Çin, nadir toprak elementleri pazarına hakim durumda ancak ABD’li bilim insanları ve şirketler de onu yakalamak için çabalıyor.
Mureji Fatunde/Ocak 2024
Fosil yakıtları terk etmek ve daha düşük karbonlu teknolojileri benimsemek, iklim değişikliğinin hızlanan tehdidini savuşturmak için en iyi seçeneklerimizdir. Bu teknolojilerin çoğundaki temel bileşenler olan nadir toprak elementlerine erişim, kısmen hangi ülkelerin emisyonları düşürme veya fosil yakıt dışı kaynaklardan üretilen elektriğin oranını artırma hedeflerine ulaşacağını belirleyecektir . Ancak ABD de dahil olmak üzere bazı ülkeler, bu elementlerin tedarikinin istikrarlı kalıp kalmayacağı konusunda giderek daha fazla endişe duymaktadır.
Uluslararası Enerji Ajansı’na göre, nadir toprak elementlerine olan talebin 2040 yılına kadar mevcut seviyelerin üç ila yedi katına ulaşması bekleniyor ; lityum gibi diğer kritik minerallere olan talep ise 40 katına çıkabilir . İmzalayan ülkelerin küresel sıcaklık artışını sınırlamak için emisyonları azaltma yükümlülüğünü üstlendiği 2016 Paris Anlaşması’nın yerine getirilmesi, küresel mineral arzının aynı zaman diliminde dört katına çıkmasını gerektirecektir. Mevcut oranda, arzın yalnızca iki katına çıkması bekleniyor.
Nadir toprak elementlerinin elde edilmesi, kaynak materyallerin elde edilmesiyle başlar ve bu, genel olarak üç şekilde gerçekleşebilir: birincil çıkarma veya doğrudan topraktan çıkarma; ömrünü tamamlamış elektronikler gibi ikincil kaynaklardan geri kazanım; ve kömür külü ve madenlerden çıkan atık ürünler gibi endüstriyel atıklar da dahil olmak üzere geleneksel olmayan kaynaklardan çıkarma. Ancak Çin pazara o kadar hakim ki (2021’de küresel üretimin %60’ını kontrol ediyordu) diğer ülkeler dezavantajlı durumda. Çin 2023’te galyum, germanyum ve grafit üzerinde ihracat kısıtlamaları duyurduktan sonra, uluslar gelecekteki kısıtlamaları öngörerek alternatif kaynaklar bulmak için çabaladılar.
ABD’de birincil çıkarma sınırlıdır; yalnızca bir aktif maden, Kaliforniya’daki Mountain Pass Nadir Toprak Madeni ve İşleme Tesisi, yerel olarak nadir toprak elementleri üretmektedir. Yeni madenlerin açılması onlarca yıl sürebilir. Sonuç olarak, bilim insanları ve şirketler, ikincil veya geleneksel olmayan kaynakları keşfederek erişimi artırmaya ve sürdürülebilirliği iyileştirmeye kararlıdır.
Kritik mineralleri bulma
17 nadir toprak elementinden biri hariç hepsi 2022’de belirlenen 50 “kritik mineral” listesinde yer alıyor ; bu da ekonomik olarak önemli olmalarına rağmen tedarik kesintilerine karşı savunmasız oldukları anlamına geliyor . Praseodim (uçak motorlarında kullanılır), gadolinyum (MRI görüntülemede kullanılır) ve neodim (bilgisayar sabit disklerinde kullanılır) gibi 17 element, periyodik tablonun en altına yakın, atom numaraları 57 ila 71 arasında olan 15 element olan “lantanit serisini” ve kimyasal olarak benzer iki elementi içeriyor. “Nadir toprak elementleri”ndeki “nadir”, mevcut miktara değil, geniş dağılımlarına atıfta bulunuyor; tek bir yerde ekonomik olarak anlamlı bir miktar bulmak zor.
Nadir toprak elementlerinin alışılmadık bir kaynağı, elektrik santrallerinde kömür yakmanın katı atığı olan kömür külüdür. Tarihsel olarak, kömür külü genellikle göletlerde (yüzey havuzları olarak da adlandırılır) depolanan bir bulamaç oluşturmak için suyla karıştırılmıştır. Yüksek konsantrasyonlarda nadir toprak elementleri içeren bu kül, santral kapanmaları nedeniyle zorluklarla karşı karşıya kalan eski ABD kömür kasabalarındaki malzemelerin önemli bir yerel kaynağı olabilir. ABD genelinde, çoğunluğu ülkenin doğu kesiminde yayılmış 1.000’den fazla kömür külü göleti bulunmaktadır . En büyük tesislerden biri olan Alabama, Mobile County’deki Plant Barry, 600 dönümlük bir alana yayılmış 21 milyon tondan fazla kül içermektedir.
Bu göletler zararsız değildir ; ABD Çevre Koruma Ajansı’na göre, bunların uygunsuz yönetimi cıva, kadmiyum ve arsenik gibi kirleticiler yoluyla su yollarını, yeraltı suyunu, içme suyunu ve havayı tehlikeye atabilir. Kâr amacı gütmeyen bir çevre hukuku kuruluşu olan Earthjustice ve petrol, gaz ve mineral çıkarma işlemlerinin yıkıcı etkilerini önlemeye odaklanan kâr amacı gütmeyen bir kuruluş olan Earthworks tarafından, ABD Enerji Bakanlığı’ndan gelen 2023 tarihli bir bilgi talebine yanıt olarak sunulan bir belgede, “Kömür yanma artıklarını (CCR) depolayan elektrik santrallerinin %91’i, altta yatan yeraltı suyunu federal içme suyu standartlarını aşan seviyelere kadar kirletiyor” denildi. Göletler ayrıca aşırı hava olayları sırasında istikrarsızlaşabilir ve bunun sonucunda oluşan kirlenmiş malzeme seli yaban hayatını yok edebilir, mülke zarar verebilir ve toplum sağlığını ve güvenliğini tehdit edebilir.
Rivalia Chemical adlı bir girişim , kül havuzlarının oluşturduğu sağlık tehlikesinin, külün yeniden kullanılarak nadir toprak elementlerinin yerel bir kaynağının yaratılmasıyla çözülebileceğine inanıyor. 2021’de Rivalia’yı kuran çevre mühendisi Laura Stoy, hem çevresel endişelerden hem de ekonomik canlanma potansiyelinden motive olduğunu söylüyor .
Stoy, Georgia Teknoloji Enstitüsü’ndeki lisansüstü eğitimi sırasında Rivalia’nın amiral gemisi teknolojisini geliştirmeye başladı ve şu anda DOE’nin Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki Zincirleme Reaksiyon Yenilikleri programı kapsamında ölçeklendirmek için çalışıyor. 2019’da Georgia Tech, Rivalia’nın özel bir lisansa sahip olduğu teknolojisi için bir patent başvurusunda (şu anda beklemede) yeni kurulan şirketi destekledi .
Bu teknoloji, kömür külünden nadir toprak elementlerini çıkarır ve geride bu elementler açısından zengin bir çözelti ve demir ve diğer metalleri içeren bir katı kalıntı bırakır. Isıtma ve soğutmanın ardışık adımlarıyla, nadir toprak elementleri bir proton değişim mekanizması aracılığıyla iyonik bir sıvıya (sıvı halde bir tuz) aktarılır. Asit bazlı indirgeme teknikleri ve tuz bazlı yıkama, nihai çözeltideki demir miktarını azaltabilir, ardından nadir toprak elementleri saf metaller veya oksitler üretmek için daha fazla ayrılmalıdır. Rivalia, birincil çıktıları sonraki işleme adımlarını gerçekleştiren şirketlere veya nadir toprak elementleri kullanan üreticilere satabilir ve kalan katıları beton üreticilerine satabilir. Stoy, Rivalia’nın çabalarının daha temiz ürünler ve alternatif enerji kaynakları için kullanılabilecek malzemeler üreteceğini söylüyor. Dahası, katı kalıntıyı, betonun önemli bir bileşeni olan emisyon açısından yoğun Portland çimentosunun yerine kullanarak beton üretiminin karbon ayak izini azaltmaya yardımcı olabilirler. (Bu konuda daha fazla bilgi için “İklimdeki en zor sorunlar” bölümüne bakın .)
Rivalia henüz yakılmamış kömür yerine mevcut atık ürünleriyle çalışmayı tercih ediyor. Bu yaklaşım risklidir; nadir toprak elementlerinin düşük konsantrasyonları ve toksik kirleticilerin daha yüksek ilk konsantrasyonu göz önüne alındığında, alışılmadık kaynaklardan çıkarma madencilikten daha pahalı olabilir.
Yine de Stoy, bunun tedariki çeşitlendirme ihtiyacı ışığında stratejik bir hamle olduğunu söylüyor. Ayrıca, az sayıda alternatif kullanım ve önemli ekonomik değere sahip, yaygın olarak bulunan bir malzemeden faydalanma fırsatı; ABD kömür külü rezervlerindeki nadir toprak elementlerinin değeri daha önce 4,3 milyar dolar olarak tahmin edilmişti (2013 fiyatlarına göre) ve o zamandan beri muhtemelen artmıştır. Nispeten yeni bir girişim olarak, şirket hala Ar-Ge aşamasındadır ve şu anda çıkarma maliyetlerini düşürmeye odaklanmıştır.
“Nadir toprak elementleri üreten çok sayıda insanın bulunduğu büyük bir ekosistemde bir oyuncu olmak istiyorum. Bu herkes için en iyi sonuçtur.”
ABD’de nadir toprak elementlerini yerel olarak üretme yarışı, en azından kısmen, bunu ekonomik olarak nasıl yapacaklarını anlama çabasıdır; ancak şirketlerin yalnızca fiyat üzerinden rekabet edebilecek kadar düşük üretim maliyetlerine ulaşmaları pek olası değildir. Uzmanlar, tüketicilerin artan maliyetleri kısmen karşılayarak bir prim ödemeye istekli olacağını umuyor.
Enerji Bakanlığı Fosil Enerji ve Karbon Yönetimi Ofisi’ndeki karbon cevheri programı yöneticisi Evan Granite, “Umarım çevreye duyarlı bir şekilde ve malzemeyi üreten işçilere saygılı, etik bir şekilde üretilen, yerel olarak üretilen bir malzeme için bir pazar oluşur” diyor.
Düzenleyiciler kömür külü sorununu ele almaya başladı, bu nedenle malzemeyi kullanmayı uman yeni başlayanların devam eden gelişmeleri yakından izlemesi gerekecek. EPA, 2008 ve 2014’teki yıkıcı dökülmelerin ardından 2015’te kömür külü göletlerinin yönetimini düzenlemeye başladı . 2015 kuralına yakın zamanda önerilen bir güncelleme , daha önce muafiyetli olan eski, aktif olmayan göletlerin örtülmesini veya kazılmasını zorunlu kılıyor.
2015 düzenlemesinin ardından Earthjustice, yeraltı suyuna beş fit mesafedeyse göletleri yerinde kapatarak kapatmanın yeterli olmadığını ve bu gibi durumlarda yalnızca tam kazının gelecekteki hasarı önleyeceğini söyledi . Her iki seçenek de -kapatma veya kazı- Rivalia gibi şirketler için kömür külüne erişimi zorlaştıracaktır. Stoy, bunun kararlı bir şekilde hareket etmek için bir sebep olduğunu düşünüyor.
Stoy, ülkenin temiz enerji hedeflerini tehlikeye atabilecek olan kömür yan ürünleri için istemeden yeni pazarlar yaratmaktan çekindiğini söylüyor. İronik olarak, eğer kamu hizmetleri kömür kullanmayı bırakırsa, Rivalia’nın kaynak malzemeleri sonunda kuruyacaktır. Ancak henüz endişeli değil; yeni üretim olmasa bile, ABD’de şu anda 2 milyar ton kül var ve birçok başka ülkenin öngörülebilir gelecekte kömür yakmaya devam etmesi muhtemel görünüyor.
Earthjustice’deki temiz enerji programının kıdemli danışmanı Lisa Evans, tüm bu külün dikkatli bir şekilde işlenmesi gerekeceğini söylüyor. Evans, temizlik umutlarıyla motive olan şirketler için bile yan ürünleri uygun şekilde bertaraf ettiklerinden emin olmak için ek düzenleyici denetime ihtiyaç duyulduğunu söylüyor. “Sektörlerin nasıl davrandığına baktığım uzun yıllardan beri deneyimlediğim şey, yapmaları gerekmeyen hiçbir şeyi yapmamaları” diyor ve hükümetin ayrıca toplulukların yakındaki çıkarma faaliyetleri hakkında yeterli bildirim almasını sağlaması gerektiğini ekliyor.
Çıkarımı modernize etmek
Kritik malzemelerin bir diğer alışılmadık kaynağı ise atıklardır; madenlerin atık ürünleridir. Earthjustice’ten Evans, EPA’nın henüz maden atıklarını düzenlemediğini, ancak bunların çevresel riskleri bakımından kömür külüne benzediğini söylüyor.
Phoenix Tailings, madencilik sahalarından nadir toprak elementleri çıkaran Massachusetts merkezli bir girişimdir. Madenciliğin etkilediği topluluklarda büyüyen Phoenix’in kurucularından ikisi, nadir toprak elementlerine olan artan talebin yanı sıra kişisel deneyimlerinden de motive olduklarını söylüyor.
Phoenix, mıknatıslarda en yaygın kullanılan dört nadir toprak elementinin (neodim, praseodim, disprozyum ve terbiyum) yanı sıra, ekonomik uygulanabilirliği artıran bir “portföy yaklaşımı” olarak adlandırdığı yöntemle pil metallerini, platin grubu metallerini, düşük karbonlu demirleri ve diğer malzemeleri geri kazanıyor. Rivalia gibi Phoenix de artık malzemeleri betona ve diğer agregalara dönüştürüyor. Bu, karbonlu malzemeler için uzun vadeli depolama sağlıyor, onları hapsederek ve su kaynağına karışmalarını önleyerek çevresel etkiyi azaltıyor.
Phoenix, enerji, ekipman ve gerekli finansman miktarını azaltarak ekstraksiyonu modernize etmek için çalışıyor, diyor kurucu ortak Anthony Balladon. “Nadir toprak elementlerine göre ayarlanmış kimyalar geliştiriyorsunuz, kaba kuvvetle bunların içinden geçmeye çalışmak yerine,” diyor.
Nadir toprak elementleri içeren bir oksit konsantresi elde ettikten sonra Phoenix, istenen son ürünleri çıkarmak için ayırma teknikleri kullanır. Bunu, karışık halojenür erimiş tuz elektrolizi kullanılarak son metal ve alaşım ürünlerine indirgeme izler ve bu da %35 ila %45 daha düşük enerji gereksinimiyle sonuçlanır. Baş teknoloji sorumlusu Tomás Villalón, Phoenix’in sürecinin, işleme adımları arasında yanlışlıkla kaybolan malzeme miktarını azalttığını ve son ürünün saflığını iyileştirdiğini söylüyor. Phoenix’in kurucuları ayrıca, hiçbir tehlikeli madde kullanmadığını ve sıfır doğrudan karbon emisyonu yarattığını söyledikleri şirketin sürecinin sürdürülebilirliğini de vurguluyor. Şirket şu anda ticari müşteriler için nadir toprak metalleri üretiyor ve 2026 yılına kadar yılda 3.000 tondan fazla bitmiş nadir toprak metali üretmeyi bekliyor.
Villalón, Phoenix’in uzun süre meşgul olacağını tahmin ediyor: her yıl yeni faaliyetlerden en az 10 milyar ton maden atığı oluşuyor.
Mıknatıslara olan talep arttı
Bazı şirketler geri kazanılabilir nadir toprak elementlerinin kaynağı olarak kömür atıkları yerine geri dönüştürülmüş malzemeleri hedef alır. Noveon Magnetics —eski adıyla Urban Mining— atılan ticari mıknatıslardan (örneğin motorlardan veya tıbbi cihazlardan veya veri merkezleri tarafından kullanılan depolama sürücülerinden) veya üretim hataları veya eskime nedeniyle tedarik zincirinden çekilenlerden kritik malzemeleri çıkarır. Noveon bu malzemelerden, rüzgar türbinlerindeki jeneratörlerin ve elektrikli araçlardaki motorların kritik bileşenleri olan yeni sinterlenmiş neodim bor mıknatısları üretir.
DOE projeksiyonlarına göre , ABD’nin bu nadir toprak mıknatıslarına olan talebi 2050 yılına kadar dört katından fazla artacak. Noveon’un baş ticari sorumlusu Peter Afiuny, bunun kısmen gelişmiş endüstriyel teknolojilerden kaynaklandığını söylüyor. “Endüstriyel pompalar, kompresörler, HVAC sistemleri… Elektrik tüketimimizin %50’si bu motorlar tarafından sağlanıyor. Karbon nötre ulaşmaktan bahsediyorsanız, bu sistemleri yükseltmeniz ve daha verimli hale getirmeniz gerekir” diyor.
Çin dışında 10’dan az aktif mıknatıs üreticisi var; Noveon ABD’deki tek üretici. Afiuny, tüm malzemelerini yurt içinden satın aldığını söylüyor.
Şirket, geleneksel versiyonlara göre daha az malzeme kullanarak “EcoFlux” adını verdiği yeni bir tür yüksek performanslı mıknatıs üretiyor, diyor Afiuny. Geri dönüştürülmüş mıknatısların geri dönüştürülmemiş ürünler kadar iyi performans göstermesi zor olsa da, Afiuny, Noveon’un bu başarıyı, manyetik malzemelerin bileşimini ve özelliklerini iyileştiren tescilli bir teknolojiyi, girdi malzemelerinin %99,5’ine kadarını geri dönüştürebilen patentli Magnet-to-Magnet teknolojisiyle birleştirerek başardığını söylüyor. Noveon’un birden fazla müşterisi olduğunu ve Teksas tesisinde ticari ölçekte üretim yaptığını da ekliyor. Şirketin beş yıl içinde yılda 10.000 ton üretmeyi planladığını söylüyor.
Bu yeni mıknatıslar, malzemelerin toplandığı aynı tipteki müşterilere hizmet ediyor; örneğin, tüketici elektroniği ve tıbbi veya otomotiv ürünlerine güç vermek için motor kullanan şirketler. Sonuç, yeniden kullanım döngüsüdür.
Bu alternatif kaynaklar mevcut ithalatların yerini alabilir mi? National Academy of Engineering’in dergisi The Bridge’de yakın zamanda yayınlanan bir makalede , DOE araştırmacıları, germanyum gibi bazı kritik malzemeler için kömür külünün ABD talebini yaklaşık 4.000 yıl karşılayabileceğini, ancak çoğu malzeme için tedarikin 20 yıldan daha az (ve nikel için sadece bir yıldan biraz daha fazla) süreceğini tahmin ediyor.
Granite, ek yeni kaynaklara ihtiyaç duyulduğunu söylüyor: “Uzun vadeli talebi karşılamak için birçok farklı atık malzemeye ve geleneksel olmayan kaynaklara ihtiyaç duyacaksınız çünkü bu kritik metallerin çoğuna yönelik talebin artacağını öngörüyoruz.”
Araştırmacılar, alüminyum üretimi sırasında oluşan “kırmızı çamur” ve petrol üretimi sonucu oluşan “üretilen sular”ın yanı sıra okyanus tabanından veya hatta uzaydan gelen malzemeler de dahil olmak üzere çok daha geniş bir atık kaynağı yelpazesinin dikkate alınabileceğini öne sürüyorlar.
Evrensel bir politika önceliği
DOE, 2015 ve 2021 yılları arasında hem geleneksel hem de geleneksel olmayan kaynaklardan nadir toprak elementlerinin çıkarılmasıyla ilgili projelere en az 27 milyon dolar tahsis etti . 2022 ve 2023 yıllarında hükümet, İki Partili Altyapı Yasası’ndan önemli miktarlar da dahil olmak üzere ilgili çalışmaları desteklemek için en az 1 milyar dolarlık fonun mevcut olduğunu duyurdu. Diğer kurumlar da ülkenin kritik malzemelerin tedarikini artırmaya yardımcı olmak için çalışan şirketlere destek verdiklerini duyurdu ve bu, politika gündeminde uzun zamandır yer alan bir madde için yenilenen bir aciliyet duygusunu işaret etti. Rivalia, Phoenix ve Noveon hükümet desteğinden yararlandı ve bu da hükümetin çeşitli büyüklüklerde ve ilerleme aşamalarında şirketlere bahis oynamaya istekli olduğunu gösteriyor.
Bu fon tahsisleri genellikle ihraç eden yönetimin önceliklerini ortaya koyar; örneğin eski başkan Donald Trump döneminde odak noktası Çin’den bağımsızlıktı , Biden yönetiminin nadir toprak elementlerinin yerli üretimine verdiği destek ise daha çok elektrikli araçların daha geniş çapta benimsenmesi yönündeki çabasıyla bağlantılı görünüyor . Motivasyondan bağımsız olarak, tüm partiler nadir toprak elementlerinin önemi konusunda aynı fikirde görünüyor.
https://www.technologyreview.com/2024/01/05/1084791/rare-earth-materials-clean-energy/