Den sällsynta jordartskrisen

På den östra kanten av Mojaveöknen, en timmes bilresa sydväst om Las Vegas i Mountain Pass, Kalifornien, ligger en 1,4 miljarder år gammal fyndighet av cerium, neodym och andra metaller som är den rikaste källan till sällsynta jordartsmetaller. i USA. Bredvid kullar befolkade av kaktusar, joshuaträd och vandrande sköldpaddor finns en stor soptipp av solbrända och vita stenar som byggdes upp under mer än 50 års produktion vid en 50 hektar stor dagbrottsgruva här. Gruvan var en gång världens största producent av dessa metaller, som är avgörande för så olika produkter som datorhårddiskar, kompaktlysrör och magneter som används i elfordons motorer. Och sajten har fortfarande tillräckligt med dem för att bryta i minst 30 år till. Men 2002 stängdes det ner på grund av allvarliga miljöproblem och uppkomsten av kinesiska producenter som levererade metallerna till lägre kostnad. Gruvan stod stilla i ett decennium.

Mäktig min: Denna 50 hektar stora gruva i den östra kanten av Kaliforniens Mojaveöknen var en gång världens ledande leverantör av sällsynta jordartsmetaller. Vatten samlades på botten av gruvan medan den låg stilla efter att ha stängts av för ett decennium sedan.

Med en världsomspännande efterfrågan på materialet som exploderade, startade webbplatsens ägare, Molycorp Minerals, om gruvdriften vid Mountain Pass i december förra året. Det är nu västra halvklotets enda producent av sällsynta jordartsmetaller och en av bara en handfull utanför Kina, som för närvarande producerar 95 procent av världens utbud. I september förra året, efter att Kina slutat exportera materialet till Japan i två månader, började länder runt om i världen att kämpa för att säkra sina egna källor. Men även utan kinesiska restriktioner och med återupplivandet av Kaliforniens gruva, kan världsomspännande försörjning av vissa sällsynta jordartsmetaller snart falla under efterfrågan. Särskilt oroande är neodym och dysprosium, som används för att tillverka magneter som hjälper till att generera vridmoment i motorerna i el- och hybridbilar och omvandla vridmoment till elektricitet i stora vindturbiner. I en rapport som släpptes i december förra året uppskattade det amerikanska energidepartementet att utbredd användning av eldrivna fordon och vindkraftsparker till havs kan orsaka brist på dessa metaller 2015.

Den här historien var en del av vårt majnummer 2011

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Vad som skulle hända då är någons gissning. Det finns inga praktiska alternativ till dessa metaller i många kritiska applikationer som kräver starka permanentmagneter - material som behåller ett magnetfält utan behov av en strömkälla för att inducera magnetism genom att leda en elektrisk ström genom dem. De flesta vardagsmagneter, inklusive de som har anteckningar på kylskåpet, är permanentmagneter. Men de är inte särskilt starka, medan de som är gjorda av sällsynta jordartsmetaller är oerhört starka. Legeringar av neodym med järn och bor är fyra till fem gånger så starka i vikt som permanentmagneter gjorda av något annat material. Det är en anledning till att sällsynta jordartsmagneter finns i nästan alla hybrid- och elbilar på vägen. Motorn på Toyotas Prius, till exempel, använder ungefär ett kilo sällsynta jordartsmetaller. Vindkraftverk till havs kan kräva hundratals kilo vardera.

Ny gruvverksamhet, inte bara vid Mountain Pass utan även i Australien och på andra håll, kommer att öka utbudet – men inte tillräckligt för att möta efterfrågan på vissa kritiska metaller, särskilt dysprosium, under de närmaste åren. Och den begränsade kapaciteten i den nya gruvverksamheten är inte det enda problemet. Eftersom sällsynta jordartsmetaller gör så utmärkta magneter, har forskare ansträngt sig lite sedan början av 1980-talet för att förbättra dem eller utveckla andra material som skulle kunna göra jobbet. Få forskare och ingenjörer utanför Kina arbetar med sällsynta jordartsmetaller och magnetalternativ. Att uppfinna substitut och få in dem i motorer kommer att ta år, först att utveckla den vetenskapliga expertis och sedan att bygga en tillverkningsinfrastruktur. USA tappade expertis när dess gruvor stängdes och magnettillverkningen flyttade till Asien för att vara nära gruvor i drift och billigare arbetskraft, säger George Hadjipanayis, ordförande för fysik och astronomi vid University of Delaware. Som ett resultat av detta fanns det få incitament för forskare eller företag att arbeta med magneter. Nu, säger han, finns det inte mycket finansiering och ingen industri runt omkring.

Ombyggnad: Bearbetningsutrustning vid Molycorp Minerals gruva i Kalifornien, på bilden här i december 2010, byggs för närvarande om. Utrustningen som visas inkluderar maskiner som används för att krossa och lösa upp stenar från gruvan och utvinna och torka sällsynta jordartsmetalloxider.

Pånyttfödd

Sällsynta jordartsmetaller, trots namnet, är relativt rikliga i jordskorpan. De 16 naturligt förekommande sällsynta jordartsmetallerna finns vanligtvis blandade i avlagringar som ofta också innehåller radioaktiva ämnen - och att separera metallerna kräver kostsamma processer som producerar en gryta av giftiga föroreningar. Vi vet vad den [totala] koncentrationen av sällsynta jordartsmetaller är i alla områden av fyndigheten, säger Molycorps gruvchef Rocky Smith, som står på en av nivåerna uthuggna i den 800 fot djupa gropen och pekar ut en malmfylld sten; den är lila med bastnäsit, ett mineral som innehåller en blandning av sällsynta jordartsmetaller. Men att veta var de sällsynta jordartsmetallerna finns på hela platsen och att få ut de enskilda metallerna ur malmen är två olika saker.

Det första steget för att utvinna oxider av sällsynta jordartsmetaller från den omgivande stenen är att krossa stenarna och mala dem till ett fint pulver. Detta passerar genom en serie tankar, där de sällsynta jordartsmetallerna flyter till toppen. Oönskade mineraler sjunker till botten och detta farliga avfallsmaterial, som kallas avfall, skickas till dammar för lagring. Under tiden rostas det resulterande koncentratet av sällsynta jordartsmetaller i ugnar och löses sedan i syra. Den del av det resulterande slasket som innehåller sällsynta jordartsmetaller, i form av blandade metalloxider, tas bort. Slutligen neutraliseras lösningsmedlet.

Reaktionen genererar mycket salt: när Mountain Pass-gruvan var i full kapacitet på 1990-talet producerade den så mycket som 850 liter salt avloppsvatten varje minut, varje dag på året. Detta avfall innehöll också radioaktivt torium och uran, som samlades som avlagringar inuti röret som levererade avloppsvattnet till förångningsdammar 11 mil bort. Flera gånger under 1990-talet orsakade städningsoperationer avsedda att ta bort den uppbyggda skalan att rörledningen sprängdes och hundratusentals liter farligt avfall spills ut i öknen. Delstaten Kalifornien beordrade Molycorp, som då var en enhet i oljebolaget Unocal, att sanera avfallet. År 2002 fick företaget, som redan kämpade för att göra vinst, ont om utrymme för att lagra sitt avfall och misslyckades med att få tillstånd att bygga en ny lagringsanläggning. Gruvan stängdes av.

Sällsynt malm: Stenar som lossnat av sprängningar vid bergspasset innehåller det sällsynta jordartsmineralet bastnäsit.

Chevron köpte Unocal 2005 och förvärvade Molycorp och Mountain Pass-gruvan tillsammans med den. 2008 köpte en grupp privata investerare gruvan och bildade Molycorp Minerals, som har utvecklat bearbetningsteknologier som de säger kommer att eliminera behovet av förångningsdammar och rörledningar. 2009 började Molycorp bearbeta lagrad bastnäsit för att utvinna det blandade sällsynta jordartsmetallmineralet didymium. Förra sommaren blev bolaget börsnoterat och aktiekursen har skjutit i höjden. Den amerikanska industrin för sällsynta jordartsmetaller föddes på nytt.

Men ett besök på Molycorps bearbetningsanläggning visar att återupptagandet av gruvbrytningen vid Mountain Pass inte kommer att lösa alla försörjningsproblem. Inne i ett litet lager där oxiderna av sällsynta jordartsmetaller torkas och förpackas, doppar Molycorps vd Mark Smith sin hand i en tunna för att ösa upp en handfull brunfärgat pulver. Den är mjuk, som fin aska. Detta material är didymoxid, en blandning av oxiderat neodym och praesodymium, grundämnen långt till vänster på sin rad i det periodiska systemet. Fyndigheten vid bergspasset är, liksom andra sällsynta jordartsmetaller utom några få i södra Kina, rikast på dessa lättare element. De är bra för glaspolering och bilbatterier och för magneter som fungerar vid låga temperaturer. Men för att stå emot de höga temperaturerna i motorer och turbiner kräver magneter tillsats av dysprosium eller terbium, som är tunga sällsynta jordartsmetaller.

Ett annat problem är att Molycorp precis har börjat bygga om den infrastruktur som behövs för att förvandla sällsynt jordartsmetall till magneter. När gruvdrift lämnade USA följde all den infrastrukturen. Reningen av sällsynta jordartsmetaller sker nu nästan uteslutande i Kina, även om Malaysia bygger en ny anläggning. Och magnetindustrin är nu till stor del baserad i Kina och Japan. Det japanska företaget Hitachi Metals, som innehar de nödvändiga patenten för att tillverka legeringar och magneter av sällsynta jordartsmetaller, har ingått ett avtal med Molycorp om att tillverka dem i USA. Molycorp kommer att leverera neodym, men för att göra värmetoleranta magneter kan företaget behöva förvärva de extra tunga sällsynta jordartsmetallerna från någon annanstans än Mountain Pass-gruvan - och det är svårt att veta var det kan vara.

Letar efter tur

Även om rening av sällsynta jordartsmetaller inte längre görs i USA, uppfanns den här av Frank Spedding, grundaren av Ames National Laboratory i Iowa. 1949, redan innan sällsynta jordartsmetaller användes industriellt, uppfann Spedding de första metoderna för att separera dem från varandra; tekniken växte fram ur hans arbete med att rena uran och torium för Manhattan Project. Ames-labbet är fortfarande det enda forskningscentret i landet med en betydande betoning på materialen.

Stenarna krossas och löses upp och slasket separeras för att producera didymiumoxid, en blandning av oxiderade lätta sällsynta jordartsmetaller som kräver ytterligare bearbetning för att göra den rena neodymmetall som krävs för magneter.

Ames-forskaren Iver Anderson har inga problem med att visa varför sällsynta jordartsmetaller är så värdefulla i magneter. Han sträcker ut handen över skrivbordet, med handflatan nedåt, och visar att fältet som produceras av en liten bit av en trasig neodymmagnet balanserad på baksidan av hans hand kan få en annan neodymmagnet, storleken på en slant, att fastna i handflatan. Par av neodymmagneter som är mycket större än detta kan bryta ben. Anderson plockar sedan upp en betydligt kraftigare magnet, gjord av aluminium, nickel, järn och kobolt. Den håller knappt fast i spetsen på ett hängande gem.

Även om denna prestanda är svag, visar materialets magnetiska egenskaper något lovande, så Andersons grupp försöker förbättra dem genom att mixtra med dess struktur, en blandning av järn-koboltnålar i nanoskala separerade av en matris av nickel och aluminium. Genom att arbeta utifrån teoretiska studier av materialet hoppas Anderson kunna ändra bearbetningsförhållandena för att göra nålarna längre och anpassa dem bättre. Hur länge kan vi göra nålarna? han undrar. Tänk om vi lägger ett enormt magnetiskt fält på provet – skulle det ändra deras avstånd, få dem att växa längre?

Magnetens främsta överklagande är att den inte innehåller några sällsynta jordartsmetaller. Ändå verkar även Ames-forskarna osäkra på att ett material som detta någonsin skulle kunna ersätta sällsynta jordartsmagneter. Sedan neodymmagneter introducerades 1983 har inget utvecklats som är i närheten av att matcha dem. Men, säger Anderson, man kan ha tur.

Idag skickar Molycorp påsar med didymiumoxid till kunder i Japan och på andra håll för bearbetning.

Forskarna arbetar också med sätt att tillverka sällsynta jordartsmagneter mer effektivt. För närvarande värms och komprimeras de magnetiska materialen för att bilda stora, täta block som sedan måste skäras till önskad form. Denna process lämnar efter sig högar av oxiderade metallspån som kallas spån, som ofta är förorenade med smörjmedel för skärbladen. Det orena spånet kan inte integreras i nya magneter, men att hitta ett sätt att använda det - eller formulera magnetmaterialen på ett sådant sätt att de kan formas istället för att skära - skulle sträcka de värdefulla elementen ytterligare. Människor tittar på 55-liters trummor fulla av detta slipavfall, som ser ut som gråbrun lera, och undrar hur man kan återvinna de sällsynta jordartsmetallerna ur allt spån, säger Anderson.

Om utbudet av sällsynta jordartsmetaller understiger efterfrågan under de kommande åren och inga ersättningar som närmar sig deras prestanda hittas, kommer tillverkare av hybrid- och elbilar förmodligen att försöka utveckla nya motordesigner som förlitar sig på inducerad snarare än permanent magnetism, säger Eric Rask , en forskare vid Argonne National Laboratory. Innan han började på Argonne för två år sedan arbetade Rask med drivlinan för General Motors elektriska Volt, som använder en permanentmagnet från sällsynta jordartsmetaller. Men, säger han, anledningen till att permanentmagnetmotorer används är att deras effektivitet nästan alltid är högre i det intervall där du använder det mycket - vanligtvis kan du få mer vridmoment för en given strömtillförsel.

Få experter uttrycker optimism om att det kommer att finnas tillräckligt med sällsynta jordartsmetaller för att upprätthålla betydande tillväxt av ren energiteknik som elbilar och vindkraft, som behöver alla möjliga kostnads- och effektivitetsfördelar för att konkurrera. Skriften finns redan på väggen, säger Patrick Taylor, chef för Kroll Institute for Extractive Metallurgy vid Colorado School of Mines. Du vill utveckla denna stora nya energiekonomi, men det finns ett begränsat utbud och en ständigt ökande efterfrågan. På frågan om hur Kina fick sitt försprång gentemot resten av världen, påpekar Taylor att det mesta av nödvändig expertis och industri började flytta till det landet för nästan två decennier sedan. Då, tillägger han, var ingen ens uppmärksam.

Katherine Bourzac är Teknikgranskning materialvetenskapsredaktör.

Dölj