La transición energética necesitará más elementos de tierras raras. ¿Podemos asegurarlos de manera sostenible?

La mina Mountain Pass en California es la única instalación activa de extracción y procesamiento de tierras raras en los EE. UU. Foto: Tmy350

Para limitar el aumento de la temperatura global a 1,5 grados C o cerca de él, todos los países deben descarbonizarse: reducir el uso de combustibles fósiles, hacer la transición a fuentes de energía renovables sin emisiones de carbono y electrificar tantos sectores como sea posible. Se necesitarán enormes cantidades de turbinas eólicas, paneles solares, vehículos eléctricos y baterías de almacenamiento, todos ellos fabricados con elementos de tierras raras y metales críticos.

Los elementos críticos para la transición energética incluyen las 17 tierras raras, los 15 lantánidos más el escandio y el itrio. Si bien muchos metales de tierras raras son en realidad comunes, se les llama "raros" porque rara vez se encuentran en cantidades suficientes para extraerlos de manera fácil o económica.

Tabla de elementos de tierras raras. Imagen: Ivtorov

Elementos como el silicio, el cobalto, el litio y el manganeso no son tierras raras, pero son minerales críticos que también son esenciales para la transición energética.

Suministrar estas grandes cantidades de minerales de manera sostenible será un desafío importante, pero los científicos están explorando una variedad de formas de proporcionar materiales para la transición energética con menos daño para las personas y el planeta.

Se espera que la demanda de elementos de tierras raras crezca entre un 400 y un 600 por ciento en las próximas décadas, y la necesidad de minerales como el litio y el grafito utilizados en las baterías de los vehículos eléctricos podría aumentar hasta un 4.000 por ciento. La mayoría de las turbinas eólicas utilizan imanes de neodimio, hierro y boro, que contienen los elementos de tierras raras neodimio y praseodimio para fortalecerlos, y disprosio y terbio para hacerlos resistentes a la desmagnetización. Se espera que la demanda mundial de neodimio crezca un 48 por ciento para 2050, superando la oferta proyectada en un 250 por ciento para 2030. La necesidad de praseodimio podría superar la oferta en un 175 por ciento. También se espera que la demanda de terbio supere la oferta. Y para satisfacer la demanda prevista para 2035 de grafito, litio, níquel y cobalto, un análisis proyectó que se necesitarían 384 nuevas minas.

China alguna vez suministró el 97 por ciento de las tierras raras del mundo. El apoyo del gobierno, la mano de obra barata, las regulaciones ambientales laxas y los bajos precios le permitieron monopolizar la producción de metales de tierras raras. Hoy China produce entre el 60 y el 70 por ciento de las tierras raras del mundo y también garantiza derechos mineros en África. Estados Unidos produce un poco más del 14 por ciento y Australia produce un seis por ciento de elementos de tierras raras.

En 2018, Estados Unidos dependía cien por ciento de otros países para obtener 21 minerales críticos. Después de que China detuviera las exportaciones de tierras raras a Japón en una disputa, muchos países se preocuparon por las implicaciones políticas y económicas de depender de un mercado y comenzaron a desarrollar su propia producción de tierras raras. La administración Biden ha priorizado el desarrollo de una cadena de suministro nacional de metales de tierras raras y minerales críticos.

La minería a menudo causa contaminación de la tierra, el agua y el aire, dispersión de desechos tóxicos, agotamiento del agua, deforestación, pérdida de biodiversidad y perturbación social. A pesar de que está sujeta a regulaciones ambientales federales y estatales, la minería metálica es el principal contaminante tóxico en EE.UU.

Es difícil extraer tierras raras sin causar daños al medio ambiente debido a la forma en que se extraen. Un método consiste en eliminar la capa superior del suelo y luego crear un estanque de lixiviación donde se utilizan productos químicos para separar las tierras raras del mineral. Los químicos tóxicos pueden filtrarse al agua subterránea, causar erosión y contaminar el aire. Otra técnica consiste en perforar el suelo y utilizar tuberías y mangueras de PVC para bombear productos químicos al suelo. Luego, la mezcla resultante se bombea a estanques de lixiviación para su separación, creando los mismos problemas ambientales.

Un estanque de relaves en Butte, Montana. Foto de : James St. John

Además, debido a que las tierras raras se encuentran a menudo cerca del torio y el uranio radiactivos, los desechos que quedan después de separar las tierras raras del mineral (relaves) contienen sustancias químicas, sales y materiales radiactivos. Los relaves suelen almacenarse en estanques que pueden filtrarse y contaminar los recursos hídricos.

La Harvard International Review informó que la minería para producir una tonelada de elementos de tierras raras produce casi 30 libras de polvo, entre 9.600 y 12.000 metros cúbicos de gases residuales, incluidas sustancias como ácido fluorhídrico y dióxido de azufre, 75 metros cúbicos de aguas residuales y una tonelada de residuos radiactivos: 2.000 toneladas de desechos tóxicos en total.

La mina de tierras raras más grande del mundo, Bayan-Obo en China, produjo más de 70.000 toneladas de desechos de torio radiactivo que se almacenan en un estanque de residuos que se filtró al agua subterránea.

Mina Bayan Obo en China, la mina de elementos de tierras raras más grande del mundo. Foto de : Squishyhippie

El suelo y el agua en Baotouin, Mongolia Interior, China, considerada la capital mundial de tierras raras, están contaminados con arsénico y fluorita debido a la minería. Esto ha provocado fluorosis esquelética y toxicidad crónica por arsénico en la población. En la provincia de Jiangxi, que también fue contaminada por la minería de elementos de tierras raras, los expertos dicen que podrían pasar entre 50 y 100 años para limpiar los daños y restaurar el medio ambiente.

La extracción de otros minerales como el cobalto (necesario para las baterías de los vehículos eléctricos) también es contaminante. El proceso de extracción libera sulfuros al aire y al agua, formando ácido sulfúrico. Esta agua ácida puede contaminar los arroyos o filtrarse al agua subterránea. Una mina en el cinturón de cobalto de Idaho que extraía mineral de cobalto, plata y cobre contaminó el área y un afluente del río Salmon; ahora es un sitio Superfund.

Con la creciente demanda de tierras raras y minerales críticos, es probable que las prácticas mineras que dañan el medio ambiente continúen, si no aumentan.

"La presión es tal que lo primero que podría ignorarse y marginarse son las salvaguardas para acelerar el proceso: salvaguardias ambientales y salvaguardias sociales", dijo Perrine Toledano, directora de investigación y políticas del Centro de Inversión Sostenible de Columbia. , un centro conjunto de Columbia Climate School y Columbia Law School. “Sabemos que hay mucha presión en algunos países, en África y en otros lugares, lo que significa que es posible que los gobiernos no tengan tiempo para utilizar el debido proceso. Entonces eso podría hacernos retroceder en la sostenibilidad”.

Afortunadamente, los investigadores están trabajando en formas de hacer que la minería sea más sostenible o innecesaria. A continuación se muestran algunos ejemplos, la mayoría de los cuales aún son experimentales y aún no están listos para su aplicación a gran escala.

Una variedad de laboratorios de todo el mundo están buscando formas de utilizar la biología en la minería. Los científicos de la Universidad de Cornell están desarrollando la “biominería”, programando microbios para producir ácidos orgánicos que lixivian elementos de tierras raras de minerales o desechos electrónicos reciclados. Están estudiando qué genes son los mejores en biolixiviación y luego forzando mutaciones en esos genes para hacer que los microbios sean aún más eficientes. Investigadores de Harvard están utilizando bacterias de algas marinas en un filtro y luego vierten una solución de varios elementos de tierras raras a través de él. Las bacterias absorben todos los elementos. Luego, el filtro se lava con soluciones de diferentes equilibrios de pH, cada una de las cuales permite que se desprendan diferentes elementos de tierras raras. En Alemania, los investigadores están utilizando nuevas especies de cianobacterias para absorber elementos de tierras raras de las aguas residuales de la minería o de los desechos electrónicos reciclados. Este método se puede utilizar incluso con bajas concentraciones de elementos de tierras raras.

Los investigadores chinos están utilizando corrientes eléctricas para liberar elementos pesados ​​de tierras raras (aquellos con números atómicos elevados como el disprosio y el terbio) de los minerales. El nuevo método electrocinético crea un campo eléctrico por encima y por debajo del suelo, lo que mejora la eficiencia de la lixiviación, de modo que se necesitan menores cantidades de productos químicos. El método extrae más elementos de tierras raras que la minería tradicional y contamina menos.

Si los suelos son ricos en níquel, cromo y cobalto, y carecen de nutrientes clave, es posible que no se puedan utilizar para la agricultura alimentaria, pero se pueden extraer. La agrominería, o fitominería, cultiva plantas “hiperacumulativas” que son capaces de absorber y almacenar minerales y metales del suelo en sus partes vegetales.

Algunas plantas, como estos álamos que crecen en un área contaminada por tricloroeteno, pueden limpiar suelos contaminados. Foto: DOE de EE. UU.

En Francia, los científicos están cultivando plantas hiperacumuladoras para recolectar níquel, un componente crítico de las baterías y las tecnologías de energía renovable. Una vez cosechadas las plantas, se secan y se queman. La ceniza resultante es más rica en níquel que cualquier mineral. Se lava y luego se extrae el níquel con un ácido a alta temperatura; Luego se filtra la solución para eliminar las cenizas y recuperar el níquel. El proceso general utiliza mucha menos energía que la minería tradicional y también puede usarse para descontaminar suelos contaminados, haciéndolos lo suficientemente fértiles para cultivar.

A lo largo de los años, los investigadores han descubierto alrededor de 700 plantas de este tipo en todo el mundo, y se están descubriendo y cultivando más para mejorar su capacidad de absorción de metales. La mayoría acumula níquel, pero se ha descubierto que otros absorben talio, zinc, cobre, cobalto y manganeso.

"Hasta ahora, la tecnología ha estado disponible para aplicaciones a pequeña escala", dijo Toledano, y agregó que es una manera para que las comunidades locales obtengan ingresos y para que los mineros artesanales exploten de manera más sostenible. Pero algunas empresas, como la startup GenoMines, esperan ampliar estos métodos.

Una estrategia para reducir la demanda de tierras raras es que los fabricantes y diseñadores de productos diseñen productos que utilicen menos o nada de tierras raras, o que reemplacen las tierras raras con materiales nuevos o diferentes. Por ejemplo, BMW y Renault han fabricado algunos de sus vehículos eléctricos sin elementos de tierras raras. Si bien esto puede hacer que las baterías sean menos potentes, es posible que los automóviles que se conducen principalmente en ciudades no necesiten una duración de batería tan larga. Recientemente, Tesla anunció que su próxima generación de motores eléctricos no utilizaría elementos de tierras raras. Además, desde 2017, la compañía ha reducido el uso de tierras raras pesadas en sus Model 3 en un 25 por ciento.

Los científicos de la Universidad Northeastern están desarrollando un material sustituto de los imanes de tierras raras llamado tetrataenita. La tetraenita solo se encuentra en meteoritos, pero los investigadores están tratando de recrear un proceso que tomó a la naturaleza millones de años reorganizando la estructura atómica de los componentes de níquel y hierro del material en el laboratorio.

Tetrataenita. Foto: Robert M. Lavinsky

Los científicos cuentan con una subvención de 2,1 millones de dólares del Departamento de Energía para comprender cómo se crean en la naturaleza los materiales magnéticos hechos de "elementos no críticos".

Los investigadores del Laboratorio Ames del Instituto de Materiales Críticos también están estudiando sustitutos de imanes. Han desarrollado formas de predecir qué materiales tienen potencial para convertirse en imanes. Identifican aquellos que tienen cierta atracción por un campo magnético y luego añaden aleaciones para convertir los materiales en imanes permanentes. Los científicos descubrieron que este proceso podría crear formas de cerio cobalto (el cerio es un elemento de tierras raras abundante) capaces de sustituir el neodimio y el disprosio utilizados en los imanes de tierras raras más potentes.

El Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente estimó que en 2019 se generaron más de 53 millones de toneladas de desechos electrónicos, incluidas materias primas por valor de 57 mil millones de dólares mezcladas con elementos de tierras raras y metales preciosos como platino, oro y plata. Reciclar estos valiosos elementos y metales podría reducir la cantidad de minería que será necesaria. Por ejemplo, según la Unión de Científicos Preocupados, el reciclaje podría ayudar a satisfacer alrededor del 30 por ciento de la demanda futura de neodimio, praseodimio y disprosio. Sin embargo, un estudio de 2018 encontró que solo alrededor del uno por ciento de los elementos de tierras raras se reciclan de los productos que los incorporan. Japón ha estado reciclando sus desechos electrónicos en busca de materiales raros desde 2010. Estados Unidos, segundo país en producción de desechos electrónicos después de China, solo recicló el 15 por ciento de sus desechos electrónicos en 2019; por el contrario, Europa recicló el 42,5 por ciento de sus desechos electrónicos ese mismo año.

Foto de : Curtis Palmer

El reciclaje se realiza mediante lixiviación ácida para separar óxidos y sales de elementos de tierras raras, calentando y fundiendo los metales, o utilizando electricidad para separar los materiales; por lo tanto, el reciclaje tiene sus propios impactos ambientales. Los investigadores están explorando nuevos métodos como la lixiviación ultrasónica y la biolixiviación.

Pero el reciclaje de desechos electrónicos sigue obstaculizado por una infraestructura insuficiente y procesos de recolección costosos e ineficientes.

"Para los desechos electrónicos, primero que nada se necesita la infraestructura de recolección y no se ha desarrollado adecuadamente, y se necesitan incentivos para que el productor esté obligado y tenga el mandato de recuperar los desechos electrónicos", dijo Toledano. “Si, al principio, el productor sabe que habrá alguna obligación de recuperar los bienes de consumo, entonces empezará a diseñar el producto de forma que sea reciclable. En Europa existe la idea relacionada de que se debería exigir el desarrollo de productos electrónicos que no estén diseñados para quedar obsoletos para limitar el desperdicio. La economía circular [donde todos los recursos se reciclan y reutilizan] consiste en evitar el desperdicio antes de dedicarse al reciclaje, porque el reciclaje requiere mucha más tecnología y es más caro”.

Los imanes de los vehículos eléctricos y las turbinas eólicas podrían recuperarse y reciclarse con relativa facilidad, pero como están diseñados para durar muchos años, pasarán décadas antes de que haya suficientes imanes reciclados para satisfacer la creciente demanda. Sin embargo, hay empresas que se preparan para reciclar las baterías de la primera generación de vehículos eléctricos que se retiran. Por ejemplo, Canadian Li-Cycle Corps está construyendo su tercera instalación para reciclar baterías de iones de litio, y hay docenas de nuevos proyectos de reciclaje de baterías que se están iniciando en todo el mundo.

Investigadores de la Universidad Purdue han desarrollado una forma innovadora y económica de reciclar cenizas de carbón para recuperar elementos de tierras raras. Las cenizas de carbón son tan ricas en elementos de tierras raras como algunos minerales, afirman los científicos. Han descubierto un nuevo método para separar elementos de tierras raras de otras impurezas, utilizando materiales económicos y eficientes. Si la técnica puede ampliarse, en teoría podría recuperar materiales valiosos de los 129 millones de toneladas de cenizas de carbón que Estados Unidos produce anualmente.

La mina MP Materials en Mountain Pass, California, es actualmente la única mina productora de tierras raras en los EE. UU. MP Materials tiene como objetivo crear una cadena de suministro completa para elementos de tierras raras, pero aún envía su mineral a China, que continúa dominando las tierras raras del mundo. procesamiento de elementos.

Es posible que pronto se extraigan en Elk Creek, Nebraska, niobio, que tiene el potencial de hacer que las baterías duren más, escandio, titanio y otros elementos de tierras raras. Muchos lugareños sienten que es su deber patriótico albergar la mina para que Estados Unidos pueda desarrollar su suministro interno de elementos y minerales de tierras raras. Otras minas en proceso incluyen un sitio en el oeste de Montana cerca de la cabecera del río Bitterroot, una reconocida pesquería de truchas. La US Critical Materials Corp afirma que el área tiene el “depósito de tierras raras de mayor grado” en los EE. UU., posee siete millas cuadradas de concesiones mineras en el Bosque Nacional Bitterroot y ha comenzado actividades exploratorias. En el sureste de Wyoming, una empresa australiana, American Rare Earths, cree haber descubierto el mayor depósito conocido de tierras raras en América del Norte. El objetivo de esta empresa es eventualmente construir una planta de procesamiento para el mineral que utilizará métodos nuevos y menos dañinos para el medio ambiente.

La minería de litio utiliza mucha agua en estanques de evaporación como este en Nevada. Foto de : Ken Lund

El depósito de litio más grande de EE.UU. en Thacker Pass, Nevada, ha estado envuelto en una controversia. El depósito se encuentra en tierra indígena sagrada y las tribus dicen que no fueron consultadas adecuadamente. Sin embargo, después de que un tribunal federal denegó las solicitudes del grupo indígena de una orden judicial, la construcción de la mina comenzó. Piedmont Lithium está extrayendo litio en Carolina del Norte y ha recibido una subvención de 141,7 millones de dólares del Departamento de Energía para desarrollar una segunda instalación en Tennessee. Cuando ambas instalaciones estén operativas, la compañía espera cuadriplicar la actual producción nacional de litio.

La minería en aguas profundas pronto podría recibir luz verde, ya que la Autoridad Internacional de los Fondos Marinos está trabajando para finalizar las regulaciones para la explotación del fondo oceánico de las profundidades marinas. Nauru Ocean Resources Inc., una filial de una empresa canadiense de metales, quiere extraer nódulos polimetálicos del fondo del océano entre Hawaii y México. Estos nódulos contienen cobalto, níquel, cobre y manganeso, esenciales para fabricar baterías.

Nódulos en el fondo marino del Pacífico. Foto de : Philweb

Para recolectarlos se necesitarían grandes máquinas que rasparan el fondo del océano, generando nubes de sedimentos y potencialmente alterando los ecosistemas marinos. Algunos expertos dicen que esto podría poner en peligro los servicios ecosistémicos proporcionados por los microbios marinos, la base de la red alimentaria y la capacidad del océano para almacenar carbono, incluso antes de que los científicos comprendan el alcance total de sus beneficios. Un nuevo informe de Fauna & Flora International, una organización conservacionista, dice que la minería en aguas profundas causaría daños extensos e irreversibles.

Pero Toledano sostiene que la ciencia sobre la minería en aguas profundas no está clara.

"La ciencia que podría decirnos que una parte no es peligrosa no está recibiendo mucha cobertura, porque todo el mundo tiene mucho miedo de ir allí", dijo. Una experta que trabajó en un gran estudio de minerales oceánicos que también evaluó los impactos ambientales de la minería en aguas profundas le dijo que no hay mucha vida a esa profundidad. Además, los nódulos se pueden recuperar sin necesidad de excavar, por lo que las criaturas que viven en los sedimentos pueden no verse muy afectadas. Sin embargo, Alemania, Francia, España, Chile, Nueva Zelanda, Costa Rica, varias naciones insulares del Pacífico y otros han pedido que se prohíba la minería en aguas profundas hasta que se puedan evaluar plenamente los impactos en el medio marino.

A medida que crecen los impactos ambientales de las tierras mineras y el fondo del océano, la minería espacial podría convertirse en una opción viable y más sostenible. Las emisiones de gases de efecto invernadero no importarían en el espacio y no habría ecosistemas que dañar, aunque la minería dañaría ambientes prístinos. El Tratado sobre el Espacio Ultraterrestre de 1967, firmado por 113 países, dice que el espacio es libre para la exploración y el uso de todos los países, y que ninguna nación puede reclamar la propiedad de los cuerpos celestes, pero no está claro cómo se aplicaría esto a la explotación de los recursos en la luna. o asteroides. La ONU ha formado un grupo para desarrollar principios para la exploración y explotación de los recursos espaciales.

El regolito, el suelo de la superficie de la luna, contiene numerosos elementos valiosos, incluido el silicio necesario para los paneles solares y los chips de computadora, hierro, magnesio, aluminio, manganeso, titanio, neodimio y elementos del grupo del platino. La Tierra tiene una mayor abundancia de elementos de tierras raras, pero la Luna también podría contener elementos de tierras raras en bajas concentraciones.

Una instalación minera lunar imaginada. Foto: NASA/SAIC/Pat Rawlings

Varias empresas están explorando la minería lunar, y AstroForge, una startup de minería de asteroides, planea lanzar dos misiones este año para explorar asteroides mineros que se cree que tienen abundantes elementos del grupo del platino.

La minería espacial aún tendría algunos impactos ambientales en la atmósfera de la Tierra, pero mucho menos que la minería en la Tierra misma. En 2018, investigadores de la Universidad de Paris-Saclay en Francia calcularon las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes del lanzamiento de cohetes, la combustión de combustible para cohetes y el reingreso a la atmósfera. Extraer un kilogramo de platino de un asteroide supondría la liberación de 150 kilogramos de CO2 a la atmósfera terrestre, mientras que producir un kilogramo de platino en la Tierra generaría 40.000 kilogramos de CO2.

Ambos partidos políticos coinciden en que Estados Unidos debe aumentar su suministro interno de elementos de tierras raras y minerales críticos. La industria minera está aprovechando esto presionando para facilitar las revisiones y regulaciones ambientales. Pero, de hecho, aquí es exactamente cuando los formuladores de políticas, las empresas mineras y todos los creadores de tecnologías verdes deben desarrollar formas de hacer que el abastecimiento de materiales para la transición energética sea más sostenible.

Debido a que la minería es local, tiene grandes impactos en la resiliencia climática y la calidad de vida locales, y la minería a menudo se ha llevado a cabo donde la gente tiene menos poder para oponerse. Una minería más sostenible significa que las partes interesadas locales deberían poder opinar sobre posibles proyectos mineros. Las comunidades que serán afectadas deben contar con el consentimiento libre, previo e informado, principio protegido por los estándares internacionales de derechos humanos.

Los gobiernos deberían apoyar la investigación y el desarrollo de productos que utilicen menores cantidades de elementos de tierras raras o que puedan sustituir recursos escasos por otros abundantes. Además, los responsables de la formulación de políticas deberían crear incentivos para fomentar el desarrollo de técnicas más sostenibles de extracción y procesamiento, y el reciclaje de desechos electrónicos. Imponer un impuesto a los desechos mineros también proporcionaría un incentivo para desarrollar formas de reducir la contaminación.

Toledano cree que la clave para hacer que la minería sea más sostenible es desarrollar la economía circular, una economía que apunta a cero residuos y contaminación manteniendo los materiales, productos y servicios en circulación durante el mayor tiempo posible.

"La economía circular tiene un largo camino por recorrer para funcionar adecuadamente en la cadena de valor de minerales y materiales, pero será una solución ambiental común en el sentido de que, en última instancia, dependerá menos de la extracción virgen", dijo Toledano. "Nunca cubriremos todas nuestras necesidades con la economía circular, pero aún podemos avanzar mucho".

Creo que encontrará que las comunidades locales, especialmente cuando se asocian con ONG ambientalistas, pueden tener más poder del que se sugiere cuando se trata de influir en la EPA de EE.UU. y la utilización del sistema legal estadounidense para oponerse a los permisos mineros. De ahí el problema de la última década para las nuevas minas estadounidenses, etc., dentro de las fronteras de Estados Unidos (por ejemplo, Keystone, Pebble Mill y Willow). Además, ahora se plantea un importante dilema político para el gobierno de Biden (es decir, entrar dentro de las fronteras de EE. UU. o ser "amigable" con la materia prima de metales críticos). GLTA – Inversor en tierras raras.