Τι είναι οι σπάνιες γαίες και πού χρησιμοποιούνται
Οι σπάνιες γαίες (Rare Earth Elements, REE) είναι μια κατηγορία δεκαεπτά χημικών στοιχείων τα οποία βρίσκονται υπό τη μορφή μεταλλευμάτων στον φλοιό της Γης. Τα στοιχεία αυτά είναι τα σκάνδιο, ύττριο, λανθάνιο, δημήτριο, πρασεοδύμιο, νεοδύμιο, προμήθειο, σαμάριο, ευρώπιο, γαδολίνιο, τέρβιο, δυσπρόσιο, όλμιο, έρβιο, θούλιο, υττέρβιο και λουτήτσιο. Η πλειονότητα αυτών των στοιχείων ανήκει στην κατηγορία των λανθανίδων στον περιοδικό πίνακα λόγω των χημικών ομοιοτήτων που παρουσιάζουν με το λανθάνιο.
Από τις σπάνιες γαίες, το προμήθειο είναι το μόνο στοιχείο που δεν συναντάται στη φύση, αλλά κατασκευάστηκε για πρώτη φορά στο εργαστήριο το 1945. Με εξαίρεση το σκάνδιο, οι υπόλοιπες σπάνιες γαίες είναι βαρύτερες του σιδήρου. Αυτό σημαίνει ότι, σύμφωνα με τις υπάρχουσες θεωρίες αστρικής γένεσης και προέλευσης των χημικών στοιχείων, οι σπάνιες γαίες προέρχονται από διαδικασίες που συμβαίνουν κυρίως κατά την έκρηξη υπερκαινοφανών. Το πρώτο ορυκτό που περιείχε σπάνιες γαίες ανακαλύφθηκε το 1800, στο χωριό Ytterby της Σουηδίας και αργότερα αναγνωρίστηκαν σ’ αυτό τα στοιχεία ύττριο και δημήτριο.
Οι ξεχωριστές ιδιότητες των σπάνιων γαιών, οι οποίες οφείλονται στην ηλεκτρονική δομή των ατόμων τους, τις έχουν καταστήσει απαραίτητες στις σύγχρονες εφαρμογές, όπως η ηλεκτρονική τεχνολογία, η μεταλλουργία και η παραγωγή «πράσινης» ενέργειας. Για παράδειγμα, το νεοδύμιο, το δυσπρόσιο και το όλμιο χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ισχυρών μόνιμων μαγνητών, οι οποίοι βρίσκουν εφαρμογές στις ηλεκτρικές γεννήτριες, τα ηχεία, τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα και τις ανεμογεννήτριες. Η κατασκευή γυαλιού για οθόνες ηλεκτρονικών συσκευών, φακούς και κάτοπτρα ακριβείας βασίζεται στις ξεχωριστές φυσικές και χημικές ιδιότητες του δημήτριου, του λανθάνιου και του πρασεοδύμιου, ενώ το έρβιο και το ευρώπειο χρησιμοποιούνται στις οπτικές ίνες και τις οθόνες υγρών κρυστάλλων. Ενδεικτική της καθημερινής χρήσης των σπάνιων γαιών είναι η ποσότητα στην οποία τις συναντάμε σε διάφορες από τις παραπάνω εφαρμογές. Για παράδειγμα, ένα κινητό περιέχει περίπου μισό γραμμάριο από αυτά τα στοιχεία, ένα κλιματιστικό περίπου εκατό γραμμάρια, ενώ για εξειδικευμένες εφαρμογές, όπως ηλεκτρικά αμάξια, πολεμικά αεροσκάφη και πλοία, μπορεί να χρειαστούν από μερικές δεκάδες έως περισσότερα από μερικές εκατοντάδες κιλά. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, η ευρεία χρήση της τεχνολογίας στην καθημερινή μας ζωή έχει εκτοξεύσει τις ανάγκες για σπάνιες γαίες.
Εξόρυξη σπάνιων γαιών και προκλήσεις
Παρ’ όλο που το όνομά της κατηγορίας αυτών των στοιχείων υποδηλώνει σπανιότητα, οι σπάνιες γαίες στην πραγματικότητα δεν είναι σπάνιες και εντοπίζονται σε πολλές περιοχές της Γης. Μάλιστα, κάποια από αυτά τα μεταλλεύματα βρίσκονται σε μεγαλύτερη αφθονία από ό,τι, π.χ., ο χρυσός. Ωστόσο, είναι σπάνιος ο εντοπισμός κοιτασμάτων που μπορούν να αξιοποιηθούν με οικονομικά συμφέρον τρόπο. Κάθε έτος παράγονται περίπου 140.000 τόνοι οξειδίων των σπάνιων γαιών και οι χώρες με τα μεγαλύτερα αποθέματα είναι, κατά σειρά, η Κίνα, η Βραζιλία, η Ρωσία και οι ΗΠΑ. Ωστόσο, περισσότερο από το 90% της παραγωγής προέρχεται σήμερα από την Κίνα.
Τα αντίστοιχα ορυκτά περιέχουν συνήθως όλες τις σπάνιες γαίες (πλην του ασταθούς και τεχνητά παραγόμενου προμήθειου) σε ποικίλες περιεκτικότητες. Επομένως δεν υπάρχουν, για παράδειγμα, ορυχεία νεοδυμίου, αλλά ορυχεία σπάνιων γαιών και η διαδικασία εξόρυξης οδηγεί στην παραγωγή περισσότερων από μία σπάνιων γαιών αναλόγως με την περιεκτικότητα του ορυκτού στην καθεμία.
Η παραγωγή των σπάνιων γαιών περιλαμβάνει μια σειρά από μηχανικές και ηλεκτροχημικές διεργασίες, οι οποίες με τη σειρά τους απαιτούν τη χρήση επιβλαβών για το περιβάλλον χημικών ουσιών και τεράστιες ποσότητες νερού και ηλεκτρικής ενέργειας. Το αποτέλεσμα είναι να εκλύονται τεράστια ποσά θερμότητας και να αποβάλλονται στο περιβάλλον χιλιάδες τόνοι αποβλήτων. Οι περιβαλλοντικές συνέπειες της εξόρυξης σπάνιων γαιών σε περιοχές της Κίνας είναι τεράστιες και το πρόβλημα οξύνεται από τις παράνομες εγκαταστάσεις εξόρυξης, οι οποίες τροφοδοτούν τη μαύρη αγορά σπάνιων γαιών. Η κινεζική κυβέρνηση προσπαθεί να μειώσει τις συνέπειες πιέζοντας τις εταιρείες που επωφελούνται από την εξόρυξη των μεταλλευμάτων να επωμιστούν μέρος του κόστους καθαρισμού των περιοχών που έχουν πληγεί. Ταυτόχρονα, υπάρχουν ανησυχίες ότι πιθανές επιπτώσεις θα υπάρχουν και σε άλλες περιοχές του κόσμου που προορίζονται για την εξόρυξη σπάνιων γαιών, όπως στην Αφρική.
Η επιστημονική και τεχνολογική κοινότητα αναζητά τρόπους η παραγωγή και η κατανάλωση σπάνιων γαιών να γίνει πιο αποδοτική. Μία από τις προκλήσεις που αντιμετωπίζονται είναι και το λεγόμενο πρόβλημα ισορροπίας, το οποίο αφορά την ισορροπία μεταξύ της φυσικής αφθονίας των σπάνιων γαιών και της ζήτησής τους. Όπως ήδη αναφέρθηκε, τα ορυκτά περιέχουν συνήθως όλες τις σπάνιες γαίες σε ποικίλες περιεκτικότητες, επομένως η εξόρυξή τους έχει ως αποτέλεσμα να συγκεντρώνονται τα στοιχεία αυτά σε, αντιστοίχως, ποικίλες ποσότητες. Ωστόσο, οι τεχνολογικές εφαρμογές για τις οποίες προορίζονται οι σπάνιες γαίες δεν χρησιμοποιούν εξίσου όλα τα στοιχεία, με αποτέλεσμα κάποια από αυτά να συσσωρεύονται και να αποθηκεύονται, ενώ άλλα να αξιοποιούνται. Η ιδανική κατάσταση θα ήταν να μπορούσαν να αξιοποιούνται όλες οι σπάνιες γαίες που παράγονται από μια εγκατάσταση εξόρυξης. Το πρόβλημα εντείνεται και από το ότι οι σύγχρονες εφαρμογές απαιτούν πλέον εξευγενισμένες σπάνιες γαίες, σε αντίθεση με τις παλιότερες εφαρμογές, που χρησιμοποιούσαν μείγματα. Εάν δεν υπήρχε το πρόβλημα της ισορροπίας, για κάθε σπάνια γαία η προσφορά θα εξισορροπούσε τη ζήτηση, με αποτέλεσμα και τα δεκαεπτά χημικά στοιχεία να έχουν την κατώτατη τιμή στην αγορά.
Πιθανές λύσεις στο πρόβλημα της ισορροπίας, που ίσως οδηγήσουν και σε μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων, είναι η ανακύκλωση των σπάνιων γαιών και η εξεύρεση τρόπων να αντικατασταθούν από άλλα ή να αξιοποιηθούν περισσότερο τα στοιχεία που μέχρι στιγμής δεν χρησιμοποιούνται. Οι λύσεις αυτές έχουν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους και η υλοποίησή τους αποτελεί αντικείμενο έρευνας για τις αντίστοιχες κοινότητες.
Σπάνιες γαίες και απολιθώματα ψαριών
Πρόσφατες έρευνες υποστηρίζουν πως μια πλούσια πηγή σπάνιων γαιών είναι η λάσπη στον βυθό του ωκεανού. Μάλιστα, σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε μόλις τον Ιούνιο του 2020 στο περιοδικό «Scientific Reports», μια ομάδα Ιαπώνων επιστημόνων μελέτησε την εναπόθεση σπάνιων γαιών σε υποθαλάσσιες περιοχές γύρω από νησιά του Ειρηνικού Ωκεανού ως αποτέλεσμα γεωλογικών διεργασιών εκατομμυρίων ετών. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ποιες υποθαλάσσιες περιοχές θα μπορούσαν να είναι πλούσιες σε σπάνιες γαίες.
Μια τέτοια περιοχή βρίσκεται στο νησί Μινάμι Τόρι Σίμα, που αποτελεί το ανατολικότερο άκρο της ιαπωνικής επικράτειας, σε απόσταση μεγαλύτερη από 1.000 χιλιόμετρα μακριά από τα κύρια νησιά της χώρας. Η ίδια η φλέβα εντοπίζεται στο ίζημα που έχει εναποτεθεί στο νότιο τμήμα του υποθαλάσσιου όρους πάνω στο οποίο βρίσκεται το νησί. Το ίζημα αυτό περιέχει μεγάλες ποσότητες δοντιών, οστών και λεπιών ψαριών τα οποία έχουν «εγκλωβίσει» ποσότητες σπάνιων γαιών. Οι επιστήμονες εκτιμούν πως η περιοχή αυτή μπορεί να καλύψει τις παγκόσμιες ανάγκες σε κάποιες από τις σπάνιες γαίες για εκατοντάδες έτη.
Πώς δημιουργήθηκαν όμως αυτά τα αποθέματα; Πριν περίπου 34 εκατομμύρια έτη, ένα μόνιμο στρώμα πάγου άρχισε να καλύπτει την Ανταρκτική. Η θερμοκρασία του νερού γύρω από την ήπειρο άρχισε να πέφτει, με αποτέλεσμα το νερό να βυθίζεται κάτω από τα θερμότερα στρώματα του ωκεάνιου ύδατος και να κινείται προς Βορρά. Το νερό αυτό ήταν πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά ως αποτέλεσμα της θερμής περιόδου που είχε προηγηθεί. Καθώς τα ρεύματα του κρύου νερού κατευθύνονταν προς Βορρά, αναγκάστηκαν να κινηθούν ανοδικά στις περιοχές όπου συναντούσαν υποθαλάσσια όρη. Εκεί, σε συνδυασμό με το αυξανόμενο φως του Ήλιου, τροφοδότησαν μια έκρηξη ζωής από ψάρια για περίπου εκατό χιλιάδες έτη. Όταν η διαδικασία αυτή τερματίστηκε, στον απόηχο αυτής της «έκρηξης», απέμειναν στον βυθό τα υπολείμματα των ψαριών, δηλαδή μέρη του σκελετού και των δοντιών, τα οποία είναι πλούσια σε ασβέστιο και φωσφορικά άλατα. Τα απολιθώματα αυτών των υπολειμμάτων απορρόφησαν, κατά τη διάρκεια των δεκάδων εκατομμυρίων ετών που μεσολάβησαν από τότε μέχρι σήμερα, τα ύττριο, ευρώπιο, τέρβιο και δυσπρόσιο που βρισκόταν στη λάσπη του βυθού. Το αποτέλεσμα, σύμφωνα με τους Ιάπωνες επιστήμονες, ήταν να δημιουργηθούν φλέβες εξαιρετικά πλούσιες στις σπάνιες αυτές γαίες. Προφανώς οι φλέβες αυτές δεν περιορίζονται μόνο στο νησί Μινάμι Τόρι Σίμα αλλά και σε άλλους παρόμοιους σχηματισμούς του Ειρηνικού Ωκεανού.
Υποστηρίζεται πως η εξόρυξη σπάνιων γαιών από τη λάσπη του βυθού είναι απλούστερη και απαιτεί λιγότερη χημική επεξεργασία και, κατά συνέπεια, ενδέχεται να έχει λιγότερα τοξικά απόβλητα. Ωστόσο, η εκμετάλλευση αυτών των υποθαλάσσιων αποθεμάτων δεν είναι απλή υπόθεση. Παρ’ όλο που εντοπίζονται στις «πλαγιές» των υποθαλάσσιων ορέων, αυτές βρίσκονται μερικά χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας και, μέχρι στιγμής, καμία οικονομικά συμφέρουσα υποθαλάσσια εξόρυξη αυτής της κλίμακας δεν έχει επιτευχθεί. Επιπλέον, οι συνέπειες της διατάραξης του βυθού στα υποθαλάσσια οικοσυστήματα είναι δύσκολο να εκτιμηθούν και πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι απαιτείται καλύτερη κατανόηση της ευαισθησίας, της βιοποικιλότητας και της δυναμικής των οικοσυστημάτων αυτών προτού προχωρήσουμε σε μεγάλης κλίμακας εξορύξεις.
Πηγές και περαιτέρω μελέτη
https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-energy-and-sustainability/article/rare-earths-a-review-of-the-landscape/4F699CE5A563C492E7E654FDA4D0D78E/core-reader
K. Binnemans, P.T. Jones, T. Muller, L. Yurramendi, «Rare Earths and the Balance Problem: How to Deal with Changing Markets», Journal of Sustainable Metallurgy (2018) 4:126-146
https://www.nature.com/articles/s41598-020-66835-8
https://www.scientificamerican.com/article/mining-rare-earth-elements-from-fossilized-fish/
