Основа технологій: чому рідкісноземельні метали такі цінні, важливі та де використовуються

Нещодавно президент США Дональд Трамп повідомив, що Штати хотіли б отримати від України рідкоземельні метали в обмін на допомогу у війні проти РФ. Ці ресурси вкрай важливі для технологічного сектора і, особливо, для виробництва електроніки. Фокус з'ясував, які саме рідкоземельні елементи (РЗЕ) уможливлюють існування мобільної та побутової техніки, а також електроніки військового класу.

У чому важливість рідкоземельних металів

Рідкоземельні елементи (РЗЕ) — це невелике сімейство металів, які відіграють важливу роль у виробництві безлічі сучасних пристроїв. Їхні унікальні магнітні, електрохімічні та люмінесцентні властивості дають змогу функціонувати смартфонам, жорстким дискам, електромобілям, різним системам оборони та видам "розумної" зброї, системам чистої енергії та медичному обладнанню, пише escatec.com.

Нині більша частина виробництва РЗЕ зосереджена всього в Китаї, причому ця країна є найбільшим виробником, оскільки на її частку припадає близько 38% світових запасів. На частку В'єтнаму і Бразилії — по 18,1%. Ще 10,4% залишаються за РФ, 6% — за Індією, 3,5% — за Австралією і тільки 1,3% — за США. Як ідеться в матеріалі OilPrice: "жодна інша держава не має понад 1% запасів цих металів".

У міру виникнення і розвитку нових технологій, попит на рідкоземельні метали буде тільки зростати. Дослідження, проведене в 2017 році Пекінським університетом науки і технологій, показало, що до 2030 року світовий попит на РЗЕ може досягти 51,9 тис. метричних тонн. У дослідженні прогнозується, що ресурсів для підтримки світового виробництва РЗЕ нинішніми темпами може вистачити тільки на сто років.

Ба більше, ці матеріали стають центром уваги в загостреній торговельній війні між США і Китаєм, повідомляє earthsky.org. Оскільки попит на рідкоземельні елементи неухильно зростає з середини 20 століття, і немає жодних реальних альтернативних, які могли б їх замінити. Наскільки б не були важливими РЗЕ для сучасних технологій, і наскільки б не було складно їх видобувати і використовувати, "санкційна битва" може поставити США в дуже погане становище, вважають автори.

Що таке рідкоземельні елементи

Згідно з даними Вікіпедії, існує 17 рідкоземельних елементів, 15 з яких входять до так званого ряду лантаноїдів, складаючи атомні номери від 57 до 71 послідовно в періодичній таблиці.

Кілька РЗЕ і сфери їх застосування:

• Церій — найпоширеніший з рідкоземельних елементів, використовується в магнітах, електродах і вугільно-дуговому освітленні, як каталізатор у каталітичних перетворювачах і для точного полірування скла.
• Неодим — м'який сріблястий метал, що використовується для створення сильних постійних магнітів для комп'ютерних дисків, мікрофонів і навушників, а також у виробництві потужних інфрачервоних лазерів.
• Диспрозій — один із найсильніших магнітних елементів, що використовуються у виробництві електроніки, комп'ютерних дисків, лазерів, комерційного освітлення та електротранспорту.
• Тербій — м'який сріблястий метал, який використовують як добавку в рідкоземельні магніти, у деяких електронних пристроях і в гідролокаційних системах.
• Гольмій — рідкісноземельний елемент із потужними магнітними властивостями, що використовується в мікрохвильовому обладнанні та стрижнях управління ядерною енергетикою.
• Лантан — високореактивний рідкісноземельний елемент, що використовується у виробництві лінз телескопів та інфрачервоного поглинаючого скла.
• Скандій — використовується у виробництві популярних споживчих товарів, таких як телевізори та енергоощадні лампи.
• Ітрій — сріблястий метал, який міститься в надпровідниках, лазерах і хірургічному приладді.
• Прометій — використовується в кардіостимуляторах і керованих ракетах.
• Самарій — використовується в мікрохвильових пристроях і магнітах.
• Тулій — використовується в лазерних установках.
• Кобальт — використовується в суперсплавах, реактивних турбінах і акумуляторних батареях.
• Літій — зазвичай використовується в акумуляторах.
• Тантал — використовується в конденсаторах, резисторах та іншому електронному обладнанні.
• Індій — часто використовується в РК-екранах.
• Галій — використовується в інтегральних схемах, світлодіодах і напівпровідниках.
• Селен — використовується у фотоелементах і випрямлячах.
• Цирконій — використовується на атомних електростанціях.

Що робить рідкоземельний елемент "рідкісним"

Термін "рідкісний" насправді трохи неточний, оскільки РЗЕ насправді існують у достатку. Навіть найрідкісніший із РЗЕ (тулій) у 125 разів частіше зустрічається в земній корі, ніж золото, а найпоширеніший РЗЕ (церій) — у 15 000 разів.

Основна відмінність, однак, полягає в тому, що РЗЕ не трапляються у твердих скупченнях або пластах, — натомість вони нерівномірно розподілені по земній корі, що робить їх видобуток набагато складнішим, ніж видобуток інших металів. Рідкоземельні елементи часто зустрічаються в магматичних породах, які називаються карбонатитами. Є кілька регіонів, у яких багато рідкісноземельних елементів — і вони в основному знаходяться в Китаї, який виробляє їх у кількості 130 000 метричних тонн. А в США, наприклад, є територія, що містить відносно велику кількість рідкоземельних елементів, але останнє їхнє джерело, кар'єр Mountain Pass у Каліфорнії, закрився 2015 року, пише earthsky.org.

З хімічної точки зору також складніше відокремити один РЗЕ від іншого, щоб отримати чисту речовину. Коротше кажучи, РЗЕ дорогі у виробництві. Наприклад, рідкоземельний метал європій, який використовується для створення комп'ютерних моніторів і плазмових телевізорів, продається за ціною близько 723 000 доларів за тонну, і ціна неухильно зростає. У 2018 році вартість оксиду неодиму з атомним номером 60 становила 107 000 доларів за метричну тонну, а до 2025 року ціна зросла до 150 000 доларів.

Які РЗЕ є в Україні

В Україні, згідно з Вікіпедією, розташовані родовища:

• літію,
• урану,
• титану,
• ванадію,
• цирконію,
• ніобію,
• кадмію,
• танталу,
• галію,
• церію,
• індію,
• селену,
• берилію,
• ітрію,
• телуру,
• скандію,
• германію,
• гафнію.

Загалом родовищ налічується близько 20 000, за словами політолога Олега Постернака, проте 70% розташовані в тимчасово окупованих областях: Донецькій, Луганській, а також у Дніпропетровській.

Утилізація та повторне використання РЗЕ

Попит на РЗЕ зростає, але вони також є обмеженим ресурсом, і наразі немає життєздатних альтернативних методів їхньої заміни. Одним із можливих рішень є їх утилізація та повторне використання.

Rare Earth Industry Association (REIA) підрахувала, що наразі переробляється менше ніж 1% рідкоземельних металів у світі, а більшість їх опиняється на сміттєзвалищі. Але вчені сподіваються змінити це. Наприклад, консорціум Sustainable Recovery, Reprocessing and Reuse of Rare-Earth Magnets (SUSMAGPRO) отримав фінансування в розмірі 12,98 млн фунтів стерлінгів за програмою ЄС Horizon 2020 року, з яких 4,35 млн фунтів стерлінгів спрямовані на дослідження Бірмінгемським університетом, пише resource.co. Вчені повинні будуть знайти спосіб вилучення і повторного використання рідкоземельних металів з рідкоземельних магнітів.

Рідкоземельні магніти — потужні постійні магніти, які використовуються практично скрізь, де для створення руху використовується електрика — від електромобілів і жорстких дисків до безлічі звичайних побутових приладів. Дослідники з Бірмінгемського університету впевнені в розробці нової технології, яка дасть змогу виробляти близько 20 тонн перероблених рідкоземельних магнітів на рік. І якщо все піде добре, очікується, що новий метод значно скоротить кількість РЗЕ, які наразі відправляють на звалища, запропонує стійкіше розв'язання проблем видобутку таких металів, які постійно зростають, і забезпечить вищий рівень захисту ланцюжка поставок.