Hoe zeldzaam zijn zeldzame aardmetalen werkelijk?

Zeldzame aardmetalen, een groep van 17 metalen, komen relatief veel voor in de aardkorst, maar ze zijn extreem moeilijk te winnen.

Neodymium, een van de zeldzame aardmetalen die extreem moeilijk te winnen is. Foto: RHJ/Getty — Neodymium, een van de zeldzame aardmetalen die extreem moeilijk te winnen is. Foto: *RHJ/Getty*

Zeldzame aardmetalen hebben veel nuttige eigenschappen die ze zeer populair maken in de energie- en technologiesector. Deze groep omvat 17 metalen, waaronder 15 metaalelementen onderaan het periodiek systeem, samen met de twee elementen yttrium en scandium.

De meest waardevolle van deze elementen zijn neodymium, praseodymium, terbium en dysprosium. Deze werken als krachtige miniatuurmagneten en vormen een belangrijk onderdeel van elektronische apparaten zoals smartphones, accu's van elektrische auto's en windturbines. De beperkte voorraad zeldzame aardmetalen vormt echter een grote zorg voor bedrijven en overheden die deze moderne benodigdheden produceren.

Zeldzame aardmetalen zijn eigenlijk helemaal niet zo zeldzaam. Volgens een USGS-studie naar de kristallijne hoeveelheden van verschillende elementen (hoe overvloedig ze gemiddeld in de aardkorst voorkomen), worden de meeste zeldzame aardmetalen in ongeveer dezelfde hoeveelheden aangetroffen als gewone metalen zoals koper en zink. "Ze zijn zeker niet zo zeldzaam als metalen zoals zilver, goud en platina", zegt Aaron Noble, professor aan Virginia Tech.

Maar het is extreem moeilijk om ze uit natuurlijke bronnen te winnen. "Het probleem is dat ze niet op één plek geconcentreerd zijn. Er zit ongeveer 300 milligram zeldzame aardmetalen in elke kilo schalie in de Verenigde Staten", zegt Paul Ziemkiewicz, directeur van het West Virginia Water Research Institute.

Normaal gesproken hopen metalen zich op in de aardkorst door verschillende geologische processen, zoals lavastromen, hydrothermale activiteit en gebergtevorming. De ongewone chemische eigenschappen van zeldzame aardmetalen zorgen er echter voor dat ze zich onder deze bijzondere omstandigheden niet vaak samen ophopen. Sporen van zeldzame aardmetalen zijn verspreid over de planeet, waardoor de winning ervan inefficiënt is.

Soms kunnen zure ondergrondse omgevingen de hoeveelheid zeldzame aardmetalen op bepaalde locaties licht verhogen. Maar het vinden van deze locaties is slechts de eerste uitdaging.

In de natuur bestaan metalen als mengsels, ertsen genaamd, die metaalmoleculen bevatten die door sterke ionbindingen aan andere niet-metalen (tegenionen) gebonden zijn. Om zuivere metalen te verkrijgen, moeten mensen deze bindingen verbreken en de niet-metalen verwijderen. De moeilijkheidsgraad van dit werk hangt af van het metaal en het niet-metaal waaraan ze gebonden zijn.

"Kopererts komt meestal voor in de vorm van sulfiden (chemicaliën bestaande uit zwavel en andere elementen). Je verhit het erts tot het punt waarop de sulfiden als gas ontsnappen en het zuivere koper naar de bodem van de reactor zakt. Dat is een vrij eenvoudig extractieproces. Sommige andere soorten, zoals ijzeroxide, vereisen additieven om het metaal vrij te maken. Maar het scheiden van zeldzame aardmetalen is veel ingewikkelder", legt Ziemkiewicz uit.

Zeldzame aardmetalen hebben drie positieve ladingen en vormen extreem sterke ionische bindingen met fosfaat-tegenionen, die elk drie negatieve ladingen hebben. Daarom moet het extractieproces de extreem sterke binding tussen het positieve metaal en het negatieve fosfaat overwinnen.

"Zeldzame aardmetalen zijn chemisch zeer stabiele mineralen en het kost veel energie en chemische kracht om ze af te breken. Dat proces vereist doorgaans een extreem lage pH-waarde, zware omstandigheden en extreem hoge temperaturen, omdat de bindingen in het erts ongelooflijk sterk zijn", aldus Noble.

De moeilijkheid om de zuivere elementen te isoleren, heeft ze de naam "zeldzame aarden" opgeleverd. Sommige experts onderzoeken nieuwe methoden voor recycling en het extraheren van deze waardevolle metalen uit industrieel afval en oude elektronica om de druk op de huidige voorraden te verlichten. Ze proberen ook de unieke magnetische en elektronische eigenschappen van zeldzame aarden na te bootsen in nieuwe verbindingen, in de hoop dat deze toegankelijkere alternatieven zullen worden. Er zijn momenteel echter geen haalbare alternatieven voor zeldzame aarden, ondanks de groeiende vraag.

Thu Thao (volgens Live Science )

Bronlink