De zeldzame-aardecrisis

Aan de oostelijke rand van de Mojave-woestijn, op een uur rijden ten zuidwesten van Las Vegas in Mountain Pass, Californië, ligt een 1,4 miljard jaar oude afzetting van cerium, neodymium en andere metalen die de rijkste bron van zeldzame aardelementen is in de Verenigde Staten. Naast heuvels bevolkt door cactussen, Joshua-bomen en zwervende schildpadden, is een enorme afvalstortplaats van gebruinde en witte rotsen die hier gedurende meer dan 50 jaar productie is opgebouwd in een open mijn van 50 hectare. De mijn was ooit 's werelds grootste producent van deze metalen, die cruciaal zijn voor uiteenlopende producten zoals harde schijven van computers, compacte fluorescentielampen en de magneten die worden gebruikt in de motoren van elektrische voertuigen. En de site bevat nog steeds genoeg van hen om nog minstens 30 jaar te mijnen. Maar in 2002 werd het stilgelegd vanwege ernstige milieuproblemen en de opkomst van Chinese producenten die de metalen tegen lagere kosten leverden. De mijn heeft tien jaar stil gestaan.

Machtige mijn: Deze 50 hectare grote mijn aan de oostelijke rand van de Mojave-woestijn in Californië was ooit 's werelds grootste leverancier van zeldzame aardmetalen. Water verzamelde zich op de bodem van de mijn terwijl deze inactief was nadat hij tien jaar geleden was stilgelegd.

Nu de wereldwijde vraag naar de materialen explodeerde, hervatte de eigenaar van de site, Molycorp Minerals, afgelopen december de mijnbouw bij Mountain Pass. Het is nu de enige producent van zeldzame aardmetalen op het westelijk halfrond en een van de weinige buiten China, die momenteel 95 procent van de wereldvoorraad produceert. Afgelopen september, nadat China twee maanden lang stopte met het exporteren van de materialen naar Japan, begonnen landen over de hele wereld te klauteren om hun eigen bronnen veilig te stellen. Maar zelfs zonder Chinese beperkingen en met de heropleving van de Californische mijn, zou de wereldwijde voorziening van sommige zeldzame aardmetalen spoedig achterblijven bij de vraag. Van bijzonder belang zijn neodymium en dysprosium, die worden gebruikt om magneten te maken die helpen bij het genereren van koppel in de motoren van elektrische en hybride auto's en het omzetten van koppel in elektriciteit in grote windturbines. In een rapport dat afgelopen december werd uitgebracht, schatte het Amerikaanse ministerie van Energie dat het wijdverbreide gebruik van elektrisch aangedreven voertuigen en offshore windparken tegen 2015 een tekort aan deze metalen zou kunnen veroorzaken.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2011

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Wat er dan zou gebeuren, is een gok. Er zijn geen praktische alternatieven voor deze metalen in veel kritische toepassingen die sterke permanente magneten vereisen - materialen die een magnetisch veld vasthouden zonder dat een stroombron nodig is om magnetisme te induceren door er een elektrische stroom doorheen te leiden. De meeste alledaagse magneten, inclusief die met notities op de koelkast, zijn permanente magneten. Maar ze zijn niet erg sterk, terwijl die gemaakt van zeldzame aardmetalen dat enorm zijn. Legeringen van neodymium met ijzer en boor zijn vier tot vijf keer zo sterk in gewicht als permanente magneten gemaakt van enig ander materiaal. Dat is een van de redenen waarom zeldzame-aarde-magneten in bijna elke hybride en elektrische auto op de weg worden aangetroffen. Zo gebruikt de motor van Toyota's Prius ongeveer een kilo zeldzame aardmetalen. Offshore windturbines kunnen honderden kilo's per stuk vergen.

Nieuwe mijnbouwactiviteiten, niet alleen bij Mountain Pass maar ook in Australië en elders, zullen de voorraden vergroten, maar niet genoeg om in de komende jaren aan de vraag naar bepaalde kritische metalen, met name dysprosium, te voldoen. En de beperkte capaciteit van de nieuwe mijnbouwactiviteiten is niet het enige probleem. Omdat zeldzame aardmetalen zulke uitstekende magneten maken, hebben onderzoekers sinds het begin van de jaren tachtig weinig moeite gedaan om ze te verbeteren of andere materialen te ontwikkelen die het werk zouden kunnen doen. Buiten China werken maar weinig wetenschappers en ingenieurs aan zeldzame aardmetalen en magneetalternatieven. Het uitvinden van vervangers en het in motoren verwerken ervan zal jaren duren, eerst om de wetenschappelijke expertise te ontwikkelen en vervolgens om een ​​productie-infrastructuur op te bouwen. De Verenigde Staten verloren hun expertise toen hun mijnen werden gesloten en de productie van magneten naar Azië verhuisde om in de buurt van mijnen te zijn en minder dure arbeidskrachten te krijgen, zegt George Hadjipanayis, voorzitter van natuurkunde en astronomie aan de Universiteit van Delaware. Hierdoor waren er weinig prikkels voor onderzoekers of bedrijven om aan magneten te werken. Nu, zegt hij, is er niet veel geld en is er geen industrie in de buurt.

wederopbouw: De verwerkingsapparatuur in de mijn van Molycorp Minerals in Californië, hier afgebeeld in december 2010, wordt momenteel herbouwd. De getoonde apparatuur omvat machines die worden gebruikt om stenen uit de mijn te verpletteren en op te lossen en zeldzame aardoxiden te extraheren en te drogen.

Herboren

Zeldzame aardmetalen komen, ondanks de naam, relatief veel voor in de aardkorst. De 16 natuurlijk voorkomende zeldzame aardmetalen worden meestal gemengd aangetroffen in afzettingen die vaak ook radioactieve elementen bevatten - en het scheiden van de metalen vereist kostbare processen die een stoofpot van giftige verontreinigende stoffen produceren. We weten wat de [totale] concentratie van zeldzame aardmetalen is in alle gebieden van de afzetting, zegt de mijnmanager van Molycorp, Rocky Smith, staande op een van de verdiepingen die in de 800 meter diepe put zijn uitgehouwen en wijzend op een met erts beladen rots; het is mauve getint met bastnäsiet, een mineraal dat een mengsel van zeldzame aarden bevat. Maar weten waar de zeldzame aardmetalen zich overal op de site bevinden en de afzonderlijke metalen uit het erts halen, zijn twee verschillende dingen.

De eerste stap bij het extraheren van zeldzame aardoxiden uit het omringende gesteente is om de rotsen te verpletteren en tot een fijn poeder te vermalen. Dit wordt door een reeks tanks gevoerd, waar de zeldzame-aarde-elementen naar de top drijven. Ongewenste mineralen zinken naar de bodem en dit gevaarlijke afvalmateriaal, residuen genaamd, wordt naar vijvers gestuurd voor opslag. Ondertussen wordt het resulterende concentraat van zeldzame aardmetalen geroosterd in ovens en vervolgens opgelost in zuur. De fractie van de resulterende slush die zeldzame aarden bevat, in de vorm van gemengde metaaloxiden, wordt verwijderd. Ten slotte wordt het oplosmiddel geneutraliseerd.

De reactie genereert veel zout: toen de Mountain Pass-mijn in de jaren negentig op volle capaciteit draaide, produceerde ze elke minuut, elke dag van het jaar maar liefst 850 gallons zout afvalwater. Dit afval bevatte ook radioactief thorium en uranium, die als kalk werden verzameld in de pijp die het afvalwater naar verdampingsvijvers op 18 mijl afstand bracht. In de jaren negentig veroorzaakten schoonmaakwerkzaamheden die bedoeld waren om de opgebouwde schaal te verwijderen, meerdere keren dat de pijpleiding barstte, waardoor honderdduizenden liters gevaarlijk afval in de woestijn terechtkwamen. De staat Californië gaf Molycorp, toen een onderdeel van de oliemaatschappij Unocal, opdracht om het afval op te ruimen. In 2002 had het bedrijf, dat al moeite had om winst te maken, geen ruimte meer om zijn residuen op te slaan en kreeg het geen vergunning voor de bouw van een nieuwe opslagfaciliteit. De mijn ging dicht.

Zeldzaam erts: Rotsen die zijn losgeraakt door ontploffing bij Mountain Pass bevatten het zeldzame aardmineraal bastnäsite.

Chevron kocht Unocal in 2005 en verwierf daarmee ook Molycorp en de Mountain Pass-mijn. In 2008 kocht een groep particuliere investeerders de mijn en richtte Molycorp Minerals op, dat verwerkingstechnologieën heeft ontwikkeld die naar eigen zeggen de behoefte aan verdampingsvijvers en pijpleidingen zullen elimineren. In 2009 begon Molycorp met het verwerken van opgeslagen bastnäsite om het gemengde zeldzame-aarde-mineraal didymium te extraheren. Afgelopen zomer ging het bedrijf naar de beurs en de aandelenkoers is enorm gestegen. De Amerikaanse zeldzame-aarde-industrie werd herboren.

Maar een bezoek aan de verwerkingsfaciliteit van Molycorp laat zien dat de hervatting van de mijnbouw bij Mountain Pass niet alle bevoorradingsproblemen zal oplossen. In een klein magazijn waar de zeldzame-aarde-oxiden worden gedroogd en verpakt, doopt Mark Smith, CEO van Molycorp, zijn hand in een vat om een ​​handvol geelbruin poeder op te scheppen. Het is zacht, als fijne as. Dit materiaal is didymiumoxide, een mengsel van geoxideerd neodymium en praesodymium, elementen ver links op hun rij in het periodiek systeem. De afzetting bij Mountain Pass is, net als andere afzettingen van zeldzame aarde, behalve enkele in Zuid-China, het rijkst aan deze lichtere elementen. Ze zijn prima voor het polijsten van glas en autobatterijen en voor magneten die bij lage temperaturen werken. Maar om de hoge temperaturen in motoren en turbines te weerstaan, hebben magneten de toevoeging van dysprosium of terbium nodig, dit zijn zware zeldzame aardmetalen.

Een ander probleem is dat Molycorp net begint met het herbouwen van de infrastructuur die nodig is om zeldzame aardmetalen om te zetten in magneten. Toen mijnbouwactiviteiten de Verenigde Staten verlieten, volgde al die infrastructuur. De zuivering van zeldzame aardmetalen gebeurt nu bijna uitsluitend in China, hoewel Maleisië een nieuwe faciliteit bouwt. En de magneetindustrie is nu grotendeels gevestigd in China en Japan. Het Japanse bedrijf Hitachi Metals, dat over de nodige patenten beschikt om zeldzame aardmetalen en magneten te maken, heeft een overeenkomst gesloten met Molycorp om ze in de Verenigde Staten te maken. Molycorp zal het neodymium leveren, maar om hittebestendige magneten te maken, moet het bedrijf de extra zware zeldzame aarden misschien ergens anders vandaan halen dan de Mountain Pass-mijn - en het is moeilijk om te weten waar dat zou kunnen zijn.

Op zoek naar geluk

Hoewel het zuiveren van zeldzame aardmetalen niet meer wordt gedaan in de Verenigde Staten, is het hier uitgevonden door Frank Spedding, de oprichter van het Ames National Laboratory in Iowa. In 1949, nog voordat zeldzame aardmetalen industrieel werden gebruikt, vond Spedding de eerste methoden uit om ze van elkaar te scheiden; de techniek kwam voort uit zijn werk aan het zuiveren van uranium en thorium voor het Manhattan Project. Het Ames-lab is nog steeds het enige onderzoekscentrum in het land met een grote nadruk op de materialen.

De rotsen worden verpletterd en opgelost en de modder wordt gescheiden om didymiumoxide te produceren, een mengsel van geoxideerde lichte zeldzame aardmetalen die verder moeten worden verwerkt om het zuivere neodymiummetaal te maken dat nodig is voor magneten.

Ames-onderzoeker Iver Anderson heeft geen moeite om aan te tonen waarom zeldzame aardmaterialen zo waardevol zijn in magneten. Hij strekt zijn hand uit over zijn bureau, met de palm naar beneden, en laat zien dat het veld dat wordt geproduceerd door een klein stukje van een gebroken neodymiummagneet in evenwicht op de rug van zijn hand ervoor kan zorgen dat een andere neodymiummagneet, ter grootte van een cent, aan zijn handpalm blijft kleven. Paar neodymiummagneten die veel groter zijn dan dit, kunnen botten breken. Anderson pakt dan een aanzienlijk zwaardere magneet op, gemaakt van aluminium, nikkel, ijzer en kobalt. Het houdt nauwelijks de punt van een bungelende paperclip vast.

Hoewel deze prestatie zwak is, zijn de magnetische eigenschappen van het materiaal veelbelovend, dus de groep van Anderson probeert ze te verbeteren door te sleutelen aan de structuur, een mengsel van ijzer-kobaltnaalden op nanoschaal, gescheiden door een matrix van nikkel en aluminium. Op basis van theoretische studies van het materiaal hoopt Anderson de verwerkingsomstandigheden te veranderen om de naalden langer te maken en beter uit te lijnen. Hoe lang kunnen we de naalden maken? hij vraagt ​​zich af. Wat als we een gigantisch magnetisch veld op het monster plaatsen - zou het hun afstand veranderen, ze langer laten groeien?

De belangrijkste aantrekkingskracht van de magneet is dat deze geen zeldzame aardmetalen bevat. Toch lijken zelfs de Ames-onderzoekers niet zeker te weten of een materiaal als dit ooit de plaats van zeldzame-aardmagneten zou kunnen innemen. Sinds de introductie van neodymiummagneten in 1983 is er niets ontwikkeld dat in de buurt komt hiervan. Maar, zegt Anderson, je kunt geluk hebben.

Tegenwoordig verzendt Molycorp zakken didymiumoxide naar klanten in Japan en elders voor verwerking.

De onderzoekers werken ook aan manieren om zeldzame-aardmagneten efficiënter te maken. Momenteel worden de magnetische materialen verwarmd en samengeperst om grote, dichte blokken te vormen die vervolgens in de gewenste vorm moeten worden gesneden. Bij dit proces blijven stapels geoxideerde metaalspaanders achter, de zogenaamde spanen, die vaak verontreinigd zijn met smeermiddelen voor de snijbladen. De onzuivere spanen kunnen niet worden geïntegreerd in nieuwe magneten, maar het vinden van een manier om het te gebruiken - of het zodanig formuleren van de magneetmaterialen dat ze kunnen worden gevormd in plaats van gesneden - zou de waardevolle elementen verder uitrekken. Mensen kijken naar vaten van 55 gallon vol met dit maalafval, dat eruitziet als grijsbruine modder, en vragen zich af hoe de zeldzame aarden uit al dat slijpsel kunnen worden teruggewonnen, zegt Anderson.

Als het aanbod van zeldzame aardmetalen de komende jaren achterblijft bij de vraag en er geen alternatieven worden gevonden die hun prestaties benaderen, zullen makers van hybride en elektrische auto's waarschijnlijk proberen nieuwe motorontwerpen te ontwikkelen die afhankelijk zijn van geïnduceerd in plaats van permanent magnetisme, zegt Eric Rask. , een onderzoeker aan het Argonne National Laboratory. Voordat hij twee jaar geleden bij Argonne kwam werken, werkte Rask aan het aandrijfsysteem voor de elektrische Volt van General Motors, dat gebruikmaakt van een zeldzame-aarde permanente magneet. Maar, zegt hij, de reden dat permanentmagneetmotoren worden gebruikt, is dat hun efficiëntie bijna altijd hoger is in het bereik waar je ze veel gebruikt - meestal kun je meer koppel krijgen voor een bepaalde stroomtoevoer.

Weinig experts zijn optimistisch dat er voldoende zeldzame aardmaterialen zullen zijn om een ​​significante groei van schone energietechnologieën zoals elektrische auto's en windenergie te ondersteunen, die alle mogelijke kosten- en efficiëntievoordelen nodig hebben om te kunnen concurreren. Het schrijven hangt al aan de muur, zegt Patrick Taylor, directeur van het Kroll Institute for Extractive Metallurgy aan de Colorado School of Mines. Je wilt deze grote nieuwe energie-economie ontwikkelen, maar er is een beperkt aanbod en een steeds grotere vraag. Op de vraag hoe China zijn voorsprong op de rest van de wereld heeft verworven, wijst Taylor erop dat de meeste benodigde expertise en industrie bijna twee decennia geleden naar dat land zijn verhuisd. Destijds, voegt hij eraan toe, lette niemand zelfs op.

Katherine Bourzac is Technologie beoordeling 's materiaalwetenschap redacteur.

zich verstoppen