LA SUDDIVISIONE E GLI UTILIZZI DELLE TERRE RARE

Le terre rare sono un gruppo di 17 elementi chimicamente simili che vengono utilizzati nella produzione di un’ampia gamma di prodotti elettronici ad alta tecnologia. Sono generalmente divise in terre rare leggere, medie e pesanti. Si tratta di cerio (Ce), disprosio (Dy), erbio (Er), europio (Eu), gadolinio (Gd), olmio (Ho), lantanio (La), lutezio (Lu), neodimio ( Nd), praseodimio (Pr), promezio (Pm), samario (Sm), scandio (Sc), terbio (Tb), tulio (Tm), itterbio (Yb) e ittrio (Y).

Secondo la definizione della IUPAC, le terre rare (in inglese rare-earth elements o rare–earth metals) sono un gruppo di 17 elementi chimici della tavola periodica, precisamente scandio, ittrio e i lantanoidi. Vengono abbreviate in RE (Rare Earths), REE (Rare Earth Elements) o REM (Rare Earth Metals) e vengono anche suddivise in leggere (LREE, dal lantanio al promezio), medie (MREE, dal samario all’olmio) e pesanti (HREE, dall’erbio al lutezio). Il termine deriva dai minerali dai quali vennero isolati per la prima volta, che erano “ossidi non comuni” trovati nel minerale nero itterbite (noto anche come gadolinite) estratto da una miniera nel villaggio di Ytterby, in Svezia nel 1787 da Carl Axel Arrhenius

La maggior parte degli elementi “terre rare” hanno impiego in diversi campi, dai chip dei semiconduttori, onnipresenti nell’elettronica, dai computer agli smartphone. Sono fondamentali nel settore aerospaziale e della difesa, nei veicoli elettrici, nelle turbine eoliche, nei droni e in altri dispositivi elettronici. Ma sono altrettanto importanti nel settore medico, per la cura dei tumori.

UN PO’ DI STORIA DELLE TERRE RARE

In realtà, a parte il promezio che è molto instabile, gli elementi delle terre rare si trovano in concentrazioni piuttosto elevate in tutta la crosta terrestre.

• Dopo la scoperta dell’itterbite, poi analizzata da Johan Gadolin, professore dell’Università di Turku che trovò un ossido sconosciuto che chiamò “ytteria”, Anders Gustav Ekeberg isolò il berillio dalla gadolinite ma non riuscì a riconoscere gli altri elementi contenuti nel minerale.
• Nel 1794, un minerale proveniente da Bastnäs vicino a Riddarhyttan, in Svezia, che si pensava fosse un minerale di ferro e tungsteno, fu riesaminato da Jöns Jacob Berzelius e Wilhelm Hisinger.
• Nel 1803 essi ottennero un ossido bianco che chiamarono “ceria” mentre Martin Heinrich Klaproth scoprì indipendentemente lo stesso ossido, che chiamò “ochroia”. Insomma, dopo circa 15 anni, nel 1803 erano quindi note solo due terre rare, l’ittrio e il cerio, e ci vollero 30 anni ai ricercatori per determinare gli altri elementi contenuti in quei minerali (la loro separazione era molto difficile a causa delle loro proprietà chimiche molto simili). 
• Dal 1839 fino ai primi anni del Novecento vennero quindi separati e scoperti tutti gli altri elementi.
• Oggi, le principali fonti di terre rare sono i minerali bastnasite, monazite e loparite e le argille lateritiche che si trovano in abbondanza sulla terra ma sono più difficili da estrarre rispetto alle equivalenti fonti dei metalli di transizione e per questo piuttosto costose. Ecco perché il loro uso industriale è stato molto limitato in passato almeno fino agli anni 50 e 60, quando con innovative tecniche di separazione – come lo scambio ionico, la cristallizzazione frazionata e l’estrazione liquido-liquido – il loro uso ha subito un’accelerazione sorprendente.

GLI UTILIZZI DELLE TERRE RARE

Le terre rare sono metalli fondamentali per l’industria elettronica e tecnologica. Sono utilizzati per la produzione di numerosi prodotti di largo consumo, come televisioni, memoria dei computer, microchip, batterie, telefoni cellulare ed auto elettriche. Pertanto, il rischio è che una scarsità di questi materiali possa generare una sorta di collo di bottiglia per la produzione di numerosi strumenti tecnologici.

Le caratteristiche “tecnologiche” delle terre rare sono tantissime: dal punto di vista chimico, presentano elevate capacità di conduzione e magnetiche e per questo vengono impiegate in molti campi. Le terre rare si trovano in tantissimi oggetti perché sono superconduttori; magneti; alliganti in numerose leghe metalliche; catalizzatori; componenti di veicoli ibridi; applicazioni di optoelettronica (ad esempio laser Nd:YAG); fibre ottiche; risonatori a microonde. Inoltre, gli ossidi delle terre rare sono mescolati al tungsteno per migliorare le sue proprietà alle alte temperature per saldature, rimpiazzando il torio che può risultare pericoloso da lavorare.

Le componenti elettroniche devono essere realizzate da 17 elementi che ne determinano il funzionamento, componenti che non vengono utilizzati solamente per le auto elettriche ma anche per tutto il mondo hi-tech, come pc o smartphone. Le risorse di questi componenti sono detenute per l’80% dalla Cina che al momento ne detiene il monopolio, e come sempre il monopolio di una risorsa può innescare dei meccanismi pericolosi. Le chiavi per la risoluzione di questo problema posso essere due: la prima Tecnologica e la seconda Politica. Nella prima si può studiare una formula alternativa per cui questi non sia necessario la componente delle terre rare, mentre nella seconda è quella di instaurare un rapporto con la Cina. Per la produzione di una tonnellata di terre rare sono prodotte circa duemila tonnellate di rifiuti, in parte anche tossici. È pertanto fondamentale il riciclo ed il riutilizzo di queste materie prime.

GLI UTILIZZI DEI SINGOLI ELEMENTI

• Vale la pena partire analizzando neodimio e praseodimio. Infatti, fra le cosiddette terre rare, troviamo il neodimio e il praseodimio, in forte crescita recentemente. Queste materie prime hanno visto un’impennata della domanda dato il loro uso nei motori dei veicoli ibridi ed elettrici e anche per le turbine eoliche. Nonostante il loro nome, alcuni degli elementi sono relativamente abbondanti nella crosta terrestre. Spesso, però, sono in concentrazioni non abbastanza elevate da rendere l’attività mineraria attualmente economicamente sostenibile.
• Anche il Praseodimio trova spazio in diversi contesti d’utilizzo. È usato per creare metalli da usare nei motori degli aerei. Trova posto anche come componente di un tipo speciale di vetro, per fare visiere per proteggere saldatori e vetrai.
• Il Neodimio si utilizza per creare magneti usati negli altoparlanti e nei dischi rigidi dei computer per permettere loro di essere più compatti ed efficienti. I magneti che contengono neodimio sono anche utili per fabbricare turbine eoliche ma anche per produrre altoparlanti di qualità per riprodurre fedelmente le frequenze più alte.
• Partiamo dal Lantanio, impiegato nella realizzazione delle lenti delle macchine fotografiche e dei telescopi. Inoltre trova impiego in particolari tipi di illuminazione nel mondo teatrale e cinematografico.
• Il Cerio è usato nei convertitori catalitici delle automobili, permettendo loro di funzionare ad alte temperature e svolgendo un ruolo fondamentale nelle reazioni chimiche all’interno del convertitore. Lantanio e Cerio sono anche usati nel processo di raffinazione del petrolio greggio.
• Usato nei sistemi di scansione a raggi X e MRI, il Gadolinio è un elemento prezioso anche per gli schermi televisivi. Si sta studiando anche il suo potenziale impiego nello sviluppo di sistemi di refrigerazione più efficienti.
• Con Ittrio, Terbio ed Europio si possono produrre televisori e schermi di computer e altri dispositivi che hanno display visivi. L’Europio, in particolare, è anche usato per fare le barre di controllo nei reattori nucleari.
• Il Samario viene impiegato nella medicina nucleare: l’isotopo 153 è utilizzato in medicina per la terapia delle metastasi ossee. Sono solo alcuni esempi del loro ampio uso, che spazia da ambiti di importanza strategica – e vitale in alcuni casi – ad altri di valore estetico. Prendiamo a esempio l’Erbio. Viene impiegato nella tecnologia nucleare come assorbitore di neutroni, ma l’ossido di erbio, per il suo bel colore rosa, viene usato a volte come colorante per smalti lucidi per vetro o ceramica. Il vetro all’erbio è spesso impiegato per lenti di occhiali da sole e bigiotteria.

 IL MONOPOLIO CINESE E IL PREZZO DELLE TERRE RARE

Tutte le terre rare pesanti del mondo (come il disprosio) provengono da depositi cinesi come quello di Bayan Obo, anche se miniere illegali di terre rare sono comuni nella Cina rurale e sono note per rilasciare rifiuti tossici nelle risorse idriche. Per evitare carenze e il monopolio cinese sono state cercate altre fonti di terre rare, specialmente in Sudafrica, Brasile, Vietnam, Canada e Stati Uniti. Una miniera di terre rare in California è stata riaperta nel 2012, mentre altri siti importanti sono quelli canadesi di Thor Lake nei Territori del Nord-Ovest e del Quebec.

In linea di massima, la maggior parte della fornitura attuale di ittrio si origina da depositi di argille della Cina meridionale e forniscono concentrati contenenti circa il 65% di ossido di ittrio. Ovviamente, l’interesse per i REE è cresciuto insieme all’evoluzione tecnologica e alla transizione energetica ma la dipendenza mondiale da questi materiali porta con sé varie criticità legate ai processi estrattivi e produttivi che rientrano, ad oggi, in una sorta di “quasi monopolio” cinese, cresciuto fino alla crisi del 2010, quando le economie più avanzate hanno iniziato a cercare alternative all’import dei REE dalla Cina.

Se infatti, verso la fine del secolo scorso anche l’America vantava una sorta di bacino di estrazione e produzione, le miniere in California vennero chiuse quando i prezzi cinesi si dimostrarono molto più convenienti, ma questo diede il via al processo che portò al monopolio cinese: i paesi delegarono infatti l’attività di estrazione e produzione di Terre rare, a causa delle criticità ambientali e sociali e delle regolamentazioni vigenti nei vari paesi, ottenendo ciò che il loro mercato di prodotti finiti richiede, senza inquinare il loro stesso territorio. Dal canto suo, la Cina poteva contare sul supporto governativo alla ricerca, la protezione delle risorse di REE e la produzione non regolata e il basso costo di produzione rispetto a quello esteri.

Le terre rare utilizzate nella fabbricazione dei magneti, come il neodimio, hanno visto aumentare i prezzi negli ultimi mesi al livello più alto da molti anni. Ciò è stato principalmente guidato dalla domanda del settore dei veicoli elettrici, ma anche dalla Cina che ha introdotto una legge sulle esportazioni a dicembre. Questa regolamentazione conferisce al governo un maggiore controllo sulle esportazioni di tecnologia e terre rare.

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