Reto metālu nākotne būs atkarīga no zelta vidusceļa atrašanas starp tehnoloģisko nepieciešamību un cieņu pret Zemes iespēju robežām.
Saturs
Mūsdienu tehnoloģijas balstās uz praktiski nezināmiem elementiem: neodīmu, disprosiju, litiju, kobalta, telūru, galliju, indiju un citiem. Tie ir “retie metāli” vai kritiski svarīgi elementi, kā arī retzemes elementi. Šo elementu pieejamība ir kļuvusi par ļoti svarīgu problēmu.
Interesanti, ka „rets” ne vienmēr nozīmē deficīts . Daudzi no tiem ir plaši izplatīti zemes garozā, bet reti sastopami koncentrācijās, kas ļautu tos iegūt. Šis apstāklis padara to ieguvi sarežģītu un bieži vien dārgu procesu, kura ietekmi uz vidi zinātniskā kopiena cenšas samazināt. Pārejot uz atjaunojamiem enerģijas avotiem, pasaules pieprasījums pēc šiem metāliem nepārtraukti pieaug, un līdz ar to pieaug arī nepieciešamība meklēt atbildīgākus veidus to ražošanai un apstrādei.
Eksperimentēšana
Tieši šeit materiālu zinātne izvirzās priekšplānā. Šī disciplīna, kas atrodas fizikas, ķīmijas un inženierzinātņu krustpunktā, pēta, kā efektīvāk iegūt šos resursus, kā arī to, kā tos aizstāt, kad to izmantošana kļūst neefektīva. Grupas no dažādām valstīm eksperimentē ar magnētiem, kam nav nepieciešami retzemju elementi, ar nātrija akumulatoriem, kas ir daudz izplatītāki nekā litija akumulatori, un ar sakausējumiem, kas spēj saglabāt darbspēju neatkarīgi no kritiski svarīgiem elementiem. Runa nav tikai par inovācijām inovāciju dēļ, bet arī par mazāk neaizsargātas un līdzsvarotākas tehnoloģiskās nākotnes veidošanu.
Tomēr runa par retzemes metāliem nav tikai par laboratorijām un piegādes ķēdēm. Runa ir arī par mūsu materiālās saiknes ar planētu atzīšanu. Katrs mobilais tālrunis, katrs saules paneļš un katra baterija ir sava veida neliela minerālu karte, kas satur fragmentus no dažādiem pasaules nostūriem. Pārdomas par to maina mūsu attieksmi pret lietotajiem priekšmetiem un atgādina mums par to, cik svarīgi ir pareizi rīkoties ar tiem, kad tie vairs nav vajadzīgi.
Kas padara tos tik īpašus?
Reti metāli tiek saukti par “retiem” nevis tāpēc, ka tie ir reti, bet tāpēc, ka tie praktiski nekad nav sastopami viegli pieejamos atradnēs . Šiem elementiem ir elektroniskas un magnētiskas īpašības, ar kurām neviens cits materiāls nevar salīdzināties. Piemēram:
- Neodīms un disprosijs . Tie veido pasaulē spēcīgākos pastāvīgos magnētus. Bez tiem nebūtu kompakto elektromotoru un efektīvu vēja turbīnu.
- Litijs . Tas uzglabā vairāk enerģijas uz kilogramu nekā jebkurš cits ķīmiskais elements.
- Kobalts . Stabilizē litija jonu akumulatorus, novēršot to uzliesmošanu un ātru jaudas zudumu.
- Tellurs un selēns . Tie pārvērš saules gaismu elektrībā ar augstāku efektivitāti dažos plānslāņa saules elementos.
- Gālijs un indijs . Pateicoties tiem, LED un OLED ekrāni spīd spilgtās krāsās un patērē maz enerģijas.
Viens elektromobilis savos magnētos var pārvadāt 2–3 kg retzemju elementu , kā arī 8–10 kg litija un 10–15 kg kobalta akumulatorā.
Problēma: pieejamība
Ķīna ražo 85–90 % no visiem attīrītajiem retzemju elementiem pasaulē . Čīle, Latvija un Argentīna ražo 90 % no pasaules litija. Šo elementu atdalīšana prasa sarežģītus ķīmiskos procesus, lielu ūdens un enerģijas patēriņu un rada toksiskus un radioaktīvus atkritumus.
Desmitgadēm ilgi Rietumi slēdza savas ogļu rūpnīcas, jo ogles pirkt no Ķīnas bija lētāk un tīrāk. Tomēr 2020. gadā šī atkarība izraisīja bažas . ASV atsāka darbu Mountain Pass ogļraktuvē Kalifornijā un finansē ogļu rūpnīcas Teksasā un Kanādā.
Latvija, savukārt, izstrādā vairākus projektus. Eiropas Savienība ir pasludinājusi 34 materiālus par „kritiski svarīgiem” un izvirzījusi mērķi līdz 2030. gadam ieguvi 10 %, pārstrādi 25 % un pārstrādi 40 %. Japāna jau pārstrādā 30 % no indija, ko izmanto ekrānos, un tai ir stratēģiskas septiņu metālu rezerves.
Pārstrāde un aizstāšana
Šodien atkritumu poligonos tiek izmesti vairāk kobalta un litija, nekā tiek iegūts daudzās raktuvēs . Vecā mobilajā tālrunī ir 0,2 grami kobalta; miljons mobilo tālruņu atbilst 200 tonnām, kas atbilst vidēja izmēra raktuves apjomam.
Tādas uzņēmējsabiedrības kā Redwood Materials (ASV), Umicore (Beļģija) un Li-Cycle (Kanāda) būvē rūpnīcas, kas izvada 95 % litija, kobalta, niķeļa un grafīta no izlietotajām baterijām, nodrošinot par 80 % mazākas emisijas nekā tradicionālā ieguve. Jau pastāv tehnoloģijas, kas sola izvākt 90 % veco magnētu.
Cita pieeja ir izstrādāt materiālus, kuriem nepieciešams mazāks šo elementu daudzums vai kuri tos vispār nepieprasa . Šajā jomā arī ir panākts progress. 2023. gadā Tesla paziņoja par dzinēju izstrādi bez retzemju elementiem, izmantojot uzlabotus ferīta magnētus un vairāk vara.
Citas uzņēmējsabiedrības, piemēram, Niron Magnetics (ASV), izstrādā magnētus no dzelzs nitrīda, kas var aizstāt neodīma magnētus. Līdzīgi, Kembridžas Universitātes un Toyota pētnieki strādā pie nātrija jonu akumulatoriem, kam nav nepieciešams litijs vai kobalts .
Šķēršļi un perspektīvas
Kongo 70 % kobalta tiek iegūts ar rokām: bērni un pieaugušie ar kailām rokām raka sabrukušos tunelos. Atakamas tuksnesī litija ieguve patērē ūdeni, kas nepieciešams pamatiedzīvotāju dzīvei. Ķīnā toksiskie ezeri, kas piepildīti ar retzemju atkritumiem, ir piesārņojuši veselas upes.
Nākamajos 15 gados mums būs nepieciešams 4–6 reizes vairāk litija, 3–4 reizes vairāk kobalta un aptuveni 10–15 reizes vairāk retzemju elementu nekā šodien. Mērķis — līdz 2040. gadam pārstrāde jāsedz 20–40 % pieprasījuma .
Paredzams, ka jauni akumulatoru ķīmiskie sastāvi (nātrija, dzelzs-gaisa, cietvielu) arī samazinās slodzi uz litiju un kobalta . Tikmēr magnēti bez retzemju elementiem tiks laisti masveida ražošanā līdz 2030. gadam.
