Metale ziem rzadkich (REE) to pierwiastki z grup skandowców i lantanowców. Jest ich niewiele, bo tylko siedemnaście wśród dziewięćdziesięciu czterech pierwiastków występujących naturalnie na Ziemi. Za to wyróżniają się one szczególnymi cechami magnetycznymi, optycznymi i katalitycznymi. Dzięki temu są podstawą współczesnej elektroniki, motoryzacji, energetyki odnawialnej oraz przemysłów zbrojeniowego i kosmicznego.

Auto, iPhone, rakieta

Eksperci są zgodni, że zastosowanie REE będzie dynamicznie rosło, choć już dzisiaj wrażenie robi to, w jakich miejscach są stosowane. I tak np. neodym, prazeodym i dysproz są kluczowymi składnikami najsilniejszych magnesów znajdujących się w silnikach elektrycznych. Pierwiastki te są wykorzystywane także w turbinach wiatrowych i w twardych dyskach komputerów.

Każdy telefon komórkowy zawiera śladowe ilości neodymu w głośnikach, a europu – w ekranach dotykowych, przy polerowaniu których wykorzystuje się cer. W reaktorach jądrowych potrzebne są magnesy odporne na wysokie temperatury; produkuje się je z wykorzystaniem samaru. Z kolei w lampach LED i wyświetlaczach potrzebne są terb i itr. Ten ostatni pierwiastek odnajdziemy także w światłowodach i ogniwach fotowoltaicznych. Lantan jest składnikiem baterii NiMH, a gadolin – scyntylatorów w obrazowaniu rentgenowskim i środków kontrastowych w rezonansie magnetycznym, co pozwala dostrzec różnice między zdrowymi a chorymi tkankami. Jeśli jesteśmy przy branży medycznej, to dodajmy, że erb napędza lasery chirurgiczne, a lutet – substancje emitujące światło pod wpływem promieniowania rentgenowskiego.

W sektorze zbrojeniowym REE są niezastąpione w systemach służących do naprowadzania rakiet, sonarach i w coraz ważniejszych na współczesnym polu walki dronach. Skand natomiast nie tylko wzmacnia stopy aluminium; jego zastosowanie zmniejsza – do 20% – masę samolotów. Do wyprodukowania najbardziej zaawansowanego technologicznie samolotu wojskowego (F-35) Amerykanie potrzebują ponad 400 kg metali ziem rzadkich i strategicznych (m.in. litu, kobaltu, niklu). Podobnie sprawa ma się z samochodami hybrydowymi i elektrycznymi, w których przypadku REE są stosowane w silnikach, generatorach i bateriach. Nie dziwi więc opinia Elona Muska, szefa Tesli, który powiedział: – Przyszłość należy do tych, którzy potrafią wykorzystać niewidzialne zasoby Ziemi, by tworzyć technologie jutra.

Przetwarzanie i niebezpieczne odpady

Pierwiastki rzadkie występują głównie jako tlenki, węglany, fosforany i krzemiany. Te ostatnie znajdziemy w minerałach takich jak np.: bastnazyt, monacyt, ksenotym czy gadolinit.

Proces pozyskiwania REE zaczyna się od wydobycia rudy, którą rozdrabnia się mechanicznie. Następnie – metodą flotacji – oddziela się minerały od skały za pomocą chemikaliów. Kiedy pierwiastki rzadkie pochodzą ze złóż ilastych, stosuje się metodę ługowania. Polega ona na wymywaniu pierwiastków solami amonowymi.

Kolejny etap to ekstrakcja chemiczna. W wysokiej temperaturze za pomocą kwasów – siarkowego, solnego lub azotowego – rozpuszcza się pierwiastki. Taki roztwór poddaje się separacji – wymianie jonowej lub ekstrakcji rozpuszczalnikowej.

Ostatecznie tlenki redukuje się do postaci metalicznej w procesach metalotermicznych lub poddaje elektrolizie, która głównie stosowana jest do uzyskiwania metali o wysokiej czystości – neodymu, ceru czy dysprozu.

Powyższe procesy generują ogromne problemy środowiskowe. Dość powiedzieć, że na tonę tlenków pierwiastków ziem rzadkich przypada 100-150 t odpadów. Wśród nich są toksyczne ścieki i pyły radioaktywne (tor, uran), które zanieczyszczają wody gruntowe i powietrze.

– Pragniemy technologii przyszłości, lecz płacimy za nią skażoną teraźniejszością – tak sir David Attenborough, najbardziej znany na świecie przyrodnik, ocenił metody pozyskiwania REE.

Naukowcy szukają alternatyw. Biotechnolodzy szansę na redukcję zużycia chemikaliów widzą w bakterii Acidithiobacillus ferrooxidans, którą można ługować REE. Trwają także badania nad magnesami bez metali rzadkich. Niestety, siła magnetyczna zamienników takich jak np. kobalt, mangan czy ferryt jest mniejsza niż w przypadku użycia czterech lantanowców: neodymu, prazeodymu, dysprozu i terbu. Szansę upatruje się też w recyklingu. Najnowszy raport ONZ podaje, że rocznie na świecie wytwarza się 60 mln t odpadów elektronicznych. Tymczasem recykling elektrośmieci to obecnie mniej niż 1%.

Dlaczego „rzadkie”?

Alternatywne metody pozyskiwania metali rzadkich nie są więc w stanie zaspokoić obecnych potrzeb, a zatem nadal więc trzeba szukać REE w skorupie ziemi. I wbrew nazwie nie ma ich tam mało. Na przykład cer jest powszechniejszy niż miedź. Dlaczego więc mówimy, że są to „metale rzadkie”?

Sam termin powstał w XVIII wieku. Pierwsze pierwiastki – cer i itr – zostały odkryte przez Carla Axela Arrheniusa w 1787 r. w szwedzkiej kopalni Ytterby. Notabene nazwa tej miejscowości stała się inspiracją dla nazw kilku pierwiastków: terb, erb, iterb i itr.

Obecnie termin „rzadkie” odnosi się do ich rozproszenia. Z pokładów słabych i trudno dostępnych nie opłaca się ich wydobywać, a wydajnych i znanych złóż jest niewiele.

Najwięcej jest ich w Chinach – 35% światowych zasobów. Rok temu wydobyto tam 270 tys. t z globalnych 390 tys. t. Kolejni producenci to: USA (45 tys. t), Mjanma (31 tys. t), Australia (13 tys. t) i Nigeria (13 tys. t). Raporty geologiczne wskazują jeszcze na Brazylię (21 mln t złóż) i Wietnam (3,5 mln t), ale państwa te wydobyły razem tylko 320 t w 2024 r.

Nowe złoża odkryto na dnie Pacyfiku (okolice Hawajów, Haiti), w Szwecji i Afganistanie. W kwietniu tego roku ogłoszono, że w Kazachstanie znaleziono pokłady szacowane na 20 mln t, co plasowałoby to państwo wśród trzech największych posiadaczy tych zasobów na świecie.

Polityczna rozgrywka

„Bliski Wschód ma ropę, Chiny mają metale ziem rzadkich” – powiedział Deng Xiaoping w 1987 r. Ani wtedy, ani przez kolejnych ponad 20 lat nikt nie zdawał sobie sprawy, jak wyrafinowana strategia stoi za wypowiedzią polityka nazywanego „architektem nowoczesnych Chin”.

Dzisiaj Państwo Środka dominuje na światowych rynkach: telefonii komórkowej, paneli słonecznych, wiatraków, pojazdów elektrycznych czy akumulatorów magazynujących energię. Prymat ten jest skutkiem owocnych inwestycji w badania i rozwój. To one dały Chinom nowoczesną wiedzę, jak wykorzystywać metale ziem rzadkich. Kiedy tego know-how nie było, Państwo Środka tylko dostarczało surowce bardziej rozwiniętym krajom Zachodu. Przełom nastąpił w 2010 r. Chińczycy podjęli wówczas decyzję o ograniczeniu o 35% eksportu REE. Dla reszty świata był to szok, bo mniej surowca na rynku oznacza większy koszt. Za to, co kiedyś kosztowało dziesiątki tysięcy, przyszło płacić w setkach, a w niektórych przypadkach – w milionach. Tylko w latach 2020-25 dysproz podrożał z 900 tys. zł do 1,3 mln zł za t, neodym – z 250 tys. do ponad 370 tys. zł, a terb – z 2,8 mln do 5,7 mln zł.

Unia Europejska, uzależniona w 98% od importu REE, przyjęła rok temu Akt ws. surowców krytycznych. Zakłada on, że do 2030 r. 10% zapotrzebowania ma pochodzić z wydobycia, 40% – z przetwórstwa, a 25% – z recyklingu. Ponadto Unia negocjuje z Namibią, Rwandą i Kongiem, aby zdywersyfikować swój import, który dzisiaj pochodzi głównie z Chin. Z kolei Amerykanie zaczęli inwestować w krajowe wydobycie (Mountain Pass) i dali subsydia dla przetwórstwa, by stworzyć niezależny łańcuch dostaw. Współpracują też z Afryką (np. Zambia, Kongo), gdzie jest 30% złóż krytycznych. Jak bardzo USA zależy na uzyskaniu dostępu do kolejnych złóż, widać dobrze na przykładzie oficjalnych relacji ekipy Donalda Trumpa z Ukrainą i Grenlandią.

Według prognoz ekonomistów, zapotrzebowanie na REE będzie rosło w tempie 10-15% do 2050 r., ale np. na neodym popyt może wzrosnąć nawet dziesięciokrotnie. Oznacza to, że geopolityczny wyścig o dostęp do pokładów „technologicznego złoża” będzie się zaostrzał. Zmienić to może postęp w nauce, ale tylko taki, który znajdzie zamienniki dla metali ziem rzadkich.