαρμογές. Τέτοια προγράμματα χρηματοδοτούνται από την Ευρωπαϊκή ένωση καθώς διαθέτει πολλές βιομηχανίες στους τομείς αιχμής όπως η αυτοκινητοβιομηχανία. Βέβαια σύμφωνα με τα πρώτα στοιχεία τα υποκατάστατα αυτά προς το παρόν μπορούν να αντικαταστήσουν ελάχιστες σπάνιες γαίες ενώ το κόστος αντικατάστασης είναι προς το παρόν αρκετά μεγάλο. Όπως γίνεται κατανοητό αυτό δημιουργεί ιδιαίτερες συνθήκες στην γεωπολιτική ισορροπία και τις οικονομικές σχέσεις, όπου ο ρόλος της επιστημονικής κοινότητας να βρει κατάλληλες λύσεις είναι ιδιαίτερα σημαντικός.
*Καθηγητής Εφαρμοσμένης Φυσικής, Πρόεδρος Τμήματος Φυσικής, Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας
Ενδεικτικές πηγές
1) USGS, United States Geological Survey, 2016 Minerals Yearbook
3) Praneet Arshi, Vahidi Ehsan and Zhao Fu (2018). Behind the scenes of clean energy – the environmental footprint of rare earth products. ACS Sustainable Chem. Eng. Vol, 6, pages 3311–3320
4) Balaram V. (2019). Rare earth elements: A review of applications, occurrence, exploration, analysis, recycling, and environmental impact., Geoscience Frontiers, Vol. 10, Pages 1285-1303