Czasem przyszłość nie pachnie syntetycznym zapachem przyszłości. Pachnie rdzawą rudą, chemią i procesami, które niewielu z nas widzi. Pierwiastkami ziem rzadkich – grupą 17 pierwiastków chemicznych, których nie ma w żadnym zjawisku codziennym, a jednak bez nich prawie nic się nie porusza. One zasilają smartfony, turbiny wiatrowe, satelity, aparaty rezonansu magnetycznego i systemy zbrojeniowe. Są niewidzialne, lecz wszechobecne – a ich historia to opowieść o ambicji, monopolu i o tym, jak kilka krajów może kontrolować technologiczną przyszłość świata.

Pierwiastki ziem rzadkich (rare earth elements – REE) to grupa siedemnastu pierwiastków chemicznych: skandu (Sc), itru (Y) oraz piętnastu lantanowców – od lantanu (La) po lutet (Lu). Ich nazwie „rzadkie" nie odpowiada rzeczywistość: stanowią około jedną siódmą wszystkich pierwiastków występujących w naturze, a lantan jest powszechniejszy niż ołów. Problem jest inny – rozproszenie. Nie ma złóż czystych ziemi rzadkich; pierwiastki te występują w niskich stężeniach w złożach minerałów, co czyni ich wydobycie i separację procesem niezwykle pracochłonnym, kosztownym i szkodliwym dla środowiska.

Wszystkie pierwiastki ziem rzadkich to: skand (Sc), itr (Y), lantan (La), cer (Ce), prazeodym (Pr), neodym (Nd), promet (Pm), samar (Sm), europ (Eu), gadolin (Gd), terb (Tb), dysproz (Dy), holm (Ho), erb (Er), tul (Tm), iterb (Yb), lutet (Lu).

Nazwę „rzadkie" przypiął im fiński chemik Johan Gadolin w 1794 roku, gdy odkrył w gadolinicie (minerał znaleziony w Ytterby, Szwecja) nowy pierwiastek – itr (yttrium). Nazwa pozostała, choć jest myląca. Wydobycie? To zupełnie inna historia – nawet dzisiaj, po ponad dwóch wiekach technologicznego postępu, separacja pierwiastków ziem rzadkich wymaga rozpuszczania materiału macierzystego w żrących kwasach, filtrowania, redystrybucji i oddzielenia każdego pierwiastka od pozostałych. To nie jest chemia dla niecierpliwych.

Pierwsze zastosowanie pierwiastków ziem rzadkich było całkiem prozaiczne. Szwajcarski chemik Carl Auer von Welsbach, w 1882 roku, odkrył, że mieszanina tlenków ziemi rzadkiej (ceru i toru) przy zapaleniu daje niesamowicie jasne światło. Była to rewolucja – płonące koszulki (żarzące się tkaniny impregnowane tlenem ceru) stawały się standardem w lampach, później w latarkach. Cer, a właściwie jego tlenek, przez dziesięciolecia dominował zastosowaniach pierwiastków ziem rzadkich w świecie. Dziś jego głównym zastosowaniem jest… polerowanie szkła. Mało spektakularne jak dla materiału, który kiedyś iluminował świat.

Druga połowa XX wieku przyniosła transformację. Unikatowe właściwości magnetyczne, katalityczne i luminescencyjne pierwiastków ziem rzadkich przyciągnęły uwagę przemysłu zbrojeniowego, lotniczego i kosmicznego. Neodym i dysproz, gdy połączono je z żelazem i borem, dały w wyniku magnesy o niezwykłej mocy – magnesy neodymowe, które zmieniły możliwości silników, głośników i urządzeń elektronicznych. W latach 80. pojawiły się magnesy neodymowe w słuchawkach Walkmana Sony’ego; dziś są wszędzie – w dyskach twardych, komputerach, ale i w turbinach wiatrowych i silnikach samochodów elektrycznych.

Złota era przemysłu rzadkich ziemi na Zachodzie skończyła się w latach 80 XX wieku, gdy Chiny, dostrzegając okazję, zaczęły masowo inwestować w wydobycie i przetwarzanie. Wydobycie chińskie wzrosło z 8,5 tys. ton w 1985 roku do 48 tys. ton w 1995 – i udało im się osiągnąć dominację światową. Deng Xiaoping powiedział wówczas: „Bliski Wschód ma ropę, a my mamy pierwiastki ziem rzadkich". Te słowa stały się manifestem. Dziś Chiny kontrolują około 70% światowej produkcji – wielkość, której nawet najśmielsze prognozy z lat 80 nie przewidywały.

Pierwiastki ziem rzadkich
Magnetyzm, liminescencja, kataliza. Wizualizacja AI / faleinspiracji.pl / CC BY 4.0.

Dlaczego pierwiastkami ziem rzadkich są takie ważne? Odpowiedź leży w ich elektronowych strukturach. Lantanowce mają wypełniającą się wewnętrzną powłokę elektronów (4f), co nadaje im wyjątkowe właściwości magnetyczne i luminescencyjne. Neodym połączony z żelazem i borem tworzy najmocniejsze naturalne magnesy na świecie – silniej magnetyczne nawet od magnesów ze stali hartowanej czy permanentnych magnesów kobaltowych, które poprzednio dominowały. Dysproz, z kolei, ma wyjątkową temperaturę Curie’ego (powyżej której magnesy tracą swoją magnetyczność), co czyni go idealnym dla turbin wiatrowych pracujących w ekstremalnych warunkach. Terb wzmacnia właściwości magnetyczne dysprozu w magnesach na stałe.

Europ wykazuje luminescencję – pochłania promieniowanie ultrafioletowe i emituje światło widzalne. W kolorowych telewizorach katodowych europ w fosforescentnych powłokach na ekranach, w latach 80 i 90, dostarczało czerwoną barwę. Gadolin, pochodzący rzecz jasna od nazwy fińskiego chemika Johana Gadolina i odkryty w Ytterby, jest niezbędny w obrazowaniu medycznym – jako gadolin DTPA w rezonansie magnetycznym (MRI). Cer jako katalizator w przemyśle naftowym podwyższa wydajność rafinacji ropy naftowej. Lantan stosuje się w optyce, w soczewkach o niskim współczynniku rozpraszania światła.

Pierwiastki ziem rzadkich nie leżą w czystych, łatwych do wydobycia pokładach. Występują w ponad 200 minerałach, ale tylko kilka jest ekonomicznie opłacalne: monacyt (zawierający głównie cer, lantan i neodym), bastnaesyt (cer i lantan), ksenotym (dysproz i terb), parisyt (cer, lantan i neodym). Monacyt jest szczególnie cenny – zawiera do 4-5% pierwiastków ziem rzadkich, więcej niż większość innych minerałów.

Największe złoża znajdują się w Chinach (zwłaszcza w prowincjach Wewnętrzna Mongolia i Shandong), ale znaczące zasoby ma Brazylia, Wietnam, Malezja, Indie i Stany Zjednoczone (głównie w Kalifornii). Europa, mimo swojej pozycji technologicznej, praktycznie nie wydobywa pierwiastków ziem rzadkich – jej zasoby były wyczerpane lub nigdy nie były masowo eksplorowane. Dziś Europa importuje prawie 100% swoich potrzeb, głównie z Chin, co czyni ją niebezpiecznie zależną od geopolityki surowcowej.

Wydobycie pierwiastków ziem rzadkich jest operacją wywołującą kompleks zagrożeń. Po wymyciu rudy w kwasie siarkowym lub azotowym wydziela się pierwiastki w postaci roztworów, które następnie poddaje się ekstrakcji rozpuszczalnikowej. Problem: procesy te generują radioaktywną wodę (ponieważ złoża monacytu zawierają tor i uran), toksyczne fluorki oraz ogromne ilości kwasów. Odpad może trafiać do gruntu i wód gruntowych, co w Chinach doprowadziło do nieodwracalnych zniszczeń ekosystemów górniczych.

Dodatkowo, separacja poszczególnych pierwiastków ziem rzadkich ze złożonej mieszaniny jest procesem iteracyjnym, wymagającym wielokrotnej ekstrakcji i re-ekstrakcji. To bardzo energochłonne i drogie. Koszt wydobycia jednej tony neodymu może wynieść 30–50 tys. dolarów, zaś cena na rynku w ostatnich latach oscylowała między 25–100 tys. dolarów za tonę – margines nie zawsze na korzyść producenta.

Chiny, rozumiejąc znaczenie tego procesu, zdecydowały się zintegrować całą produkcję – od wydobycia surowego do rafinacji i produkcji gotowych magnesów. Ta integracja dała im możliwość kontrolowania cen i ilości dostaw na rynku. W 2010 roku, reagując na rosnące zapotrzebowanie krajowe, Chiny ograniczyły eksport o 35%. Ten ruch wywołał globalny szok – ceny pierwiastków ziemi wzrosły czterokrotnie, co zmusiło przemysł na całym świecie do poszukiwania alternatyw.

Współczesne zastosowania pierwiastków ziem rzadkich są wszechobecne, lecz niewidoczne dla konsumenta:

Technologia konsumencka: Smartfony, tablety, laptopy, słuchawki – zawierają po kilka–kilkanaście gramów pierwiastków ziem rzadkich (głównie neodym w wibracjach, lantany w soczewkach aparatów). Dyski twarde, magnesy, soczewki – niemal każdy sprzęt elektroniczny zawiera je w jakiejś formie.

Energetyka odnawiana: Turbiny wiatrowe – każda turbina o mocy 2–3 MW zawiera około 200–600 kilogramów magnesów neodymowych z domieszką dysprozu. Szacuje się, że transformacja energetyczna świata (osiągnięcie neutralności węglowej do 2050 r.) będzie wymagać dziesięciokrotnego wzrostu produkcji turbin wiatrowych – a to oznacza ogromny wzrost zapotrzebowania na neodym.

Motoryzacja: Silniki elektryczne samochodów EV wymagają magnesów neodymowych. Obecnie (2024) świat produkuje około 14 milionów samochodów elektrycznych rocznie – trend rosnący.

Medycyna: Gadolin w kontrastach MRI, europ w systemach diagnostycznych, lantan w implantach medycznych.

Obronność i lotnictwo: Magnesy neodymowe w systemach naprowadzania, dysproz w systemach radarowych, lantan w laserach wojskowych.

Petrochemia i katalizatory: Cer jako katalizator w rafineriach ropy, konwertorach katalitycznych samochodów.

Zapotrzebowanie na pierwiastkami ziem rzadkich do 2050 roku ma wzrosnąć co najmniej kilkunastokrotnie. Problem: zdolności produkcyjne nie rosną w tym tempie.

Turbina wiatrowa typu direct-drive wykorzystująca magnesy neodymowe
Turbina wiatrowa typu direct-drive – nowoczesna konstrukcja bez przekładni, w której zastosowanie magnesów neodymowych zapewnia wysoką sprawność i niezawodność, szczególnie w energetyce wiatrowej offshore.
Wizualizacja AI / faleinspiracji.pl / CC BY 4.0

Kontrola nad pierwiastkami ziemi jest grą geopolityczną. Chiny, udzielając dostępu, otrzymały ogromną władzę w globalnych łańcuchach dostaw. Gdy wprowadzą embargo (jak w 2010), całe sektory mogą stanąć w miejscu. Stany Zjednoczone, Unia Europejska i inne kraje zaczynają wdrażać strategie dywersyfikacji: inwestowanie w wydobycie w USA (Mountain Pass w Kalifornii) i Australii (Lynas Rare Earths), budowa rafinerii w Europie (Puławy, Polska), a także masywny nacisk na recykling i zastępowanie alternatywami.

Polska, dzięki porozumieniu między Grupą Azoty a kanadyjską spółką Mkango Resources, szykuje się do budowy rafinerii pierwiastków ziem rzadkich w Puławach – projektu zaplanowanego na 2027–2028 rok. To symbol: Europa chce być niezależna od Chin nie tylko technologicznie, ale i surowcowo. Komisja Europejska umieściła to przedsięwzięcie na liście 47 projektów strategicznych mających zwiększyć suwerenność surowcową UE.

Obecnym wyzwaniem jest fakt, że pierwiastkami ziem rzadkich trafiają głównie do szybko wycofywanych z użytku urządzeń: smartfony, laptopy, akumulatory. Recykling tych zasobów mogłby zmniejszyć presję na nowe wydobycie – jednak obecne uregulowania wymagają wysiłków. Polscy naukowcy z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie opracowali innowacyjną metodę odzysku pierwiastków ziem rzadkich z baterii, wykorzystując biodegradowalne rozpuszczalniki zamiast żrących kwasów. To przełom – tanie, ekologiczne, i pozwalające na odzyskanie lantanu, ceru, neodymu, niklu i cynku z elektronicznych śmieci.

Analitycy szacują, że do 2050 roku recykling mógłby dostarczać 25–40% globalnego zapotrzebowania na pierwiastkami ziem rzadkich. Ale to wymaga inwestycji w infrastrukturę i edukacji konsumentów – żeby stary smartfon trafiał do recyklerów, a nie na wysypisko.

Niezbędne są również badania nad substytucją – zmniejszaniem udziału pierwiastków ziem rzadkich w produktach bez utraty wydajności. Naukowcy pracują nad magnesami bez dysprozu, nad alternatywnymi materiałami do optyki i katalizatorów. Niemniej jednak, zielona transformacja energetyczna świata jest bez nich, jak na razie, niemożliwa.

To paradoks epoki: aby uratować planetę przed zmianą klimatu, musimy wydobywać więcej rarytasów z jej wnętrza. Szkoła odpowiedzi leży w recyklingu, innowacji i geopolitycznej dywersyfikacji. Pierwiastki ziem rzadkich nie są już sekretem wczorajszego dnia. Są obowiązkiem dnia jutrzejszego.

Literatura i źródła