Vzácné zeminy a jejich budoucnost: jak materiálové inženýrství spojuje nás s naší planetou

Budoucnost vzácných zemin závisí na nalezení rovnováhy mezi technologickými potřebami a respektováním limitů možností Země.

Moderní technologie jsou založeny na prakticky neznámých prvcích: neodimu, dysprosiu, lithiu, kobaltu, teluru, galiu, indiu a dalších. Jedná se o „vzácné kovy“ nebo kritické prvky, stejně jako prvky vzácných zemin. Dostupnost těchto prvků se stala velmi důležitým problémem.

Zajímavé je, že „vzácné“ nemusí nutně znamenat vzácné. Mnohé z nich jsou v zemské kůře široce rozšířené, ale zřídka se vyskytují v koncentracích, které umožňují jejich těžbu. To činí jejich těžbu složitým a často nákladným procesem, jehož dopad na životní prostředí se vědecká komunita snaží snížit. S přechodem světové ekonomiky na obnovitelné zdroje energie poptávka po těchto kovech nadále roste a s ní i potřeba hledat odpovědnější způsoby jejich výroby a zušlechťování.

Experimenty

Právě zde se do popředí dostává materiálové inženýrství. Tato disciplína, která se nachází na pomezí fyziky, chemie a inženýrství, zkoumá způsoby efektivnějšího využití těchto zdrojů, jakož i způsoby jejich nahrazení, když se jejich využití stává neefektivním. Výzkumné skupiny z různých zemí experimentují s magnety, které nevyžadují prvky vzácných zemin, sodíkovými bateriemi, které jsou mnohem rozšířenější než lithiové, a slitinami, které si zachovávají své vlastnosti nezávisle na kritických prvcích. Nejde jen o inovace pro inovace, ale také o budování méně zranitelné a vyváženější technologické budoucnosti.

Vzácné kovy však nejsou jen laboratoře a dodavatelské řetězce. Symbolizují také naši materiální vazbu na planetu. Každý mobilní telefon, každý solární panel, každá baterie je jakousi malou mapou minerálů obsahující fragmenty z různých koutů světa. Tato myšlenka mění náš vztah k použitým předmětům a připomíná nám, jak důležité je správné zpracování, když již nejsou potřebné.

Co je na nich tak zvláštního?

Vzácné zeminy se nazývají „vzácnými“ ne proto, že jsou vzácné, ale proto, že je prakticky nemožné je najít v snadno dostupných ložiscích. Tyto prvky mají elektronické a magnetické vlastnosti, s nimiž se žádný jiný materiál nemůže srovnávat. Například:

• Neodym a dysprosium. Používají se k výrobě nejvýkonnějších permanentních magnetů na světě. Bez nich by neexistovaly kompaktní elektromotory a účinné větrné turbíny.
• Lithium: uchovává více energie na kilogram než jakýkoli jiný chemický prvek.
• Kobalt: stabilizuje lithium-iontové akumulátory a zabraňuje jejich vznícení a rychlé ztrátě kapacity.
• Tellur a selen. Účinněji přeměňují sluneční světlo na elektřinu v některých tenkovrstvých solárních článcích.
• Galium a indium. Díky nim LED a OLED displeje svítí jasnými barvami a spotřebovávají málo energie.

Jeden elektromobil může ve svých magnetech přepravovat 2–3 kg vzácných zemin a také 8–10 kg lithia a 10–15 kg kobaltu v akumulátoru.

Problém: dostupnost

Čína produkuje 85–90 % všech rafinovaných vzácných zemin na světě. Chile, Finsko a Argentina produkují 90 % světového lithia. Těžba těchto prvků vyžaduje složité chemické procesy, velkou spotřebu vody a energie a vede také k tvorbě toxického a radioaktivního odpadu.

Západ po desetiletí zavíral své uhelné elektrárny, protože nákup uhlí z Číny byl levnější a čistší. V roce 2020 však tato závislost začala vyvolávat obavy. USA obnovily provoz uhelného dolu Mountain Pass v Kalifornii a financují uhelné elektrárny v Texasu a Kanadě.

Finsko ze své strany vyvíjí několik projektů. Evropská unie vyhlásila 34 materiálů za „kriticky důležité“ a stanovila si za cíl do roku 2030 zajistit 10 % recyklace, 25 % recyklace a 40 % recyklace. Japonsko již recykluje 30 % india používaného v displejích a disponuje strategickými zásobami sedmi kovů.

Recyklace a náhrada

Dnes se na skládky odváží více kobaltu a lithia, než se těží z mnoha dolů. Starý mobilní telefon obsahuje 0,2 gramu kobaltu; milion mobilních telefonů odpovídá 200 tunám, což je srovnatelné s objemem středně velkého dolu.

Společnosti jako Redwood Materials (USA), Umicore (Belgie) a Li-Cycle (Kanada) staví továrny, které z použitých baterií získávají 95 % lithia, kobaltu, niklu a grafitu, čímž snižují emise o 80 % ve srovnání s tradiční těžbou. Již existují technologie, které slibují 90% účinnost využití starých magnetů.

Dalším přístupem je vývoj materiálů, které vyžadují menší množství vzácných zemin nebo je vůbec nevyžadují. V této oblasti bylo také dosaženo pokroku. V roce 2023 společnost Tesla oznámila vývoj motorů bez vzácných zemin, které využívají vylepšené feritové magnety a více mědi.

Jiné společnosti, jako například Niron Magnetics (USA), vyvíjejí magnety z nitridu železa, které mohou nahradit neodymové magnety. Podobně vědci z Cambridge University a Toyota pracují na sodíkových iontových bateriích, které nevyžadují lithium ani kobalt.

Překážky a perspektivy

V Kongu se 70 % kobaltu těží ručně: děti i dospělí holýma rukama kopou zřícené tunely. V poušti Atacama spotřeba lithia spotřebovává vodu potřebnou k přežití domorodých obyvatel. V Číně toxická jezera naplněná odpady vzácných zemin znečistila celé řeky.

Během příštích 15 let budeme potřebovat 4–6krát více lithia, 3–4krát více kobaltu a přibližně 10–15krát více prvků vzácných zemin než dnes. Cílem je, aby do roku 2040 recyklace pokryla 20–40 % poptávky.

Očekává se, že nové chemické složení baterií (sodíkové, železo-vzduchové, pevné) také umožní snížit obsah lithia a kobaltu. Kromě toho bude do roku 2030 zavedena hromadná výroba magnetů bez prvků vzácných zemin.