Retzemju krīze

Mohave tuksneša austrumu malā, stundas brauciena attālumā uz dienvidrietumiem no Lasvegasas Mountain Pass, Kalifornijā, atrodas 1,4 miljardus gadu veca cērija, neodīma un citu metālu atradne, kas ir bagātākais retzemju elementu avots. Amerikas Savienotajās Valstīs. Blakus pakalniem, ko apdzīvo kaktusi, Džošua koki un klejojoši bruņurupuči, atrodas milzīga dzeltenbrūnu un baltu akmeņu atkritumu izgāztuve, kas tika uzcelta vairāk nekā 50 ražošanas gadu laikā 50 akru lielās atklātās raktuvēs. Raktuves kādreiz bija pasaulē lielākais šo metālu ražotājs, kas ir būtiski tādiem dažādiem produktiem kā datoru cietie diski, kompaktās dienasgaismas spuldzes un magnēti, ko izmanto elektrisko transportlīdzekļu motoros. Un vietne joprojām glabā pietiekami daudz to, lai raktu vēl vismaz 30 gadus. Taču 2002. gadā tas tika slēgts nopietnu vides problēmu un Ķīnas ražotāju parādīšanās dēļ, kas piegādāja metālus par zemākām izmaksām. Raktuves nosēdēja dīkstāvē desmit gadus.

Varenā mana: Šīs 50 akrus lielās raktuves Kalifornijas Mohaves tuksneša austrumu malā kādreiz bija pasaulē vadošais retzemju metālu piegādātājs. Ūdens sakrājās raktuves apakšā, kamēr tā atradās dīkstāvē pēc slēgšanas pirms desmit gadiem.

Pasaulē pieaugot pieprasījumam pēc materiāliem, vietnes īpašnieks Molycorp Minerals pagājušā gada decembrī atsāka ieguvi Mountain Pass. Tagad tas ir vienīgais retzemju metālu ražotājs Rietumu puslodē un viens no nedaudzajiem ārpus Ķīnas, kas pašlaik ražo 95 procentus no pasaules piegādes. Pagājušā gada septembrī, pēc tam, kad Ķīna uz diviem mēnešiem pārtrauca materiālu eksportu uz Japānu, valstis visā pasaulē sāka cīņu, lai nodrošinātu savus avotus. Taču pat bez Ķīnas ierobežojumiem un Kalifornijas raktuvju atdzimšanas dēļ dažu retzemju metālu piegādes visā pasaulē drīz varētu atpalikt no pieprasījuma. Īpašas bažas rada neodīms un disprozijs, ko izmanto, lai izgatavotu magnētus, kas palīdz radīt griezes momentu elektrisko un hibrīdautomobiļu motoros un pārvērš griezes momentu elektroenerģijā lielās vēja turbīnās. Pagājušā gada decembrī publicētajā ziņojumā ASV Enerģētikas departaments lēsa, ka plaši izplatīta elektropiedziņas transportlīdzekļu un jūras vēja parku izmantošana varētu izraisīt šo metālu deficītu līdz 2015. gadam.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2011. gada maija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Kas tad notiks, to var minēt. Šiem metāliem nav praktisku alternatīvu daudzos kritiskos lietojumos, kur nepieciešami spēcīgi pastāvīgie magnēti — materiāli, kas saglabā magnētisko lauku bez nepieciešamības pēc strāvas avota, lai izraisītu magnētismu, laižot caur tiem elektrisko strāvu. Lielākā daļa ikdienas magnētu, tostarp tie, kas satur piezīmes uz ledusskapja, ir pastāvīgie magnēti. Bet tie nav ļoti spēcīgi, savukārt tie, kas izgatavoti no retzemju metāliem, ir ārkārtīgi tādi. Neodīma sakausējumi ar dzelzi un boru ir četras līdz piecas reizes spēcīgāki pēc svara nekā pastāvīgie magnēti, kas izgatavoti no jebkura cita materiāla. Tas ir viens no iemesliem, kāpēc retzemju magnēti ir sastopami gandrīz katrā uz ceļa esošajos hibrīdautomobiļos un elektriskajos automobiļos. Piemēram, Toyota Prius motors izmanto aptuveni kilogramu retzemju metālu. Jūras vēja turbīnām katrai var būt nepieciešami simtiem kilogramu.

Jaunas ieguves aktivitātes ne tikai Mountain Pass, bet arī Austrālijā un citur palielinās piegādes, bet ne pietiekami, lai nākamajos gados apmierinātu pieprasījumu pēc noteiktiem kritiskiem metāliem, īpaši disprozija. Un jauno ieguves darbību ierobežotā jauda nav vienīgā problēma. Tā kā retzemju metāli veido tik izcilus magnētus, pētnieki kopš 80. gadu sākuma ir pielikuši maz pūļu, lai tos uzlabotu vai izstrādātu citus materiālus, kas varētu veikt šo darbu. Tikai daži zinātnieki un inženieri ārpus Ķīnas strādā pie retzemju metālu un magnētu alternatīvām. Aizstājēju izgudrošana un ieviešana motoros prasīs vairākus gadus, vispirms, lai attīstītu zinātnisko pieredzi un pēc tam izveidotu ražošanas infrastruktūru. ASV zaudēja zināšanas, kad tās raktuves tika slēgtas un magnētu ražošana tika pārcelta uz Āziju, lai būtu tuvu esošajām raktuvēm un lētākam darbaspēkam, saka Džordžs Hadžipanejs, Delavēras Universitātes fizikas un astronomijas katedra. Tā rezultātā pētniekiem vai uzņēmumiem bija maz stimulu strādāt pie magnētiem. Tagad viņš saka, ka nav daudz finansējuma un nav arī nozares.

Pārbūve: Apstrādes iekārtas Molycorp Minerals raktuvēs Kalifornijā, kuras attēlā redzamas šeit 2010. gada decembrī, pašlaik tiek pārbūvētas. Parādītajā aprīkojumā ietilpst iekārtas, ko izmanto raktuvju iežu sasmalcināšanai un izšķīdināšanai, kā arī retzemju oksīdu ekstrakcijai un žāvēšanai.

Atdzimis

Retzemju metāli, neskatoties uz nosaukumu, Zemes garozā ir salīdzinoši daudz. 16 dabā sastopamās retzemju metāli parasti tiek atrasti sajaukti kopā nogulumos, kas bieži satur arī radioaktīvos elementus, un metālu atdalīšanai ir nepieciešami dārgi procesi, kas rada toksisku piesārņotāju. Mēs zinām, kāda [kopējā] retzemju metālu koncentrācija ir visos atradnes apgabalos, saka Molycorp raktuvju vadītājs Rokijs Smits, stāvot uz viena no 800 pēdu dziļajā bedrē izgrebtajiem līmeņiem un norādot uz rūdas noslogotu akmeni; tas ir purpursarkanā nokrāsā ar bastnäsītu, minerālu, kas satur retzemju metālu maisījumu. Taču zināt, kur visā vietā atrodas retzemju metāli, un iegūt atsevišķus metālus no rūdas, ir divas dažādas lietas.

Pirmais solis retzemju oksīdu iegūšanai no apkārtējiem akmeņiem ir akmeņu sasmalcināšana un sasmalcināšana smalkā pulverī. Tas tiek izvadīts caur vairākām tvertnēm, kur retzemju elementi peld uz augšu. Nevēlamie minerāli nogrimst apakšā, un šie bīstamie atkritumi, ko sauc par atkritumiem, tiek nosūtīti uz dīķiem uzglabāšanai. Tikmēr iegūtais retzemju metālu koncentrāts tiek apgrauzdēts krāsnīs un pēc tam izšķīdināts skābē. Iegūtā dubļu daļa, kas satur retzemju metālus jauktu metālu oksīdu veidā, tiek noņemta. Visbeidzot, šķīdinātājs tiek neitralizēts.

Reakcija rada daudz sāls: kad kalnu pārejas raktuves darbojās ar pilnu jaudu 1990. gados, katru minūti, katru gada dienu, tā radīja pat 850 galonus sāļu notekūdeņu. Šajos atkritumos bija arī radioaktīvais torijs un urāns, kas kā katlakmens savācās caurulē, kas notekūdeņus nogādāja iztvaikošanas dīķos 11 jūdžu attālumā. Vairākas reizes 1990. gados tīrīšanas darbības, kuru mērķis bija likvidēt nogulsnes, izraisīja cauruļvada pārrāvumu, izlejot simtiem tūkstošu galonu bīstamo atkritumu tuksnesī. Kalifornijas štats lika Molycorp, kas tolaik bija naftas kompānijas Unocal struktūrvienība, sakopt atkritumus. 2002. gadā uzņēmumam, jau tā cīnoties ar peļņas gūšanu, pietrūka vietas atkritumu glabāšanai un nesaņēma atļauju jaunas krātuves būvniecībai. Raktuves tika slēgtas.

Reta rūda: Kalnu pārejas sprādzienu izspiestajos akmeņos ir retzemju minerāls bastnäsīts.

Chevron iegādājās Unocal 2005. gadā, kopā ar to iegādājoties Molycorp un Mountain Pass raktuves. 2008. gadā privāto investoru grupa nopirka raktuvi un izveidoja uzņēmumu Molycorp Minerals, kas izstrādā apstrādes tehnoloģijas, kas, pēc tās domām, novērsīs nepieciešamību pēc iztvaikošanas dīķiem un cauruļvadiem. 2009. gadā Molycorp sāka apstrādāt uzkrāto bastnäsītu, lai iegūtu jaukto retzemju minerālu didīmiju. Pagājušajā vasarā uzņēmums nonāca biržā, un tā akciju cena ir strauji pieaugusi. ASV retzemju rūpniecība atdzima.

Taču Molycorp pārstrādes rūpnīcas apmeklējums liecina, ka kalnrūpniecības atsākšana Mountain Pass neatrisinās visas piegādes problēmas. Nelielā noliktavā, kur retzemju oksīdi tiek žāvēti un iepakoti, Molycorp izpilddirektors Marks Smits iemērk roku mucā, lai savāktu sauju dzeltenbrūna pulvera. Tas ir mīksts, kā smalks pelns. Šis materiāls ir didīma oksīds, oksidēta neodīma un praezodīma maisījums, elementi, kas periodiskajā tabulā atrodas tālu pa kreisi savā rindā. Kalnu pārejas atradne, tāpat kā citas retzemju atradnes, izņemot dažas Ķīnas dienvidos, ir bagātākā ar šiem vieglākajiem elementiem. Tie ir piemēroti stikla pulēšanai un automašīnu akumulatoriem, kā arī magnētiem, kas darbojas zemā temperatūrā. Bet, lai izturētu motoru un turbīnu augsto temperatūru, magnētiem ir jāpievieno disprozijs vai terbijs, kas ir smagi retzemju metāli.

Vēl viena problēma ir tā, ka Molycorp tikai sāk atjaunot infrastruktūru, kas nepieciešama, lai retzemju rūdu pārvērstu magnētos. Kad ieguves operācijas atstāja ASV, sekoja visa šī infrastruktūra. Retzemju metālu attīrīšana tagad tiek veikta gandrīz tikai Ķīnā, lai gan Malaizija būvē jaunu iekārtu. Un magnētu rūpniecība tagad galvenokārt atrodas Ķīnā un Japānā. Japānas kompānija Hitachi Metals, kurai pieder retzemju sakausējumu un magnētu izgatavošanai nepieciešamie patenti, ir noslēgusi līgumu ar Molycorp par to izgatavošanu ASV. Molycorp piegādās neodīmu, taču, lai izgatavotu karstumizturīgus magnētus, uzņēmumam, iespējams, nāksies iegādāties papildu smagos retzemju metālus no kaut kur citur, nevis no kalnu pārejas raktuves, un ir grūti zināt, kur tas varētu būt.

Meklējam veiksmi

Lai gan Amerikas Savienotajās Valstīs retzemju attīrīšana vairs netiek veikta, to šeit izgudroja Frenks Spedings, Eimsas Nacionālās laboratorijas dibinātājs Aiovas štatā. 1949. gadā, pat pirms retzemju metālu izmantošanas rūpnieciski, Spedings izgudroja pirmās metodes to atdalīšanai vienu no otras; šī tehnika izauga no viņa darba pie urāna un torija attīrīšanas Manhetenas projektam. Eimsa laboratorija joprojām ir vienīgais pētniecības centrs valstī, kurā ievērojams uzsvars tiek likts uz materiāliem.

Ieži tiek sasmalcināti un izšķīdināti, un dubļi tiek atdalīti, lai iegūtu didīma oksīdu — ​​oksidētu vieglo retzemju metālu maisījumu, kam nepieciešama turpmāka apstrāde, lai iegūtu magnētiem nepieciešamo tīru neodīma metālu.

Eimsa pētniekam Iveram Andersonam nav grūti pierādīt, kāpēc retzemju materiāli magnētos ir tik vērtīgi. Izstiepjot roku pār rakstāmgaldu ar plaukstu uz leju, viņš parāda, ka lauks, ko rada niecīgs salauzta neodīma magnēta gabaliņš, kas līdzsvarots viņa plaukstas aizmugurē, var likt pie viņa plaukstas pielipt citam neodīma magnētam, kura izmērs ir penss. Neodīma magnētu pāri, kas ir daudz lielāki par šo, var salauzt kaulus. Pēc tam Andersons paņem ievērojami smagāku magnētu, kas izgatavots no alumīnija, niķeļa, dzelzs un kobalta. Tas tik tikko turas pie nokarenas saspraudes gala.

Lai arī šī veiktspēja ir vāja, materiāla magnētiskās īpašības uzrāda zināmas cerības, tāpēc Andersona grupa cenšas tās uzlabot, izdomājot tā struktūru, nanomēroga dzelzs un kobalta adatu maisījumu, ko atdala niķeļa un alumīnija matrica. Strādājot no materiāla teorētiskajiem pētījumiem, Andersons cer mainīt apstrādes apstākļus, lai adatas kļūtu garākas un labāk izlīdzinātu. Cik ilgi mēs varam izgatavot adatas? viņš brīnās. Ko darīt, ja mēs paraugam uzliktu milzīgu magnētisko lauku — vai tas mainītu to atstatumu, padarītu tos garākus?

Magnēta galvenā pievilcība ir tā, ka tajā nav retzemju metālu. Tomēr pat Eimsa pētnieki nav pārliecināti, vai šāds materiāls kādreiz varētu aizstāt retzemju magnētus. Kopš 1983. gada, kad tika ieviesti neodīma magnēti, nav izstrādāts nekas tāds, kas būtu tuvu tiem. Bet, saka Andersons, jums var laimēties.

Šodien Molycorp piegādā didīma oksīda maisiņus klientiem Japānā un citur pārstrādei.

Pētnieki arī strādā pie veidiem, kā efektīvāk ražot retzemju magnētus. Pašlaik magnētiskie materiāli tiek karsēti un saspiesti, veidojot lielus, blīvus blokus, kas pēc tam jāsagriež vēlamajā formā. Šis process atstāj aiz sevis oksidētu metāla skaidu kaudzes, ko sauc par skaidām, kuras bieži ir piesārņotas ar griešanas asmeņu smērvielām. Netīro šķembu nevar integrēt jaunos magnētos, taču, meklējot veidu, kā to izmantot, vai formulējot magnētu materiālus tā, lai tos varētu veidot, nevis griezt, vērtīgie elementi tiktu izstiepti vēl vairāk. Cilvēki skatās uz 55 galonu tilpuma mucas, kas ir pilnas ar šiem slīpēšanas atkritumiem, kas izskatās pēc pelēcīgi brūniem dubļiem, un domā, kā no visa šī šķembu atgūt retzemju metālus, saka Andersons.

Ja retzemju metālu piedāvājums nākamajos gados nesasniegs pieprasījumu un netiks atrasti aizstājēji, kas tuvinātu to veiktspēju, hibrīdauto un elektrisko automašīnu ražotāji, iespējams, mēģinās izstrādāt jaunus motoru dizainus, kas balstās uz inducētu, nevis pastāvīgu magnētismu, saka Ēriks Rasks. , Argonnes Nacionālās laboratorijas pētnieks. Pirms pievienošanās Argonne pirms diviem gadiem Rasks strādāja pie General Motors elektriskā volta spēka piedziņas sistēmas, kas izmanto retzemju pastāvīgo magnētu. Bet viņš saka, ka pastāvīgo magnētu motoru izmantošanas iemesls ir tas, ka to efektivitāte gandrīz vienmēr ir augstāka diapazonā, kurā to bieži lietojat — parasti jūs varat iegūt lielāku griezes momentu noteiktai strāvas padevei.

Tikai daži eksperti pauž optimismu, ka būs pietiekami daudz retzemju materiālu, lai uzturētu nozīmīgu tīrās enerģijas tehnoloģiju, piemēram, elektromobiļu un vēja enerģijas, izaugsmi, kurām ir vajadzīgas visas iespējamās izmaksu un efektivitātes priekšrocības, lai konkurētu. Raksts jau ir uz sienas, saka Patriks Teilors, Kolorādo kalnrūpniecības skolas Kroll ieguves metalurģijas institūta direktors. Jūs vēlaties attīstīt šo lielo jauno enerģijas ekonomiku, taču ir ierobežots piedāvājums un arvien pieaugošs pieprasījums. Vaicāts, kā Ķīna ieguva priekšrocības pār pārējo pasauli, Teilors norāda, ka lielākā daļa nepieciešamo zināšanu un rūpniecības sāka pārvietoties uz šo valsti gandrīz pirms divām desmitgadēm. Viņš piebilst, ka toreiz neviens pat nepievērsa uzmanību.

Ketrīna Burzaka ir Tehnoloģiju apskats materiālzinātnes redaktors.

paslēpties