La crisis de las tierras raras

En el borde este del desierto de Mojave, a una hora en automóvil al suroeste de Las Vegas en Mountain Pass, California, se encuentra un depósito de cerio, neodimio y otros metales de 1.400 millones de años que es la fuente más rica de elementos de tierras raras. en los Estados Unidos. Junto a las colinas pobladas de cactus, árboles de Joshua y tortugas errantes, se encuentra un vasto vertedero de rocas blancas y bronceadas que se construyó durante más de 50 años de producción en una mina a cielo abierto de 50 acres aquí. La mina fue una vez el mayor productor mundial de estos metales, que son cruciales para productos tan diversos como discos duros de computadora, bombillas fluorescentes compactas y los imanes utilizados en los motores de los vehículos eléctricos. Y el sitio todavía tiene suficientes para extraer durante al menos otros 30 años. Pero en 2002 se cerró debido a graves problemas ambientales y al surgimiento de productores chinos que suministraban los metales a menor costo. La mina estuvo inactiva durante una década.

Poderoso mío: Esta mina de 50 acres en el extremo este del desierto de Mojave de California fue una vez el principal proveedor mundial de metales de tierras raras. El agua se acumuló en el fondo de la mina mientras estaba inactiva después de haber sido cerrada hace una década.

Con la demanda mundial de materiales en explosión, el propietario del sitio, Molycorp Minerals, reinició la explotación minera en Mountain Pass en diciembre pasado. Ahora es el único productor de metales de tierras raras del hemisferio occidental y uno de los pocos fuera de China, que actualmente produce el 95 por ciento del suministro mundial. En septiembre pasado, después de que China dejó de exportar los materiales a Japón durante dos meses, los países de todo el mundo comenzaron a luchar para asegurarse sus propias fuentes. Pero incluso sin las restricciones chinas y con la reactivación de la mina de California, los suministros mundiales de algunas tierras raras pronto podrían quedar por debajo de la demanda. De particular preocupación son el neodimio y el disprosio, que se utilizan para fabricar imanes que ayudan a generar par en los motores de automóviles eléctricos e híbridos y convertir el par en electricidad en grandes turbinas eólicas. En un informe publicado en diciembre pasado, el Departamento de Energía de EE. UU. Estimó que el uso generalizado de vehículos de propulsión eléctrica y parques eólicos marinos podría causar escasez de estos metales para 2015.

Esta historia fue parte de nuestro número de mayo de 2011

• Ver el resto del número
• Suscribir

Lo que sucedería entonces es una incógnita. No existen alternativas prácticas a estos metales en muchas aplicaciones críticas que requieren imanes permanentes fuertes, materiales que retienen un campo magnético sin la necesidad de una fuente de energía para inducir el magnetismo al pasar una corriente eléctrica a través de ellos. La mayoría de los imanes de uso diario, incluidos los que tienen notas en el refrigerador, son imanes permanentes. Pero no son muy fuertes, mientras que los hechos de tierras raras lo son tremendamente. Las aleaciones de neodimio con hierro y boro son de cuatro a cinco veces más fuertes en peso que los imanes permanentes hechos de cualquier otro material. Esa es una de las razones por las que los imanes de tierras raras se encuentran en casi todos los automóviles híbridos y eléctricos en la carretera. El motor del Prius de Toyota, por ejemplo, usa alrededor de un kilogramo de tierras raras. Las turbinas eólicas marinas pueden requerir cientos de kilogramos cada una.

La nueva actividad minera, no solo en Mountain Pass sino también en Australia y en otros lugares, aumentará la oferta, pero no lo suficiente para satisfacer la demanda de ciertos metales críticos, en particular el disprosio, en los próximos años. Y la capacidad limitada de las nuevas operaciones mineras no es el único problema. Debido a que las tierras raras son excelentes imanes, los investigadores han hecho poco esfuerzo desde principios de la década de 1980 para mejorarlos o desarrollar otros materiales que podrían hacer el trabajo. Pocos científicos e ingenieros fuera de China trabajan en metales de tierras raras y alternativas a los imanes. Inventar sustitutos y convertirlos en motores llevará años, primero para desarrollar la experiencia científica y luego para construir una infraestructura de fabricación. Estados Unidos perdió experiencia cuando sus minas cerraron y la fabricación de imanes se trasladó a Asia para estar cerca de minas operativas y mano de obra menos costosa, dice George Hadjipanayis, presidente de física y astronomía de la Universidad de Delaware. Como resultado, había pocos incentivos para que los investigadores o las empresas trabajaran en imanes. Ahora, dice, no hay mucha financiación ni industria alrededor.

Reconstrucción: El equipo de procesamiento en la mina de Molycorp Minerals en California, que se muestra aquí en diciembre de 2010, se está reconstruyendo actualmente. El equipo que se muestra incluye maquinaria utilizada para triturar y disolver rocas de la mina y extraer y secar óxidos de tierras raras.

Renacido

Los metales de tierras raras, a pesar del nombre, son relativamente abundantes en la corteza terrestre. Las 16 tierras raras de origen natural se encuentran generalmente mezcladas en depósitos que a menudo también contienen elementos radiactivos, y la separación de los metales requiere procesos costosos que producen una mezcla de contaminantes tóxicos. Sabemos cuál es la concentración [total] de tierras raras en todas las áreas del depósito, dice el gerente de la mina de Molycorp, Rocky Smith, de pie en uno de los niveles excavados en el pozo de 800 pies de profundidad y señalando una roca cargada de minerales; está teñido de malva con bastnäsite, un mineral que contiene una mezcla de tierras raras. Pero saber dónde están las tierras raras en todo el sitio y sacar los metales individuales del mineral son dos cosas diferentes.

El primer paso para extraer óxidos de tierras raras de la roca circundante es triturar las rocas y molerlas hasta obtener un polvo fino. Este pasa a través de una serie de tanques, donde los elementos de tierras raras flotan hacia la parte superior. Los minerales no deseados se hunden hasta el fondo y este material de desecho peligroso, llamado relaves, se envía a los estanques para su almacenamiento. Mientras tanto, el concentrado resultante de metales de tierras raras se tuesta en hornos y luego se disuelve en ácido. Se elimina la fracción del lodo resultante que contiene tierras raras, en forma de óxidos metálicos mixtos. Finalmente, se neutraliza el solvente.

La reacción genera mucha sal: cuando la mina Mountain Pass estaba funcionando a plena capacidad en la década de 1990, producía hasta 850 galones de aguas residuales saladas por minuto, todos los días del año. Estos desechos también contenían torio y uranio radiactivos, que se acumulaban como escamas dentro de la tubería que entregaba las aguas residuales a los estanques de evaporación a 11 millas de distancia. Varias veces en la década de 1990, las operaciones de limpieza destinadas a eliminar la incrustación acumulada hicieron que la tubería explotara, derramando cientos de miles de galones de desechos peligrosos en el desierto. El estado de California ordenó a Molycorp, que entonces era una unidad de la petrolera Unocal, limpiar los desechos. En 2002, la compañía, que ya estaba luchando por obtener ganancias, se quedó sin espacio para almacenar sus relaves y no logró obtener un permiso para construir una nueva instalación de almacenamiento. La mina cerró.

Mineral raro: Las rocas desprendidas por las explosiones en Mountain Pass contienen el mineral de tierras raras bastnäsite.

Chevron compró Unocal en 2005, adquiriendo Molycorp y la mina Mountain Pass junto con ella. En 2008, un grupo de inversionistas privados compró la mina y formó Molycorp Minerals, que ha estado desarrollando tecnologías de procesamiento que, según dice, eliminarán la necesidad de estanques de evaporación y tuberías. En 2009, Molycorp comenzó a procesar bastnäsite almacenado para extraer el didimio, mineral mezclado de tierras raras. El verano pasado, la empresa salió a bolsa y el precio de sus acciones se ha disparado. La industria estadounidense de tierras raras renació.

Pero una visita a las instalaciones de procesamiento de Molycorp muestra que la reanudación de la minería en Mountain Pass no resolverá todos los problemas de suministro. Dentro de un pequeño almacén donde se secan y empaquetan los óxidos de tierras raras, el director ejecutivo de Molycorp, Mark Smith, mete la mano en un barril para recoger un puñado de polvo de color tostado. Es suave, como ceniza fina. Este material es óxido de didimio, una mezcla de neodimio oxidado y praesodimio, elementos muy a la izquierda en su fila en la tabla periódica. El depósito de Mountain Pass, al igual que otros depósitos de tierras raras, excepto unos pocos en el sur de China, es el más rico en estos elementos más ligeros. Están bien para el pulido de vidrio y baterías de automóviles y para imanes que funcionan a bajas temperaturas. Pero para soportar las altas temperaturas en motores y turbinas, los imanes requieren la adición de disprosio o terbio, que son tierras raras pesadas.

Otro problema es que Molycorp recién está comenzando a reconstruir la infraestructura necesaria para convertir el mineral de tierras raras en imanes. Cuando las operaciones mineras salieron de Estados Unidos, siguió toda esa infraestructura. La purificación de tierras raras ahora se realiza casi exclusivamente en China, aunque Malasia está construyendo una nueva instalación. Y la industria de los imanes ahora se basa principalmente en China y Japón. La empresa japonesa Hitachi Metals, que posee las patentes necesarias para fabricar imanes y aleaciones de tierras raras, ha llegado a un acuerdo con Molycorp para fabricarlos en Estados Unidos. Molycorp suministrará el neodimio, pero para fabricar imanes tolerantes al calor, es posible que la empresa tenga que adquirir las tierras raras pesadas adicionales de otro lugar que no sea su mina Mountain Pass, y es difícil saber dónde podría estar.

Buscando suerte

Aunque la purificación de tierras raras ya no se realiza en los Estados Unidos, fue inventada aquí por Frank Spedding, el fundador del Laboratorio Nacional Ames en Iowa. En 1949, incluso antes de que las tierras raras se utilizaran industrialmente, Spedding inventó los primeros métodos para separarlas unas de otras; la técnica surgió de su trabajo en la purificación de uranio y torio para el Proyecto Manhattan. El laboratorio de Ames sigue siendo el único centro de investigación del país con un énfasis significativo en los materiales.

Las rocas se trituran y disuelven y el lodo se separa para producir óxido de didimio, una mezcla de tierras raras ligeras oxidadas que requiere un procesamiento adicional para producir el metal de neodimio puro necesario para los imanes.

El investigador de Ames, Iver Anderson, no tiene problemas para demostrar por qué los materiales de tierras raras son tan valiosos en los imanes. Extendiendo su mano sobre su escritorio, con la palma hacia abajo, muestra que el campo producido por una pequeña pieza de un imán de neodimio roto balanceado en el dorso de su mano puede hacer que otro imán de neodimio, del tamaño de un centavo, se adhiera a su palma. Pares de imanes de neodimio mucho más grandes que éste pueden romper huesos. Anderson luego toma un imán considerablemente más pesado, hecho de aluminio, níquel, hierro y cobalto. Apenas se agarra a la punta de un sujetapapeles que cuelga.

Aunque este rendimiento es débil, las propiedades magnéticas del material son prometedoras, por lo que el grupo de Anderson está tratando de mejorarlas modificando su estructura, una mezcla de agujas de hierro y cobalto a nanoescala separadas por una matriz de níquel y aluminio. Trabajando a partir de estudios teóricos del material, Anderson espera alterar las condiciones de procesamiento para alargar las agujas y alinearlas mejor. ¿Cuánto tiempo podemos hacer las agujas? él se pregunta. ¿Qué pasaría si ponemos un enorme campo magnético en la muestra? ¿Cambiaría su espaciamiento, haría que crecieran más?

El principal atractivo del imán es que no contiene metales de tierras raras. Aún así, incluso los investigadores de Ames parecen no estar seguros de que un material como este pueda reemplazar a los imanes de tierras raras. Desde que se introdujeron los imanes de neodimio en 1983, no se ha desarrollado nada que se acerque a igualarlos. Pero, dice Anderson, puedes tener suerte.

Actualmente, Molycorp envía bolsas de óxido de didimio a clientes en Japón y otros lugares para su procesamiento.

Los investigadores también están trabajando en formas de fabricar imanes de tierras raras de manera más eficiente. Actualmente, los materiales magnéticos se calientan y comprimen para formar bloques grandes y densos que luego deben cortarse a la forma deseada. Este proceso deja montones de virutas de metal oxidado llamadas virutas, que a menudo están contaminadas con lubricantes para las hojas de corte. La viruta impura no se puede integrar en nuevos imanes, pero encontrar una manera de usarla, o formular los materiales del imán de tal manera que se puedan moldear en lugar de cortar, estiraría aún más los elementos valiosos. La gente mira bidones de 55 galones llenos de estos desechos triturados, que parecen lodo de color marrón grisáceo, y se preguntan cómo recuperar las tierras raras de todas esas virutas, dice Anderson.

Si la oferta de tierras raras no alcanza la demanda en los próximos años y no se encuentran sustitutos que se acerquen a su rendimiento, los fabricantes de automóviles híbridos y eléctricos probablemente intentarán desarrollar nuevos diseños de motores que se basen en el magnetismo inducido en lugar del permanente, dice Eric Rask. , investigador del Laboratorio Nacional Argonne. Antes de unirse a Argonne hace dos años, Rask trabajó en el sistema de tren de potencia para el Volt eléctrico de General Motors, que utiliza un imán permanente de tierras raras. Pero, dice, la razón por la que se usan los motores de imán permanente es que su eficiencia casi siempre es mayor en el rango en el que se usan mucho; por lo general, puede obtener más torque para un suministro de corriente dado.

Pocos expertos expresan optimismo de que habrá suficientes materiales de tierras raras para sostener un crecimiento significativo de las tecnologías de energía limpia como los automóviles eléctricos y la energía eólica, que necesitan todas las ventajas posibles de costo y eficiencia para competir. La escritura ya está en la pared, dice Patrick Taylor, director del Instituto Kroll de Metalurgia Extractiva de la Escuela de Minas de Colorado. Quiere desarrollar esta gran nueva economía energética, pero hay una oferta limitada y una demanda en constante aumento. Cuando se le preguntó cómo China ganó su ventaja sobre el resto del mundo, Taylor señala que la mayor parte de la experiencia y la industria necesarias comenzaron a trasladarse a ese país hace casi dos décadas. En ese entonces, agrega, nadie estaba prestando atención.

Katherine Bourzac es Revisión de tecnología Editor de ciencia de materiales.

esconder