希土類元素は17種類の金属からなるグループで、地殻中に比較的豊富に存在するが、その抽出は極めて困難である。
ネオジムは、採掘が極めて困難な希土類元素の一つである。写真： RHJ/Getty
希土類元素は多くの有用な特性を持つため、エネルギー産業や技術産業で非常に需要が高い。このグループは17種類の金属から構成され、周期表の末尾にある15種類の金属に加え、イットリウムとスカンジウムが含まれる。
これらの元素の中で最も価値が高いのは、ネオジム、プラセオジム、テルビウム、ジスプロシウムであり、これらは超強力な小型磁石として機能し、スマートフォン、電気自動車のバッテリー、風力タービンなどの電子機器の重要な構成要素となっている。しかし、希土類元素の供給量が限られていることは、これらの現代生活に不可欠な製品を生産する上で、企業や政府にとって大きな懸念事項となっている。
希土類元素は実際にはそれほど希少ではない。米国地質調査所（USGS）による様々な元素の結晶存在量（地殻全体における平均的な存在量）に関する研究によると、ほとんどの希土類元素は銅や亜鉛といった一般的な金属とほぼ同じ量で存在している。「銀、金、プラチナといった金属ほど希少ではないのは確かです」と、バージニア工科大学のアーロン・ノーブル教授は述べている。
しかし、天然資源からそれらを抽出するのは非常に難しい。「問題は、それらが一箇所に集中していないことです。米国全土の頁岩1キログラムあたり、約300ミリグラムの希土類元素が含まれています」と、ウェストバージニア水資源研究所所長のポール・ジエムキエヴィッチ氏は述べている。
一般的に、金属は溶岩流、熱水活動、造山運動といった様々な地質学的プロセスによって地殻に集中します。しかし、希土類元素は特異な化学的性質を持つため、これらの特定の条件下で一箇所に集中することは通常ありません。希土類元素は地球全体に微量ながら散在しているため、その採掘効率は低くなります。
酸性の地下環境は、特定の場所において希土類元素の濃度をわずかに上昇させる場合がある。しかし、こうした場所を見つけることは、最初の課題に過ぎない。
自然界では、金属は鉱石と呼ばれる混合物として存在し、金属分子が他の非金属（反イオン）と強いイオン結合で結びついています。純粋な金属を得るには、これらの結合を切断し、非金属を取り除く必要があります。この作業の難易度は、金属の種類と、それが結合している非金属の種類によって異なります。
「銅鉱石は通常、硫化物（硫黄と他の元素を含む化合物）の形で存在します。鉱石を加熱して硫化物をガスとして放出させると、純粋な銅が反応炉の底に沈殿します。これは比較的簡単な抽出プロセスです。酸化鉄など、金属を分離するために添加剤が必要なものもあります。しかし、希土類元素の分離ははるかに複雑です」とジエムキエヴィッチ氏は説明します。
希土類金属は3つの正電荷を持ち、それぞれ3つの負電荷を持つリン酸イオンと非常に強いイオン結合を形成します。したがって、抽出プロセスでは、正電荷を持つ金属と負電荷を持つリン酸イオンとの間の非常に強い結合を克服する必要があります。
「希土類鉱石は非常に化学的に安定した鉱物であり、分解するには膨大なエネルギーと化学力が必要です。通常、鉱石内部の結合が非常に強いため、そのプロセスには極めて低いpH値、過酷な条件、そして極めて高い温度が必要となります」とノーブル氏は述べた。
純粋な元素を抽出することが難しいことから、それらは「希土類元素」と呼ばれています。一部の専門家は、現在の供給への負担を軽減するため、産業廃棄物や古い電子機器からこれらの貴重な金属をリサイクル・抽出する新しい方法を研究しています。また、希土類元素特有の磁気特性や電子特性を新しい化合物で再現しようと試みており、これらの新しい化合物がより入手しやすい代替品となることを期待しています。しかし、需要が高まっているにもかかわらず、現在、希土類元素に代わる効果的な代替品は存在しません。
トゥ・タオ（ライブサイエンスによると）
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