Þegar þú situr með snjallsímann í höndunum heldur þú á meira en helmingi allra stöðugra frumefna. Margir þessir málmar eru ekki einungis sjaldgæfir heldur eru þeir unnir hinum megin á hnettinum.
Nánast öll rafeindatækni nútímans byggir á nokkrum framandi málmtegundum. Það sama á við um umhverfisvænar lausnir eins og sólarsellur og rafbíla.
Því miður eru stærstu framleiðendurnir oft þjóðir sem Vesturlönd lenda upp á kant við, t.d. Kína. Þessu fékk Japan að kenna á árið 2010 þegar Kína hætti skyndilega að flytja sum hráefni til nágrannans eftir ágreining milli kínverskra sjómanna og japönsku strandgæslunnar.
Til þess að hafna ekki í sambærilegum aðstæðum vonast ESB til að verða sjálfbær eins og kostur er, m.a. varðandi svonefnda fágæta jarðmálma.
Fyrir nokkrum árum virtist sá draumur harla fjarlægur en nú lítur allt í einu út fyrir að hann gæti orðið að raunveruleika.
Í bæði Svíþjóð og Noregi hefur nefnilega fundist umtalsvert magn af slíkum fágætum málmum og nú verða nýjar efnaverksmiðjur brátt tilbúnar til að fullvinna þá.
Kína stýrir heimsmarkaði
Þörfin á frumefnum frá Noregi og Svíþjóð stafar af tilskipun ESB um nauðsynleg hráefni, CRMA sem er ætlað að veita ESB öruggan og sjálfbæran aðgang að nokkrum mikilvægum og fágætum jarðmálmum.
Eitt helsta markmiðið er að auka eigin framleiðslu ESB á fágætum jarðmálmum, einkum þar sem Kína hefur núna nánast einokun á frumefnunum sem skipta sköpum fyrir rafeindatækni okkar.
7.400 tonn af fágætum jarðmálmum flytur Evrópa inn ár hvert frá Kína sem ræður heimsmarkaðnum.
Skýrslur frá m.a. jarðfræðistofnun BNA sýna t.d. að á heimsvísu framleiðir Kína 98% af öllu gallíni og 80% af öllu magnesíni.
Jafnframt eru Kínverjar í fararbroddi varðandi þá tækni sem til þarf til að ná fágætum frumefnum út úr málmgrýti. Þetta leiðir til þess að Kínverjar eru nær einir um að fínvinna fjölmörg frumefni sem sótt eru til annarra landa.
Þetta á t.d. við áðurnefnda jarðmálma. Þar ræður Kína allt að 90% af heimsmarkaði við fullvinnslu. Og það eru einmitt fágætir jarðmálmar sem þarf til að framleiða umhverfisvænan, tæknilegan búnað.
Rafeindabrella veitir ofurkrafta
Fágætir jarðmálmar tilheyra hópi 17 frumefna sem hafa sérstaka atómgerð. Þeir einkennast nefnilega af því að hafa svokallað f-svigrúm á rafeindabrautum sínum.
Svigrúm er orð efnafræðinga fyrir þau ský sem rafeindirnar eru staddar í umhverfis atómkjarnann.
Það er einmitt vegna þess að fágætir jarðmálmar hafa rafeindir í f-svigrúmi sem þessi hópur frumefna öðlast sérstaka eiginleika varðandi getuna til að senda út ljós, mynda segulsvið og stöðugleika sem verkfræðingar hafa mikinn áhuga á. Þetta á t.d. við um málmana evrópín og terbín sem eru notaðir í skjái og LED-ljós.
Farsíminn nýtir nánast allt lotukerfið
Litín í rafhlöðum er langt því frá eini framandi málmurinn í snjallsímanum þínum. Í reynd inniheldur snjallsími allt að 62 frumefni – og mörg þeirra eru svonefndir fágætir jarðmálmar.
1. Næmur málmur skynjar snertingu.
Snertiskjár inniheldur gegnsæja og leiðandi filmu af indíumtinoxíði. Þegar fingur þinn snertir skjáinn breytist rafsvið sem síminn nemur eins og „snertiatburð“ á tilteknum stað á skjánum.
2. Sjaldgæfir málmar kveikja á skjánum
Skjárinn sýnir myndir með fljótandi kristöllum, betur þekkta sem LCD. Styrkur straumsins ákvarðar hversu öflugur hver pixill í myndinni lýsir meðan litirnir eru skapaðir af fágætum jarðmálmum eins og terbíni (grænn) og evróbíni (rautt).
3. Seglar mynda hljóð og titring
Blöndur af málmunum neódými og praseódými eru að verki í örsmáum sterkum og hitaþolnum seglum sem fá hátalarann og hljóðnemann til að virka. Auk þess nýtist neódým og dysprósín í titringseiningunni.
Farsíminn nýtir nánast allt lotukerfið
Litín í rafhlöðum er langt því frá eini framandi málmurinn í snjallsímanum þínum. Í reynd inniheldur snjallsími allt að 62 frumefni – og mörg þeirra eru svonefndir fágætir jarðmálmar.
1. Næmur málmur skynjar snertingu.
Snertiskjár inniheldur gegnsæja og leiðandi filmu af indíumtinoxíði. Þegar fingur þinn snertir skjáinn breytist rafsvið sem síminn nemur eins og „snertiatburð“ á tilteknum stað á skjánum.
2. Sjaldgæfir málmar kveikja á skjánum
Skjárinn sýnir myndir með fljótandi kristöllum, betur þekkta sem LCD. Styrkur straumsins ákvarðar hversu öflugur hver pixill í myndinni lýsir meðan litirnir eru skapaðir af fágætum jarðmálmum eins og terbíni (grænn) og evróbíni (rautt).
3. Seglar mynda hljóð og titring
Blöndur af málmunum neódými og praseódými eru að verki í örsmáum sterkum og hitaþolnum seglum sem fá hátalarann og hljóðnemann til að virka. Auk þess nýtist neódým og dysprósín í titringseiningunni.
Neódým er líklega þekktast af þessum fágætu jarðmálmum. Ásamt járni og bór kemur það við sögu í litlum, léttum og afar öflugum seglum sem varðveita styrk sinn, sama hvað á dynur.
Orsökin er sú að neódýmseglar láta sig engu varða önnur segulsvið og missa því ekki styrk sinn með tímanum. Ef jarðmálminum dysprósíni er bætt við neódýmseglana geta þeir jafnvel þolað afar hátt hitastig.
Það eru einmitt litlir, sterkir og endingargóðir seglar sem skipta sköpum í grænni tækni, því þeir skila mikilli afkastagetu í takmörkuðu rými.
Fágætir jarðmálmar finnast í steindum í formi efnasambanda sem kallast oxíð. Hér gefur m.a. að líta segulmögnuðu málmana praseódým (svart) og neódým (grátt).
Í vindmyllum nýtast neódýmseglar t.d. í þeim rafölum sem umbreyta orku vindsins í rafmagn.
Ef framleiðendur þyrftu þess í stað að nota venjulega segla þyrftu rafalarnir að vera miklu stærri og ekki eins skilvirkir en slíkt myndi kosta fleiri hráefni og auka kostnaðinn við grænu orkuskiptin.
Í rafbílum gegna neódýmseglarnir nánast sama hlutverki, bara með öfugum formerkjum. Þarna er þá að finna í þeim hluta mótorsins sem umbreytir rafmagni rafhlöðunnar í hreyfingu.
Ættu bílaframleiðendur þess í stað að nýta venjulega segla myndi afkastagetan falla og orkunotkunin aukast við hvern keyrðan kílómetra.
Það er því ekki að furða að ESB vilji tryggja sér öruggan aðgang að neódými og öðrum fágætum málmum. Og þá koma Norðurlöndin til skjalanna og rétta fram hjálparhönd.
Skandinavía er gullnáma
Í fararbroddi er Svíþjóð sem býr yfir meira en 1.000 ára langri sögu af vinnslu málma úr jörðu.
Áður fyrr skiluðu námur landsins gríðarlegu magni af járni, kopar og silfri. Nú síðast í janúar 2023 tilkynnti sænska námufélagið LKAB sem er í eigu ríkisins, að áhugavert magn af neódými og prasedými hefði fundist, m.a. á svæðinu í kringum Kiruna í norðanverðri Svíþjóð.
Í jarðlögum í Skandinavíu er að finna töluvert magn fágætra málma
Fundur á sjaldgæfum jarðmálmum við Ulefoss í Noregi og Kiruna í Svíþjóð gagnast einkum vindmyllutækninni. Í jarðlögunum hefur fundist vinnanlegt magn af segulmögnuðu málmunum neodými og praseódými sem eru nauðsynlegir í rafala í vindmyllum.
Fyrirtækið áætlar að í jarðlögum þar sé að finna minnst eina milljón tonna af svokölluðum oxíðum af fágætum jarðmálmum.
Þrátt fyrir að þetta virðist vera afar mikið er þéttni þessara jarðmálma í Kiruna tiltölulega lítil. Til að vinna þessa fágætu málma þarf að brjóta gríðarlegt magn af bergi og það er mjög kostnaðarsamt.
En á svæðinu við Kiruna finnst einnig steindin apatít sem er klár ávinningur. Apatít inniheldur nefnilega fosfór sem er mikilvægt áburðarefni í landbúnaði og með því að vinna önnur frumefni úr sama málmgrýti getur kostnaðurinn lækkað verulega mikið. En samkeppnin verður áfram mikil.
Samkvæmt sænska námafyrirtækinu LKAB innihalda jarðlögin undir Kiruna mikið magn af neódými og praseódými í steintegundinni apatíti.
Í júní 2024 tilkynnti Noregur nefnilega sambærilega fundi á þessum fágætu jarðmálmum. Reyndar virðast málmarnir hjá Norðmönnum vera í mun meira magni en hjá Svíum og mögulega ríkustu svæðin í Evrópu.
En þrátt fyrir þessa mikilvægu fundi bíður Evrópubúa það erfiða verkefni að ná frumefnunum úr málmgrýtinu.
1 milljón tonna af sjaldgæfum jarðmálmaoxíðum leynast í berglögum við Kiruna.
Það er nefnilega bæði erfitt og kostnaðarsamt að ná fágætum jarðmálmum út úr öðrum steindum í berginu og það er einmitt þetta ferli sem Kínverjar hafa náð lang bestum tökum á. En nú hefur fyrirtækið REEtec í eigu Svía og Norðmanna fundið nýja norræna lausn.
Vinnslan fær samkeppni
Fyrirtæki þetta vill vitanlega ekki gefa upp smáatriði í ferlinu en verkfræðingar REEtec hafa þróað ferli sem skapar efnafræðilegar tengingar milli fágætra jarðmálma og súrefnis, svokölluð oxíð, af slíkum gæðum að það uppfyllir helstu kröfur iðnaðarins.
Samkvæmt REEtec er einn helsti kostur við aðferðina sem hefur verið í þróun frá 2008 sá að hún er ákaflega sjálfbær.
Til dæmis eru öll efnasambönd og hráefni úr ferlinu endurnýtt rétt eins og að allt rafmagn kemur frá vatnsaflsvirkjun.
Annar kostur við tæknina er sá að hægt er að meðhöndla margar gerðir hráefnis, jafnvel gamla segla. Og rétt eins og raunin er með aðra málma er endurnýting oft ódýrari og sjálfbærari heldur en frumvinnsla nýrra efna.
Efnaverksmiðja umbreytir eðju í tæknilegt gull
Mörg fyrirtæki hafa þróað umhverfisvæna ferla til að vinna fágæta jarðmálma úr málmgrýti. Í framtíðinni gæti það gert Evrópu sjálfbæra um frumefni eins og neódým og praseódým.
1. Sýra losar frumefnin
Málmgrýtið er malað niður í fínt púður. Það eykur yfirborðið þannig að efnaferlar ganga hraðar fyrir sig. Þessu næst er bætt við ólífrænni sýru, t.d. saltpéturssýru. Sýran losar jarðmálmana í sundur og skilur þá frá afgangnum af málmgrýtinu.
2. Málmsölt sökkva til botns
Í vökvann er bætt oxalsýru sem t.d. má finna í rabarbara. Sýran verður til þess að uppleystir jarðmálmarnir falla út og sökkva til botns í ílátinu sem ein gerð af salti, svokölluðu oxalatíni, t.d. neódýmín-oxalat sem er síðan hitað upp.
3. Rafmagn fangar málmana
Súrefni er bætt út í saltvatnið ásamt ammoníaki og vatni þannig að rafhlaðnar jónir málmanna myndast. Þessu næst er straumur leiddur í gegnum vökvann sem fær jónirnar til að halda að plúspólnum þar sem hreinn málmur safnast saman.
Þrátt fyrir að ESB fagni líklega þessum nýju fundum í Skandinavíu og úrræðasemi REEtec, er samt ennþá löng leið í að fyrstu vörubílarnir með fágæta jarðmálma setji stefnuna suður á bóginn.
Í bæði Noregi og Svíþjóð er að finna stranga löggjöf hvað varðar umhverfi og vafalítið getur liðið einn áratugur áður en slík námuvinnsla getur hafist.
Þess vegna leita teymi vísindamanna um allan heim að mögulegum öðrum lausnum í formi tækni þar sem fágæt frumefni skipa ekki svo stóran sess við framleiðslu rafeindatækja.
Það á t.d. við um miðstöð sjálfbærra orkuefna sem var komið á stofn árið 2024 við háskólann í Árhúsum í Danmörku þar sem prófessor Dorte Ravnsbæk leiðir starfið.
Þar vinna vísindamenn m.a. við að þróa rafhlöður með mikilli afkastagetu en án frumefnanna litíns og kóbalts. Þessi tvö frumefni teljast ekki til fágætra jarðmálma en bæði eru þau unnin víðsvegar í heiminum með verulega skaðlegum áhrifum fyrir umhverfið.
Ástralía er stærsti framleiðandi heims á litíum, sem meðal annars er unnið úr saltpækli. Framleiðslan veldur mengun og felur í sér mikla hættu fyrir grunnvatn.
Annar möguleiki er að skapa öfluga og varanlega segla þar sem ekki þarf að bæta við neódými.
Slíka segla tekur jafnan mörg ár að þróa en í júní 2024 tilkynnti breska fyrirtækið Material Nexus að því hafi tekist með aðstoð gervigreindar að finna upp nýtt segulmagnað efni án fágætra jarðmálma. Efni þetta er að sögn bæði fimm sinnum ódýrara og þrisvar sinnum minna mengandi.
Hvort það verður námufyrirtæki eða vísindamenn í efnafræði sem koma fyrstir með nýja segla er óljóst. Óháð því virðist samt sem áður tilfellið vera það að Kína muni með einum eða öðrum hætti glata einokun sinni á þessum fágætu frumefnum og það eru – hvað sem öðru líður – góð tíðindi bæði fyrir Evrópu og grænu orkuskiptin.
