Навесні 1949 року троє старателів, озброєних лічильниками Гейгера, вирушили шукати скарби в посушливих горах південної Невади та південно-східної Каліфорнії.
У минулому столітті ці гори давали золото, срібло, мідь і кобальт. Але чоловіки шукали інший вид скарбу: уран. Світ виходив із Другої світової війни та наближався до холодної війни. Сполученим Штатам потрібен був уран для створення арсеналу ядерної зброї. Видобуток власних джерел став питанням національної безпеки.
Після тижнів пошуків тріо натрапило на те, що, на їхню думку, було брудом. Їх прилади виявили інтенсивну радіоактивність у коричнево-червоних жилах руди, оголених у скелястому відслоненні в Каліфорнійському хребті Кларк. Але замість урану коричнево-червоний матеріал виявився бастнезитом, мінералом, що містить фтор, вуглець і 17 цікавих елементів, відомих разом як рідкісноземельні елементи. Сліди радіоактивного торію, також у руді, викликали пінг лічильників Гейгера.
Як би це не розчарувало, бастнезит все ще мав цінність, і старателі продали свої претензії Молібденовій корпорації Америки, пізніше названій Molycorp. Компанія була зацікавлена у видобутку рідкоземельних металів. У середині 20-го століття рідкоземельні елементи стали корисними різними способами: церій , наприклад, був основою для порошку для полірування скла, а європій надав люмінесценції нещодавно винайденим кольоровим телевізійним екранам і люмінесцентним лампам.
Протягом наступних кількох десятиліть це місце, пізніше назване шахтою Mountain Pass, було головним у світі джерелом рідкоземельних елементів, поки два тиску не стали занадто великими. До кінця 1980-х років Китай інтенсивно видобував власні рідкоземельні метали — і продавав їх за нижчими цінами. У 2002 році серія виливів токсичних відходів у Маунтін-Пасс призвела до зупинки виробництва шахти.
Але це був не кінець історії. Революція зелених технологій 21-го століття привернула увагу до Маунтін-Пасс, який згодом знову відкрили та залишається єдиною в США шахтою для видобутку рідкоземельних металів.
Рідкісноземельні елементи тепер є невід’ємною частиною виробництва багатьох вуглецево-нейтральних технологій, а також цілого ряду інструментів, які рухають сучасний світ. Ці елементи є будівельними блоками маленьких, надефективних постійних магнітів, які забезпечують дзижчання смартфонів, обертання вітряних турбін, масштабування електромобілів тощо.
Подорож рідкісних земель від шахти до магніту
Ось кроки, за допомогою яких рідкоземельні елементи потрапляють із землі в наші високотехнологічні продукти. У той час як у Сполучених Штатах видобувають і зосереджують рідкоземельні метали, пізніші кроки, необхідні для виробництва магнітів, зараз відбуваються за кордоном.
- Добувають рідкоземельні руди
- Концентрат видобувається рідкоземельних руд
- Окремі рідкоземельні елементи
- Процес отримання металів і сплавів
- Виробництво постійних магнітів, двигунів, датчиків, приводів, електромобілів і побутової електроніки
Видобуток американських джерел рідкоземельних елементів, як заявила адміністрація президента Джо Байдена в лютому 2021 року, є питанням національної безпеки.
Рідкісноземельні елементи насправді не є рідкістю на Землі, але вони, як правило, розсіяні по всій корі в низьких концентраціях. І сама по собі руда коштує відносно мало без складної, часто екологічно небезпечної обробки, пов’язаної з перетворенням руди в придатну для використання форму, каже Джулі Клінгер, географ з Делаверського університету в Ньюарку. Як наслідок, індустрія видобутку рідкоземельних елементів бореться зі спадщиною екологічних проблем.
Рідкісноземельні метали видобувають шляхом копання величезних відкритих кар’єрів у землі, що може забруднювати навколишнє середовище та порушувати екосистеми. При поганому регулюванні видобуток корисних копалин може утворювати водойми зі стічними водами, наповненими кислотами, важкими металами та радіоактивними матеріалами, які можуть витікати в ґрунтові води. Переробка необробленої руди у форму, придатну для виготовлення магнітів та іншої техніки, є довготривалою роботою, яка потребує великої кількості води та потенційно токсичних хімікатів і створює великі відходи.
«Нам потрібні рідкоземельні елементи… щоб допомогти нам у переході до безпечного для клімату майбутнього», — говорить Мікеле Бустаманте, дослідник сталого розвитку Ради із захисту природних ресурсів у Вашингтоні, округ Колумбія. Проте «все, що ми робимо під час видобутку корисних копалин, — впливають на навколишнє середовище», — каже Бустаманте.
Але є способи зменшити вплив видобутку, каже Томас Лограссо, металург з Національної лабораторії Еймса в Айові та директор Інституту критичних матеріалів , дослідницького центру Департаменту енергетики. Дослідники досліджують усе: від зменшення кількості відходів, що утворюються під час обробки руди, до підвищення ефективності виділення рідкоземельних елементів, що також може зменшити кількість токсичних відходів. Вчені також тестують альтернативи видобутку корисних копалин, такі як переробка рідкоземельних елементів зі старої електроніки або їх відновлення з вугільних відходів.
Значна частина цих досліджень проводиться в партнерстві з гірничодобувною промисловістю, чия участь є ключовою, каже Лограссо. Гірничодобувні компанії повинні бути готові інвестувати у внесення змін. «Ми хочемо бути впевненими, що наука та інновації, які ми робимо, керуються потребами промисловості, щоб ми не розробляли рішення, які нікому насправді не потрібні», — каже він.
Клінгер каже, що вона обережно оптимістично налаштована щодо того, що промисловість видобутку рідкоземельних елементів може стати менш забруднювальною та більш стійкою, якщо такі рішення будуть широко прийняті. «Багато переваг приносять низькорослі плоди», — каже вона. Навіть базове оновлення обладнання для покращення ізоляції може зменшити паливо, необхідне для досягнення високих температур, необхідних для певної обробки. «Ви робите те, що [можете]».
Вплив видобутку рідкоземельних елементів на навколишнє середовище
Між зубчастими вершинами каліфорнійського хребта Кларк і кордоном Невади розташована широка, плоска, мерехтлива долина, відома як Сухе озеро Айвенпа. Приблизно 8000 років тому в долині була вода цілий рік. Сьогодні, як і багато інших подібних майданчиків у пустелі Мохаве, озеро є ефемерним і виглядає лише після сильного дощу та раптової повені. Це прекрасне, суворе місце, де живуть пустельні черепахи, що знаходяться під загрозою зникнення, і рідкісні пустельні рослини, такі як молочай Мохаве.
Приблизно з 1984 по 1998 рік Сухе озеро Айванпа також було резервуаром для стічних вод, що надходили з Гірського перевалу. Стічні води були побічним продуктом хімічної обробки для концентрації рідкоземельних елементів у видобутій породі, що робило їх більш ринковими для компаній, які потім могли видобувати ці елементи для виробництва конкретних продуктів. Шахта по заглибленому трубопроводу направляла стічні води у випарні ставки приблизно за 23 кілометри, у дно сухого озера та навколо нього.
Де видобувають рідкісні землі?
Невелика кількість країн зараз займається видобутком рідкоземельних елементів (показано). Але рідкоземельні ресурси були виявлені в багатьох інших місцях, включаючи В’єтнам, Туреччину та Гренландію.
Місця видобутку рідкоземельних елементів
- Маунтін-Пасс, Каліфорнія (США)
- Araxá (Бразилія)
- Ловозеро (Росія)
- Хібіни (Росія)
- Баян Обо (Китай)
- Вейшань (Китай)
- Маоніупін (Китай)
- Луннань (Китай)
- Північна М’янма
- Тайський півострів (Таїланд)
- Чавара (Індія)
- Каронге (Бурунді)
- Мандена (Мадагаскар)
- Маунт-Велд (Австралія)
ДЖЕРЕЛО: E. DEADY/ГЛОБАЛЬНІ РІДКОЗЕМЕЛЬНІ ЕЛЕМЕНТИ (РЗЕ) ШАХТИ, РОДОВИЩА ТА ВИХОДИ/БРИТАНСЬКА ГЕОЛОГІЧНА СЕРВІЯ 2021
Протягом багатьох років трубопровід неодноразово рвався. Щонайменше 60 окремих розливів скинули в долину приблизно 2000 метричних тонн стічних вод, що містять радіоактивний торій. Федеральні чиновники побоювалися, що місцеві жителі та відвідувачі сусіднього національного заповідника Мохаве можуть бути піддані ризику впливу цього торію, що може призвести до підвищеного ризику раку легенів, підшлункової залози та інших видів раку.
Unocal Corporation, яка придбала Molycorp у 1977 році, отримала наказ очистити розлив у 1997 році, і компанія сплатила понад 1,4 мільйона доларів у вигляді штрафів і розрахунків. Хімічна переробка рудної сировини зупинилася. Невдовзі після цього видобуток припинився.
За півсвіту розгорталася ще одна екологічна катастрофа. Переважна більшість — від 80 до 90 відсотків — рідкоземельних елементів на ринку з 1990-х років надходить з Китаю. Лише на одну ділянку, величезну шахту Баян Обо у Внутрішній Монголії, у 2019 році припадало 45 відсотків видобутку рідкоземельних елементів.
Баян Обо займає близько 4800 гектарів, що приблизно вдвічі менше курорту Walt Disney World у Флориді. Це також одне з найбільш забруднених місць на Землі. Розчищення землі для видобутку руди означало видалення рослинності на території, яка вже була схильна до опустелювання, що дозволило пустелі Гобі просуватися на південь.
У 2010 році офіційні особи сусіднього міста Баотоу помітили, що радіоактивні, миш’яковисті та фторвмісні шахтні відходи або хвости скидають на сільськогосподарські угіддя та в місцеві джерела води, а також у сусідню Хуанхе. Повітря було забруднене випарами та токсичним пилом, що погіршувало видимість. Жителі скаржилися на нудоту, запаморочення, мігрень і артрит. У деяких були пошкодження шкіри та зміна кольору зубів, ознаки тривалого впливу миш’яку; інші демонстрували ознаки крихкості кісток, ознаки флюорозу скелета, каже Клінгер.
У 2010 році державна рада Китаю написала, що промисловість рідкісноземельних елементів країни завдає «серйозної шкоди екологічному середовищу». Викид важких металів та інших забруднюючих речовин під час видобутку призвів до «знищення рослинності та забруднення поверхневих, підземних вод і сільськогосподарських угідь». » Рада написала, що «надмірний видобуток рідкоземельних елементів» призвів до зсувів і засмічення річок.
Зіткнувшись із цими наростаючими екологічними катастрофами, а також побоюваннями, що він надто швидко виснажує свої ресурси рідкоземельних елементів, Китай у 2010 році скоротив експорт цих елементів на 40 відсотків. Нові ліміти призвели до стрімкого зростання цін і викликали занепокоєння в усьому світі, що Китай занадто жорстко контролює ці обов’язкові елементи. Це, у свою чергу, викликало інвестиції у видобуток рідкоземельних елементів в інших місцях.
У 2010 році було небагато інших місць, де добували рідкісні землі, лише мінімальний обсяг виробництва в Індії, Бразилії та Малайзії. У 2011 році у віддаленій Західній Австралії запрацювала нова шахта , що належить гірничодобувній компанії Lynas. Компанія розкопала скам’янілу лаву, що збереглася в стародавньому вулкані під назвою Маунт-Велд.
Маунт-Велд не мав такого впливу на навколишнє середовище, як у Китаї: його розташування було надто віддаленим, а шахта була лише дещицею розміру Баян-Обо, за словами Саліма Алі, екологічного планувальника з Університету Делавера. . Сполучені Штати, тим часом, прагнули знову мати власне джерело рідкісноземельних елементів — і Маунтін-Пасс усе ще був найкращою перспективою.
Шахта “Гірський перевал” відроджується
Після трагедії на Сухому озері Іванпах шахта Гірський перевал знову змінила власника. У 2005 році Chevron придбав його, але не відновив роботу. Потім, у 2008 році, новостворена компанія під назвою Molycorp Minerals придбала шахту з амбітними планами створити повний ланцюг постачання рідкоземельних металів у Сполучених Штатах.
Мета полягала не лише у видобутку та обробці руди, а й у виділенні бажаних елементів і навіть виготовленні з них магнітів. Наразі відділення та виробництво магнітів здійснюються за кордоном, переважно в Китаї. Компанія також запропонувала план, щоб уникнути виливання стічних вод у сусідні вразливі середовища існування. Molycorp відновила видобуток і запровадила процес «сухих хвостів» — метод вичавлювання 85 відсотків води з шахтних відходів, утворюючи густу пасту. Потім компанія зберігає знерухомлені пастоподібні залишки в облицьованих ямах на власній землі та повертає воду назад на об’єкт.
На жаль, Molycorp «була епічним провалом» з точки зору бізнесу, каже Метт Слоучер, старший віце-президент із комунікацій і політики MP Materials , нинішнього власника шахти Mountain Pass. Погане управління зрештою призвело до того, що Molycorp подала заяву про банкрутство згідно з розділом 11 у 2015 році. MP Materials купила шахту в 2017 році та відновила видобуток пізніше того ж року. До 2022 року шахта Mountain Pass виробляла 15 відсотків рідкісноземельних елементів у світі.
MP Materials також має амбітну програму з планами створити повний ланцюжок поставок. І компанія налаштована не повторювати помилок своїх попередників. «У нас є світового класу… неймовірне родовище, невикористаний потенціал», — каже Майкл Розенталь, операційний директор MP Materials. «Ми хочемо підтримувати надійний і різноманітний ланцюжок поставок у США, бути чемпіоном із магнетики в США»
Проблеми виділення рідкоземельних елементів
Спекотного серпневого ранку Слоучер стоїть на краю шахти Mountain Pass, гігантської діри в землі 800 метрів у поперечнику та до 183 метрів у глибину, достатньо великої, щоб її було видно з космосу. Це вражаюче видовище та хороша точка зору, з якої можна описати бачення майбутнього. Він вказує на різні будівлі: де руду подрібнюють і розмелюють, де мелені породи обробляють хімічно, щоб відшарувати якомога більше нерідкоземельних матеріалів, і де вода віджимається з цих відходів і відходи поміщаються в облицьовані ставки.
Кінцевим результатом є висококонцентрована рідкоземельна оксидна руда, яка ще не наближається до стадії виготовлення магнітів. Але у компанії є триетапний план «повного відновлення поставок рідкоземельних елементів у Сполучені Штати», від «рудника до магніту», — каже Розенталь. Етап 1, розпочатий у 2017 році, передбачав відновлення видобутку, дроблення та збагачення руди. Етап 2 завершиться хімічним розділенням рідкоземельних елементів. І етап 3 буде виробництво магнітів, каже він.
Джерела рідкоземельних елементів у часі
У середині 20 століття шахта Маунтін-Пасс у США була найбільшим у світі джерелом рідкоземельних оксидів. Китай почав домінувати у світовому виробництві в 1990-х роках. В останнє десятиліття повернення Mountain Pass разом із відкриттям Mount Weld в Австралії та виробництвом у М’янмі, Бразилії та інших місцях почали зміщувати цей баланс.
Глобальне виробництво рідкоземельних елементів
ДЖЕРЕЛО: SM JOWITT/
MRS BULLETIN 2022
З моменту запуску в 2017 році компанія MP Materials відправила свою концентровану руду до Китаю для наступних кроків, включаючи важкий, небезпечний процес відділення елементів один від одного. Але в листопаді компанія оголосила інвесторам, що вона почала попередні кроки для етапу 2, «важливої віхи» на шляху до реалізації своїх амбіцій шахти до магніту.
Завдяки інвестиціям Міністерства оборони США компанія будує два об’єкти розділення. Один із заводів видобуватиме легші рідкоземельні елементи — елементи з меншими атомними номерами, включаючи неодим і празеодім, обидва з яких є ключовими інгредієнтами постійних магнітів, які живлять електромобілі та багато побутової електроніки. MP Materials має додатковий грант від Міністерства оборони на проектування та будівництво другого переробного заводу для розділення важких рідкоземельних елементів, таких як диспрозій, також інгредієнт магнітів, та ітрій, який використовується для виготовлення надпровідників і лазерів.
Як і етап 2, етап 3 вже триває. У 2022 році компанія почала будівництво заводу з виробництва неодимових магнітів у Форт-Ворті, штат Техас. І він уклав угоду з General Motors про постачання цих магнітів для двигунів електромобілів.
Але поділ елементів пов’язаний із власним набором екологічних проблем.
Процес складний і призводить до великої кількості відходів. Рідкоземельні елементи надзвичайно схожі за хімічним складом, що означає, що вони мають тенденцію злипатися. Для їх роз’єднання потрібні кілька послідовних кроків і низка потужних розчинників, щоб розділити їх по одному. Наприклад, їдкий гідроксид натрію призводить до випадання церію із суміші. Інші етапи включають розчини, що містять органічні молекули, які називаються лігандами, які мають потужну жагу до атомів металів. Ліганди можуть вибірково зв’язуватися з окремими рідкоземельними елементами та витягувати їх із суміші.
Але однією з найбільших проблем цього процесу екстракції є його неефективність, каже Санта Янсоне-Попова, хімік-органік з Національної лабораторії Оук-Рідж у Теннессі. Видалення цих металів є повільним і недосконалим, і компаніям доводиться пройти через багато етапів вилучення, щоб отримати достатню товарну кількість елементів. З сучасними хімічними методами «вам потрібно багато, багато, багато етапів, щоб досягти бажаного розділення», каже Янсоне-Попова. Це робить увесь процес «складнішим, дорожчим і [він] створює більше відходів».
Під егідою Інституту критичних матеріалів Міністерства енергетики Янсоне-Попова та її колеги шукали спосіб зробити процес більш ефективним, виключивши багато з цих етапів. У 2022 році дослідники виявили ліганд, який, за їхніми словами, є набагато ефективнішим для захоплення деяких рідкоземельних елементів, ніж ліганди, які зараз використовуються в промисловості. За її словами, партнери з галузі готові випробувати новий процес цього року.
Окрім занепокоєння щодо важких металів та інших токсичних матеріалів у відходах, існують занепокоєння щодо потенційного впливу радіоактивності на здоров’я людини. Проблема в тому, що, за словами Алі, все ще є лише обмежені епідеміологічні докази впливу видобутку рідкоземельних металів на здоров’я людей і навколишнє середовище, і більшість цих доказів пов’язана з токсичністю важких металів, таких як миш’як. За його словами, також неясно, наскільки занепокоєння щодо радіоактивних відходів є науково обґрунтованими через низьку концентрацію радіоактивних елементів у видобутих рідкісноземельних металах.
Однак такі проблеми привертають увагу міжнародної спільноти. У 2019 році в Малайзії спалахнули протести через те, що активісти назвали «горою токсичних відходів», близько 1,5 мільйона метричних тонн, вироблених на заводі з розділення рідкоземельних елементів поблизу малазійського міста Куантан. Завод належить компанії Lynas, яка доставляє рідкоземельну руду з австралійського заводу Маунт-Велд на місце. Щоб розчинити рідкоземельні елементи, руду варять із сірчаною кислотою, а потім розбавляють водою. Залишок, який залишився, може містити сліди радіоактивного торію.
Лінас не мав постійного сховища для відходів, натомість складав їх на пагорбах поблизу Куантана. Але тривога щодо потенційної радіоактивності на цих пагорбах може бути перебільшеною, кажуть експерти. Lynas повідомляє, що працівники об’єкта зазнають опромінення менше ніж 1,05 мілізівертів на рік, що значно нижче порогового рівня радіаційного опромінення для працівників у 20 мілізівертів, встановленого Міжнародним агентством з атомної енергії.
«Існує багато дезінформації про такі побічні продукти, як торій… Торій, отриманий при переробці рідкоземельних елементів, насправді є дуже низьким рівнем випромінювання», — каже Алі. «Як людина, яка була відданим захисником навколишнього середовища, я зараз відчуваю, що не так багато науково обґрунтованих рішень щодо цих речей».
Враховуючи занепокоєння щодо нового видобутку, екологічні аналітичні центри, як-от Інститут світових ресурсів, закликають до більшої переробки існуючих рідкоземельних матеріалів, щоб зменшити потребу у новому видобутку та переробці.
«Шлях у майбутнє пов’язаний із отриманням максимальної користі від того, що ми витягуємо із землі», — каже Бустаманте з NRDC. «Зрештою, найбільший важіль змін полягає не в самому видобутку корисних копалин, а у виробництві та тому, що ми робимо з цими матеріалами в кінці терміну експлуатації».
Це означає максимально ефективне використання видобутих ресурсів, а також переробку рідкоземельних елементів із уже існуючих матеріалів. Отримання більшої користі з цих матеріалів може зменшити загальний вплив видобутку на навколишнє середовище, додає вона.
Це гідна мета, але переробка не є срібною кулею, каже Алі. По-перше, на даний момент недостатньо відпрацьованих рідкоземельних батарей та інших матеріалів для переробки. «Буде необхідний деякий майнінг, [оскільки] зараз у нас немає запасів». І ця проблема з пропозицією, додає він, буде тільки зростати зі збільшенням попиту.