Harvinaisten maametallien tulevaisuus riippuu siitä, löydetäänkö kultainen keskitie teknologisten tarpeiden ja maapallon mahdollisuuksien rajojen kunnioittamisen välillä.
Sisällysluettelo
Nykyaikainen teknologia perustuu lähes tuntemattomiin alkuaineisiin: neodyymiin, dysprosiumiin, litiumiin, kobolttiin, telluuriin, galliumiin, indiumiin ja muihin. Nämä ovat ”harvinaisia metalleja” tai kriittisiä alkuaineita sekä harvinaisia maametalleja. Näiden alkuaineiden saatavuus on tullut erittäin tärkeäksi ongelmaksi.
Mielenkiintoista on, että ”harvinainen” ei välttämättä tarkoita harvinaista. Monet niistä ovat yleisiä maankuoressa, mutta niitä esiintyy harvoin pitoisuuksina, jotka mahdollistavat niiden louhinnan. Tämä tekee niiden louhinnasta monimutkaisen ja usein kalliin prosessin, jonka ympäristövaikutuksia tiedeyhteisö pyrkii vähentämään. Maailman siirtyessä uusiutuviin energialähteisiin näiden metallien kysyntä kasvaa jatkuvasti, ja sen myötä myös tarve löytää vastuullisempia tapoja niiden tuotantoon ja jalostukseen.
Kokeilut
Juuri tässä materiaalitiede nousee etualalle. Tämä fysiikan, kemian ja tekniikan risteyskohdassa oleva tieteenala tutkii tapoja, joilla näitä resursseja voidaan hyödyntää tehokkaammin, sekä tapoja korvata ne, kun niiden käyttö ei enää ole tehokasta. Eri maiden tutkijaryhmät kokeilevat magneetteja, jotka eivät vaadi harvinaisia maametalleja, natriumakkuja, jotka ovat paljon yleisempiä kuin litiumakut, sekä seoksia, jotka säilyttävät ominaisuutensa riippumatta kriittisistä alkuaineista. Kyse ei ole vain innovaatioista innovaatioiden vuoksi, vaan myös vähemmän haavoittuvan ja tasapainoisemman teknologisen tulevaisuuden rakentamisesta.
Harvinaiset maametallit eivät kuitenkaan ole vain laboratorioita ja toimitusketjuja. Ne symboloivat myös aineellista yhteyttämme planeettaan. Jokainen matkapuhelin, jokainen aurinkopaneeli, jokainen paristo on eräänlainen pieni mineraalikartta, joka sisältää palasia eri puolilta maailmaa. Tämä ajatus muuttaa suhtautumistamme käytettyihin esineisiin ja muistuttaa meitä oikean kierrätyksen tärkeydestä, kun niitä ei enää tarvita.
Mikä tekee niistä niin erityisiä?
Harvinaiset maametallit kutsutaan ”harvinaisiksi” ei siksi, että ne olisivat harvinaisia, vaan siksi, että niitä on käytännössä mahdotonta löytää helposti saatavilla olevista esiintymistä. Näillä alkuaineilla on elektronisia ja magneettisia ominaisuuksia, joihin mikään muu materiaali ei voi verrata. Esimerkiksi:
- Neodyymi ja dysprosium. Niistä valmistetaan maailman voimakkaimmat kestomagneetit. Ilman niitä ei olisi kompakteja sähkömoottoreita eikä tehokkaita tuuliturbiineja.
- Litium: se varastoi enemmän energiaa kilogrammaa kohti kuin mikään muu kemiallinen alkuaine.
- Koboltti: stabiloi litiumioniakkuja estämällä niiden syttymisen ja nopean kapasiteetin menetyksen.
- Telluuri ja seleeni. Ne muuttavat auringonvalon sähköksi tehokkaammin joissakin ohutkalvoisissa aurinkokennoissa.
- Galli ja indium. Niiden ansiosta LED- ja OLED-näytöt loistavat kirkkailla väreillä ja kuluttavat vähän energiaa.
Yksi sähköauto voi kuljettaa magneeteissaan 2–3 kg harvinaisia maametalleja sekä 8–10 kg litiumia ja 10–15 kg kobolttia akussa.
Ongelma: saatavuus
Kiina tuottaa 85–90 % kaikista jalostetuista harvinaisista maametalleista maailmassa. Chile, Suomi ja Argentiina tuottavat 90 % maailman litiumista. Näiden elementtien erottaminen vaatii monimutkaisia kemiallisia prosesseja, paljon vettä ja energiaa sekä aiheuttaa myrkyllisten ja radioaktiivisten jätteiden syntymistä.
Länsi on sulkenut hiilivoimaloitaan vuosikymmenten ajan, koska hiilen ostaminen Kiinasta oli halvempaa ja puhtaampaa. Vuonna 2020 tämä riippuvuus herätti kuitenkin huolta. Yhdysvallat on käynnistänyt uudelleen Mountain Passin hiilikaivoksen Kaliforniassa ja rahoittaa hiilivoimalaitoksia Texasissa ja Kanadassa.
Suomi puolestaan kehittää useita hankkeita. Euroopan unioni on julistanut 34 materiaalia ”kriittisen tärkeiksi” ja asettanut tavoitteeksi, että vuoteen 2030 mennessä 10 % niistä on peräisin kierrätyksestä, 25 % kierrätyksestä ja 40 % kierrätyksestä. Japani kierrättää jo 30 % näytöissä käytetystä indiumista ja sillä on strategiset varastot seitsemästä metallista.
Kierrätys ja korvaaminen
Nykyään kaatopaikoille viedään enemmän kobolttia ja litiumia kuin monista kaivoksista louhitaan. Vanha matkapuhelin sisältää 0,2 grammaa kobolttia; miljoona matkapuhelinta vastaa 200 tonnia, mikä on yhtä paljon kuin keskikokoinen kaivos.
Yritykset kuten Redwood Materials (Yhdysvallat), Umicore (Belgia) ja Li-Cycle (Kanada) rakentavat tehtaita, jotka ottavat talteen 95 % litiumista, koboltista, nikkelistä ja grafiitista käytetyistä akuista, mikä vähentää päästöjä 80 % verrattuna perinteiseen kaivostoimintaan. On jo olemassa tekniikoita, jotka lupaavat 90 %:n hyötysuhteen vanhoista magneeteista.
Toinen lähestymistapa on kehittää materiaaleja, jotka vaativat vähemmän tai eivät lainkaan harvinaisia maametalleja. Myös tällä alalla on saavutettu edistystä. Vuonna 2023 Tesla ilmoitti kehittäneensä harvinaisia maametalleja sisältämättömiä moottoreita, joissa käytetään parannettuja ferriittimagneetteja ja enemmän kuparia.
Muut yritykset, kuten Niron Magnetics (Yhdysvallat), kehittävät rautinitridimagneetteja, jotka voivat korvata neodyymimagneetit. Vastaavasti Cambridgen yliopiston ja Toyotan tutkijat työskentelevät natrium-ioni-akkujen parissa, jotka eivät vaadi litiumia tai kobolttia.
Esteet ja näkymät
Kongossa 70 % koboltista louhitaan käsin: lapset ja aikuiset kaivavat romahtaneita tunneleita paljain käsin. Atacaman aavikolla litiumin louhinta kuluttaa vettä, jota alkuperäiskansat tarvitsevat elääkseen. Kiinassa myrkylliset järvet, jotka ovat täynnä harvinaisten maametallien jätteitä, ovat saastuttaneet kokonaisia jokia .
Seuraavien 15 vuoden aikana tarvitsemme 4–6 kertaa enemmän litiumia, 3–4 kertaa enemmän kobolttia ja noin 10–15 kertaa enemmän harvinaisia maametalleja kuin nykyään. Tavoitteena on, että vuoteen 2040 mennessä kierrätys kattaa 20–40 % kysynnästä.
Uusien akkujen kemiallisten koostumusten (natrium-, rauta-ilma-, kiinteäaine-) odotetaan myös vähentävän litiumin ja koboltin kuormitusta. Lisäksi vuoteen 2030 mennessä otetaan käyttöön harvinaisten maametallien sisältämättömien magneettien massatuotanto.
