Редкоземните елементи имат редица полезни свойства, които ги правят много търсени от технологичната и енергийната индустрия. Тази колекция от 17 метала включва 15-те метални елемента, открити в долната част на периодичната таблицакакто и елементите итрий и скандий.
Най-ценните от тях са неодимът, празеодимът, тербий и диспрозиум, които действат като суперсилни миниатюризирани магнити, жизненоважен компонент на електрониката, включително смартфони, батерии за електрически автомобили и вятърни турбини. Ограниченото им глобално предлагане обаче е голямо безпокойство за правителствата и корпорациите, които се нуждаят от тези метали, за да продължат да произвеждат всякакви съвременни основни стоки.
Но защо редкоземните елементи са толкова редки?
Оказва се, че всъщност не са толкова редки. Проучване на Геоложката служба на САЩ за „изобилието на кристали“ от различни елементи – което означава колко е налично, ако вземете средна стойност за земната кора – установи, че повечето от редкоземните елементи „са в същия порядък на величина като обикновените метали като мед и цинк, “ Арън Нобъл, професор и ръководител на катедрата по минно дело и минерално инженерство във Virginia Tech, каза пред Live Science. „Те със сигурност не са толкова редки като металите като среброто, злато и платина.“
Свързани: Кое е по-рядко: злато или диаманти?
Въпреки че елементите са доста често срещани, те са много трудни за извличане от естествените им източници.
„Неприятните земи“ би било по-добро име,“ Пол Земкевич, директор на Института за изследване на водата в Западна Вирджиния, каза пред Live Science. „Проблемът е, че те просто не са толкова концентрирани на едно място. Има около 300 милиграма на килограм [0.005 ounces per pound] на редкоземни елементи във всички шисти в Съединените щати. Приблизително толкова бихте получили, ако изкопаете дупка в задния си двор.“
Обикновено металите се концентрират в земната кора поради различни геоложки процеси, като поток от лава, хидротермална активност и формиране на планини. Въпреки това необичайната химия на редкоземните елементи означава, че тези метали обикновено не се събират заедно при тези извънредни условия. Следователно следи от тези елементи се разпространяват по цялата планета, което прави добива на тези материали особено неефективен.
Понякога изключително киселинните условия под земята могат леко да увеличат количеството редкоземни елементи, присъстващи в определени райони. Но намирането на тези неуловими обогатени сайтове е само първото предизвикателство.
В природата металите съществуват като съединения, наречени руди, които съдържат метални частици, свързани с други неметални вещества (наречени противойони) чрез силна йонна връзка. За да се получи чист метал, тези връзки трябва да бъдат прекъснати и противойоните трябва да бъдат отстранени – но трудността на това разделяне зависи от метала и въпросния противойон.
Рудите могат да съществуват за всички видове метали, не само за редкоземни елементи. Например медта и желязото също могат да образуват руди.
„Медната руда обикновено се среща като сулфид. Загрявате рудата до точката, в която тя отделя сулфидите като газ и чистата мед изпада от дъното на вашия реакционен съд. Това е доста лесно извличане“, обясни Ziemkiewicz. „Други, като железни оксиди, се нуждаят от добавка, която да ги накара да освободят метала. Но редкоземните елементи са много по-сложни за отделяне.“
Редкоземните метали естествено имат три положителни заряда и образуват невероятно силни йонни връзки с фосфатни противойони, всеки от които притежава три отрицателни заряда. Следователно процесът на екстракция трябва да преодолее много силното привличане между положителния метал и отрицателния фосфат – не малка задача.
„Това е много дълга и сложна верига за доставка на чист метал“, каза Нобъл. „Редкоземните руди са много химически стабилни минерали – трябва да вложите много енергия и химическа интензивност в тях, за да ги разградите. Често този процес използва много ниско pH, много агресивни условия и много високи температури, защото тези връзки държащите рудите заедно са толкова силни.“
Именно тази трудност при извличането на чистия елемент дава името на редкоземните елементи. Някои изследователи работят върху нови методи за рециклиране и извличане на тези ценни метали от стара електроника и промишлени отпадъци, за да намалят натиска върху текущите доставки; други се опитват да възпроизведат необичайните магнитни и електронни свойства в нови съединения, за да осигурят алтернатива на тези неуловими метали и които биха могли да пасат в по-достъпни и създадени от човека съединения, които се държат като редкоземни елементи.
За момента обаче няма заместител на обезпокоителните редкоземни елементи, дори когато търсенето расте рязко.