Rzadkie ziemie, wąskie gardło

O sukcesie w wojnie o klimat mogą zdecydować dwa bardzo cenne, ale rzadkie pierwiastki: dysproz i neodym. Czy wystarczy ich aby wygrać?

Globalne ocieplanie się klimatu spędza sen z powiek uczonym, politykom i ludziom wrażliwym ekologicznie. Za jedną z głównych jego przyczyn uważa się nadmierną emisję dwutlenku węgla, który unosi się nad ziemię i zmieszany z powietrzem tworzy warstwę porównywaną do ciepłej kołdry. Gaz ten jest bowiem izolatorem, który nie pozwala uciekać w kosmos ciepłu, jakim Ziemia nagrzewa się od Słońca. Za dopuszczalną normę gęstości tej kołdry, czyli globalnego ocieplenia uznaje się poziom nasycenia atmosfery dwutlenkiem węgla rzędu 450 ppm, czyli tyluż cząsteczek CO2 na milion cząsteczek wszystkich gazów atmosferycznych ogółem. Dwutlenek węgla jest efektem oddychania i końcowym produktem wielu reakcji, w tym zwłaszcza konwencjonalnego spalania. Trwają więc wysiłki, aby takie spalanie możliwie ograniczyć.

Jeśli nie liczyć szalonych wezwań do powrotu pod strzechy i do jaskiń, większość recept na ograniczanie spalania dotyczy nowych rozwiązań technologicznych, takich jak energia alternatywna (np. wiatraki) albo samochody elektryczne. I tu pojawia się mały problem, który jednak szybko nabrzmiewa: metale ziem rzadkich. Zarówno turbiny wiatrowe jak i silniki elektryczne potrzebują bardzo niewielkiej domieszki dysprozu i neodymu, dwóch pierwiastków ziem rzadkich, które dzięki niezwykłej konfiguracji elektronów krążących po orbitach ich atomów maja potężne właściwości magnetyczne i sprawiają, że także magnesy w turbinach i silnikach nawet przy niewielkich rozmiarach nabierają odpowiedniej mocy. Zastąpienie tych pierwiastków jest prawie niemożliwe. Silniki i prądnice, w których stosuje się magnesy z innych materiałów są mniej wydajne albo dużo cięższe, a najczęściej i jedno i drugie.

Na dziś jeszcze nie jest to wielkim problemem. Większość pierwiastków ziem rzadkich (ponad 80%) pochodzi z Chin, które ostatnio drastycznie a sztucznie ograniczają ich eksport, co zresztą 13 marca zostało zaskarżone przez Amerykę, Europę i Japonię w Światowej Organizacji Handlu. Surowce te szybko drożeją, co sprawia, że energicznie uruchamia się nowe kopalnie w innych częściach świata lub wznawia produkcję ze złóż starych, uznaną wcześniej za nieopłacalną. Jak na razie denerwującym jest tylko uzależnienie od kapryśnego rozmieszczenia zasobów z ogromną przewagą po chińskiej stronie, ale można uznać, że nie jest to jeszcze dla świata być albo nie być.   

Co jednak się stanie, jeśli spełni się koszmarny sen obrońców środowiska i zamiast drzew wszędzie staną wiatraki, a asfaltowo-betonową plątaninę dróg i autostrad zapełnią samochody elektryczne zamiast spalinowych? Czy wtedy wystarczy dla wszystkich dysprozu i neodymu? Pytanie takie zadało sobie troje ekspertów od inżynierii materiałowej ze słynnego amerykańskiego MIT (Massachusetts Institute of Technology). W ostatnim numerze czasopisma  Environmental Science and Technology   ukazało się ich opracowanie, będące symulacją  przyszłego zapotrzebowania na dysproz i neodym oraz analiza możliwości jego zaspokojenia. Wynika z tego, że aby sprostać technicznym założeniom redukcji CO2 w ciągu najbliższych 25 lat produkcja i dostawy neodymu muszą wzrosnąć o 700%, a dysprozu o 2600%. Obecnie ich dostawy rosną o 6% rocznie. Aby dogonić projekcje trojga badaczy z MIT potrzebny jest wzrost podaży neodymu o 8%, a dysprozu o 14% rocznie.

Nie będzie to łatwe, zwłaszcza w odniesieniu do dysprozu. Postęp generacyjny w konstrukcji silników i prądnic może zaoszczędzić tylko bardzo niewielkich ilości tych krytycznych pierwiastków, których i tak potrzeba w nich tylko tyle, co soli w zupie. O ile jednak nie nastąpi jakiś epokowy przełom, jak np. odkrycie nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej, niedostatek pierwiastków ziem rzadkich stanie się wąskim gardłem nie tylko dla kluczowych rozwiązań pro-klimatycznych, ale również wielką barierą w rozwoju innych technologii przyszłości. Jeśli już dziś nie zwiększy się wysiłków w celu wykrycia i pozyskania nowych zasobów pierwiastków ziem rzadkich, ważniejszych i cenniejszych od złota i platyny – ostrzegają autorzy opracowania – to kaprysy chińskiego kierownictwa będą wkrótce najmniejszym ze zmartwień producentów magnesów i całego łańcucha dostaw, który się od nich zaczyna.  

Bogusław Jeznach

Dodatek muzy

Cudowny głos przedwcześnie zmarłej Evy Cassidy i jej najbardziej znany utwór „Fields of Gold”