17 種類の金属からなる希土類元素は、地球の地殻に比較的豊富に存在しますが、その抽出は極めて困難です。
採掘が極めて難しい希土類元素の一つ、ネオジム。写真： RHJ/ゲッティ
希土類元素は多くの有用な特性を有しており、エネルギー産業やテクノロジー産業で非常に需要があります。このグループは、周期表の末尾に位置する15種類の金属に加え、イットリウムとスカンジウムを含む17種類の金属で構成されています。
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、ジスプロシウムです。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部品となっています。しかし、希土類元素の供給が限られていることは、これらの現代の必需品を生産する企業や政府にとって大きな懸念事項となっています。
希土類元素は実際にはそれほど希少ではありません。米国地質調査所（USGS）による様々な元素の結晶存在比（地殻全体の平均的な存在量）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などの一般的な金属とほぼ同じ量で存在しています。「銀、金、プラチナなどの金属ほど希少ではないことは確かです」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ます。
しかし、天然資源から希土類元素を抽出するのは極めて困難です。「問題は、それらが一箇所に集中していないことです。全米の頁岩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州水資源研究所所長のポール・ジムキエヴィッチ氏は述べています。
通常、金属は溶岩流、熱水活動、山脈の形成など、様々な地質学的プロセスによって地殻に濃縮されます。しかし、希土類元素は特殊な化学的性質を持つため、これらの特定の条件下では通常、互いに濃縮されません。希土類元素の痕跡は地球全体に散在しており、抽出効率を低下させています。
酸性の地下環境により、特定の場所では希土類元素の濃度がわずかに上昇することがあります。しかし、こうした場所を見つけることは、最初の課題に過ぎません。
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）と強力なイオン結合によって結合しています。純粋な金属を得るには、これらの結合を切断し、非金属を除去する必要があります。この作業の難易度は、金属の種類と、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（硫黄などの元素を含む化合物）の形で存在します。鉱石を加熱すると硫化物がガスとなって放出され、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。鉄酸化物など、他の元素の場合は、金属を取り出すために添加剤が必要です。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、リン酸の反イオン（それぞれ3つの負電荷を持つ）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。
「希土類鉱石は化学的に非常に安定した鉱物であるため、分解には多大なエネルギーと化学反応が必要です。鉱石内の結合が非常に強いため、分解には通常、極めて低いpHレベル、過酷な条件、そして極めて高い温度が必要になります」とノーブル氏は述べた。
純粋な元素の抽出が困難なことから、これらの元素は「レアアース」と呼ばれています。一部の専門家は、現在の供給逼迫を軽減するため、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・抽出する新たな方法を研究しています。また、レアアース特有の磁気特性や電子特性を新たな化合物に再現しようと試みており、これらの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。しかしながら、需要の増加にもかかわらず、現状ではレアアースの有効な代替品は存在しません。
Thu Thao （ Live Scienceによると）
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