Den sjældne jord-krisen

På den østlige udkant af Mojave-ørkenen, en times kørsel sydvest for Las Vegas i Mountain Pass, Californien, ligger en 1,4 milliarder år gammel forekomst af cerium, neodym og andre metaller, der er den rigeste kilde til sjældne jordarters grundstoffer i USA. Ved siden af ​​bakker befolket af kaktusser, joshua-træer og vandrende skildpadder er et stort affaldsdepot af solbrune og hvide sten, der blev bygget op gennem mere end 50 års produktion ved en 50 hektar stor åben mine her. Minen var engang verdens største producent af disse metaller, som er afgørende for så forskellige produkter som computerharddiske, kompakte fluorescerende pærer og magneter, der bruges i elektriske køretøjers motorer. Og siden rummer stadig nok af dem til at mine i mindst 30 år mere. Men i 2002 blev det lukket ned på grund af alvorlige miljøproblemer og fremkomsten af ​​kinesiske producenter, der leverede metallerne til lavere omkostninger. Minen stod stille i et årti.





Mægtige mine: Denne 50 hektar store mine i den østlige udkant af Californiens Mojave-ørken var engang verdens førende leverandør af sjældne jordarters metaller. Vand samlede sig i bunden af ​​minen, mens den lå stille efter at være blevet lukket ned for et årti siden.

Med verdensomspændende efterspørgsel efter materialerne eksploderet, genstartede webstedets ejer, Molycorp Minerals, minedrift ved Mountain Pass i december sidste år. Det er nu den vestlige halvkugles eneste producent af sjældne jordarters metaller og en af ​​blot en håndfuld uden for Kina, som i øjeblikket producerer 95 procent af verdens forsyning. Sidste september, efter Kina holdt op med at eksportere materialerne til Japan i to måneder, begyndte lande rundt om i verden at kæmpe for at sikre deres egne kilder. Men selv uden kinesiske restriktioner og med genoplivningen af ​​minen i Californien, kan verdensomspændende forsyninger af nogle sjældne jordarter snart komme til at stå under efterspørgslen. Særligt bekymrende er neodym og dysprosium, som bruges til at lave magneter, der hjælper med at generere drejningsmoment i el- og hybridbilers motorer og omdanne drejningsmoment til elektricitet i store vindmøller. I en rapport udgivet i december sidste år anslog det amerikanske energiministerium, at udbredt brug af elektriske køretøjer og havvindmølleparker kan forårsage mangel på disse metaller i 2015.

Nye teknologier: 2011

Denne historie var en del af vores maj 2011-udgave



  • Se resten af ​​problemet
  • Abonner

Hvad der så ville ske, er enhvers gæt. Der er ingen praktiske alternativer til disse metaller i mange kritiske applikationer, der kræver stærke permanente magneter - materialer, der bevarer et magnetfelt uden behov for en strømkilde til at inducere magnetisme ved at føre en elektrisk strøm gennem dem. De fleste hverdagsmagneter, inklusive dem, der har noter på køleskabet, er permanente magneter. Men de er ikke særlig stærke, mens dem, der er lavet af sjældne jordarter, er det enormt. Legeringer af neodym med jern og bor er fire til fem gange så stærke i vægt som permanente magneter lavet af ethvert andet materiale. Det er en af ​​grundene til, at sjældne jordarters magneter findes i næsten alle hybrid- og elbiler på vejen. Motoren til Toyotas Prius bruger for eksempel omkring et kilogram sjældne jordarter. Havvindmøller kan kræve hundredvis af kilo hver.

Ny minedrift, ikke kun ved Mountain Pass, men også i Australien og andre steder, vil øge forsyningerne - men ikke nok til at imødekomme efterspørgslen efter visse kritiske metaller, især dysprosium, i de næste par år. Og den begrænsede kapacitet i de nye minedrift er ikke det eneste problem. Fordi sjældne jordarter laver så fremragende magneter, har forskere siden begyndelsen af ​​1980'erne brugt en lille indsats på at forbedre dem eller udvikle andre materialer, der kunne gøre arbejdet. Få videnskabsmænd og ingeniører uden for Kina arbejder med sjældne jordarters metaller og magnetalternativer. At opfinde erstatninger og få dem ind i motorer vil tage år, først at udvikle den videnskabelige ekspertise og derefter at bygge en produktionsinfrastruktur. USA mistede ekspertise, da dets miner lukkede, og magnetfremstilling flyttede til Asien for at være i nærheden af ​​minedrift og billigere arbejdskraft, siger George Hadjipanayis, formand for fysik og astronomi ved University of Delaware. Som følge heraf var der få incitamenter for forskere eller virksomheder til at arbejde med magneter. Nu, siger han, er der ikke meget finansiering og ingen industri omkring.

Genopbygning: Bearbejdningsudstyr ved Molycorp Minerals' mine i Californien, afbilledet her i december 2010, er i øjeblikket ved at blive genopbygget. Det viste udstyr omfatter maskiner, der bruges til at knuse og opløse sten fra minen og udvinde og tørre sjældne jordarters oxider.



Genfødt

Sjældne jordarters metaller er på trods af navnet relativt rigelige i jordskorpen. De 16 naturligt forekommende sjældne jordarter findes normalt blandet sammen i aflejringer, der ofte også indeholder radioaktive elementer - og at adskille metallerne kræver dyre processer, der producerer en gryderet af giftige forurenende stoffer. Vi ved, hvad den [samlede] koncentration af sjældne jordarter er i alle områder af forekomsten, siger Molycorp-mineleder Rocky Smith, der står på et af de etager, der er hugget ind i den 800 fod dybe grube og peger på en malmfyldt sten; det er farvet lilla med bastnäsit, et mineral, der indeholder en blanding af sjældne jordarter. Men at vide, hvor de sjældne jordarter er på hele stedet, og at få de enkelte metaller ud af malmen er to forskellige ting.

Det første skridt i at udvinde sjældne jordarters oxider fra den omgivende sten er at knuse stenene og male dem til et fint pulver. Dette føres gennem en række tanke, hvor de sjældne jordarters elementer flyder til toppen. Uønskede mineraler synker til bunds, og dette farlige affaldsmateriale, kaldet tailings, sendes til damme til opbevaring. I mellemtiden bliver det resulterende koncentrat af sjældne jordarters metaller ristet i ovne og derefter opløst i syre. Den del af den resulterende sjap, der indeholder sjældne jordarter, i form af blandede metaloxider, fjernes. Til sidst neutraliseres opløsningsmidlet.

Reaktionen genererer en masse salt: Da Mountain Pass-minen kørte med fuld kapacitet i 1990'erne, producerede den så meget som 850 liter salt spildevand hvert minut, hver dag hele året. Dette affald indeholdt også radioaktivt thorium og uran, som samlede sig som kedelsten inde i røret, der leverede spildevandet til fordampningsdamme 11 miles væk. Flere gange i 1990'erne fik rengøringsoperationer, der havde til formål at fjerne den opbyggede skala, rørledningen til at sprænge og spildte hundredtusindvis af liter farligt affald ud i ørkenen. Staten Californien beordrede Molycorp, som dengang var en enhed i olieselskabet Unocal, til at rydde op i affaldet. I 2002 løb virksomheden, der allerede kæmpede for at få overskud, tør for plads til at opbevare sine tailings og formåede ikke at sikre sig en tilladelse til at bygge et nyt lager. Minen lukkede ned.



Sjælden malm: Stener, der er løsnet ved sprængninger ved bjergpasset, indeholder det sjældne jordarters mineral bastnäsit.

Chevron købte Unocal i 2005 og købte Molycorp og Mountain Pass-minen sammen med det. I 2008 købte en gruppe private investorer minen og dannede Molycorp Minerals, som har udviklet forarbejdningsteknologier, som den siger vil eliminere behovet for fordampningsdamme og rørledninger. I 2009 begyndte Molycorp at behandle oplagret bastnäsit for at udvinde det blandede sjældne jordarters mineral didymium. Sidste sommer blev selskabet børsnoteret, og aktiekursen er steget. Den amerikanske industri for sjældne jordarter blev genfødt.

Men et besøg på Molycorps forarbejdningsanlæg viser, at genoptagelsen af ​​minedriften ved Mountain Pass ikke vil løse alle forsyningsproblemerne. Inde i et lille lager, hvor de sjældne jordarters oxider tørres og emballeres, dypper Molycorps administrerende direktør Mark Smith sin hånd i en tønde for at øse en håndfuld brunfarvet pulver op. Den er blød, som fin aske. Dette materiale er didymiumoxid, en blanding af oxideret neodym og præsodymium, grundstoffer langt til venstre på deres række i det periodiske system. Aflejringen ved bjergpasset er ligesom andre sjældne jordarters aflejringer med undtagelse af nogle få i det sydlige Kina rigest på disse lettere elementer. De er fine til glaspolering og bilbatterier og til magneter, der virker ved lave temperaturer. Men for at modstå de høje temperaturer i motorer og turbiner kræver magneter tilsætning af dysprosium eller terbium, som er tunge sjældne jordarter.



Et andet problem er, at Molycorp lige er begyndt at genopbygge den nødvendige infrastruktur for at omdanne sjældne jordarters malm til magneter. Da minedriften forlod USA, fulgte al den infrastruktur med. Oprensningen af ​​sjældne jordarter sker nu næsten udelukkende i Kina, selvom Malaysia er ved at bygge et nyt anlæg. Og magnetindustrien er nu hovedsageligt baseret i Kina og Japan. Det japanske firma Hitachi Metals, som har de nødvendige patenter til at lave sjældne jordarters legeringer og magneter, har indgået en aftale med Molycorp om at fremstille dem i USA. Molycorp vil levere neodymium, men for at lave varmetolerante magneter skal virksomheden muligvis erhverve de ekstra tunge sjældne jordarter fra et andet sted end sin Mountain Pass-mine - og det er svært at vide, hvor det kan være.

Leder efter held

Selvom rensning af sjældne jordarter ikke længere udføres i USA, blev den opfundet her af Frank Spedding, grundlæggeren af ​​Ames National Laboratory i Iowa. I 1949, selv før sjældne jordarter blev brugt industrielt, opfandt Spedding de første metoder til at adskille dem fra hinanden; teknikken voksede ud af hans arbejde med at rense uran og thorium til Manhattan-projektet. Ames lab er stadig det eneste forskningscenter i landet med en væsentlig vægt på materialerne.

Stenerne knuses og opløses, og sjapen adskilles for at producere didymiumoxid, en blanding af oxiderede lette sjældne jordarter, der kræver yderligere behandling for at fremstille det rene neodymmetal, der kræves til magneter.

Ames-forsker Iver Anderson har ingen problemer med at demonstrere, hvorfor sjældne jordarters materialer er så værdifulde i magneter. Han rækker hånden ud over skrivebordet med håndfladen nedad og viser, at feltet produceret af et lille stykke af en knækket neodymmagnet, som er balanceret på bagsiden af ​​hans hånd, kan få endnu en neodymmagnet på størrelse med en krone til at klæbe til håndfladen. Par neodymmagneter, der er meget større end dette, kan knække knogler. Anderson henter derefter en betydeligt heftigere magnet, lavet af aluminium, nikkel, jern og kobolt. Den holder knap nok på spidsen af ​​en dinglende papirclips.

Selvom denne ydeevne er svag, viser materialets magnetiske egenskaber noget lovende, så Andersons gruppe forsøger at forbedre dem ved at pille ved dets struktur, en blanding af jern-koboltnåle i nanoskala adskilt af en matrix af nikkel og aluminium. Ud fra teoretiske studier af materialet håber Anderson at ændre bearbejdningsbetingelserne for at gøre nålene længere og justere dem bedre. Hvor længe kan vi lave nålene? undrer han sig. Hvad hvis vi sætter et enormt magnetfelt på prøven - ville det ændre deres afstand, få dem til at vokse længere?

Den største appel ved magneten er, at den ikke indeholder sjældne jordarters metaller. Alligevel virker selv Ames-forskerne usikre på, om et materiale som dette nogensinde kan træde i stedet for sjældne jordarters magneter. Siden neodymmagneter blev introduceret i 1983, er der ikke udviklet noget, der er tæt på at matche dem. Men, siger Anderson, man kan være heldig.

I dag sender Molycorp poser med didymiumoxid til kunder i Japan og andre steder til forarbejdning.

Forskerne arbejder også på måder at fremstille sjældne jordarters magneter mere effektivt. I øjeblikket opvarmes og komprimeres de magnetiske materialer til store, tætte blokke, som derefter skal skæres til den ønskede form. Denne proces efterlader bunker af oxiderede metalspåner kaldet spåner, som ofte er forurenet med smøremidler til skærebladene. De urene spåner kan ikke integreres i nye magneter, men at finde en måde at bruge det på - eller at formulere magnetmaterialerne på en sådan måde, at de kan støbes i stedet for at skæres - ville strække de værdifulde elementer yderligere. Folk kigger på 55-gallon tromler fulde af dette slibeaffald, der ligner gråbrunt mudder, og spekulerer på, hvordan man kan genvinde de sjældne jordarter ud af alt det spån, siger Anderson.

Hvis udbuddet af sjældne jordarter ikke lever op til efterspørgslen i de kommende år, og der ikke findes substitutter, der nærmer sig deres ydeevne, vil producenter af hybrid- og elbiler sandsynligvis forsøge at udvikle nye motordesign, der er afhængig af induceret snarere end permanent magnetisme, siger Eric Rask , en forsker ved Argonne National Laboratory. Før han kom til Argonne for to år siden, arbejdede Rask på drivsystemet til General Motors' elektriske Volt, som bruger en sjælden jordart permanent magnet. Men, siger han, grunden til, at permanentmagnetmotorer bruges, er, at deres effektivitet næsten altid er højere i det område, hvor du bruger det meget - typisk kan du få mere drejningsmoment for en given strømforsyning.

Få eksperter udtrykker optimisme over, at der vil være nok sjældne jordarters materialer til at opretholde en betydelig vækst af rene energiteknologier som elbiler og vindkraft, som har brug for alle mulige omkostninger og effektivitetsfordele for at konkurrere. Skriften er allerede på væggen, siger Patrick Taylor, direktør for Kroll Institute for Extractive Metallurgy ved Colorado School of Mines. Du ønsker at udvikle denne store nye energiøkonomi, men der er et begrænset udbud og en stadigt stigende efterspørgsel. På spørgsmålet om, hvordan Kina fik sit forspring i forhold til resten af ​​verden, påpeger Taylor, at det meste af den nødvendige ekspertise og industri begyndte at flytte til dette land for næsten to årtier siden. Dengang, tilføjer han, var der ingen, der var opmærksomme.

Katherine Bourzac er Teknologigennemgang 's materialevidenskabsredaktør.

skjule