LE TERRE RARE

SCINTILLE DI INNOVAZIONE:

COME LE TERRE RARE ILLUMINANO IL PROGRESSO TECNOLOGICO

Chimica in prima pagina!

Cosa sono le terre rare?

L’organismo internazionale che stabilisce le norme relative alla chimica è stato fondato nel 1930 in Belgio e, nel 1947, ha assunto il nome attuale di "IUPAC" (International Union of Pure and Applied Chemistry). Esso ha deciso di indicare con il termine "terre rare" (Rare Earth Elements - REE) il gruppo di 17 elementi costituiti da scandio, ittrio, lantanio e da tutti gli elementi che costituiscono la famiglia dei lantanidi.

Dal punto di vista chimico, gli elementi classificati come terre rare sono tutti metalli denominati "della tecnologia", in quanto hanno avuto un ruolo centrale nella rivoluzione tecnologica degli ultimi 20 anni.

Essi trovano crescente applicazione in numerosi settori di produzione, come nei televisori, nei chip e nell’hard-disk del computer, nei touchscreen, nei circuiti elettronici, nei magneti permanenti dei computer e delle turbine eoliche, nei pannelli fotovoltaici di ultima generazione, nelle lampade a basso consumo, nelle batterie delle automobili, nei catalizzatori di combustione, nei coloranti per vetri e prodotti ceramici, nei componenti per laser, e così via.

Tali elementi sono stati scoperti in epoca relativamente recente: il primo, il terbio, nel 1782 in Svezia, gli altri sono stati isolati nel corso del 1800 e primissimi anni del 1900, ad esclusione del promezio che è stato ottenuto artificialmente nel 1945. Essendo i loro ossidi inseriti in altri minerali in piccole percentuali (da qui l'attributo "rare") è stato difficile individuarli, ciononostante, queste terre rare non sono così introvabili: ad l’eccezione del promezio, elemento radioattivo artificiale, si trovano in concentrazioni relativamente elevate nella crosta terrestre; lantanio, cerio, neodimio e ittrio sono più abbondanti di piombo o argento e perfino i due meno abbondanti, tulio e lutezio, sono circa 200 volte più comuni dell’oro. La loro rarità discende dal fatto che, seppur presenti in diversi tipi di minerali, sono sparsi nel mondo, tuttavia, anche una manciata di terriccio raccolta nel cortile di casa probabilmente ne contiene un po’, magari poche parti per milione. Sono invece rari i giacimenti abbastanza grandi e concentrati tali da rendere conveniente l’attività estrattiva.

Secondo l’istituzione delle USGS (United States Geological Survey), attualmente, al mondo vi sono 120 milioni di tonnellate di terre rare, una quantità sufficiente da soddisfare l’intera domanda globale per i prossimi 3 o 4 secoli. Si tratta, dunque, di terre “rare” non per l’abbondanza media nella crosta terrestre ma per la bassa concentrazione dei loro depositi, dispersi e diluiti, e talvolta anche per i costi di estrazione altissimi ed economicamente ingiustificabili, a meno che non vengano equilibrati dai costi bassi della manodopera, o sostenuti da sussidi statali. Sicuramente, le terre rare hanno un impatto rilevante sugli aspetti geopolitici globali, diversamente da un centinaio di anni fa, quando erano sconosciute, ora sono la chiave delle tecnologie più avanzate. La scelta di impiegarle è dovuta fondamentalmente alla loro capacità di esercitare un magnetismo resistente alle alte temperature ma anche alla possibilità di introdurle nell’ambito dell’energia rinnovabile, si pensi ad automobile ibrida che contiene 1kg di terre rare o ad turbina eolica che ne contiene 1000kg.

Proprietà delle terre rare:

Le caratteristiche che rendono le terre rare essenziali in molteplici settori tecnologici e industriali sono:

1. Proprietà magnetiche: Molte terre rare, come il neodimio, sono fondamentali per la produzione di magneti permanenti ad alta resistenza, utilizzati in altoparlanti, motori elettrici e generatori. 2. Luminescenza: Alcune terre rare, come l'europio, possono emettere luce quando eccitate da radiazioni elettromagnetiche, rendendole utili in applicazioni come schermi di computer e TV a LED. Infatti, la capacità di emettere luce in modo efficiente fa sì che siano cruciali per le tecnologie di visualizzazione. 3. Stabilità termica e chimica: Le terre rare sono spesso stabili a temperature elevate e resistono bene alla corrosione chimica, il che le rende adatte per applicazioni in ambienti estremi, consentendo di essere applicate senza degradare o perdere le loro proprietà. 4. Conduzione elettrica: Alcuni elementi delle terre rare hanno buone proprietà di conduzione elettrica, come nel caso del diprosio, spesso aggiunto come elemento di lega nei procedimenti di "tempering" o "aging" che aumentano proprio la tenacità delle leghe a base di ferro. 5. Proprietà ottiche: Alcune terre rare, come il disprosio, possono essere utilizzate in vetri speciali con proprietà ottiche avanzate, quale l'assorbimento della luce infrarossa. 6. Catalisi chimica: Alcune terre rare, come il cerio, svolgono un ruolo essenziale come catalizzatori in reazioni chimiche, ad esempio nel processo di raffinazione del petrolio. Ciò migliora l'efficienza energetica e riduce l'impatto ambientale.

Ovviamente, l’interesse per i REE è cresciuto insieme all’evoluzione tecnologica e alla transizione energetica ma la dipendenza mondiale da questi materiali porta con sé varie criticità legate ai processi estrattivi e produttivi che rientrano, ad oggi, in una sorta di quasi "monopolio cinese", cresciuto fino alla crisi del 2010, quando le economie più avanzate hanno iniziato a cercare alternative all’import dei REE dalla Cina. Se verso la fine del secolo scorso anche l’America vantava una sorta di bacino di estrazione e produzione, le miniere in California vennero chiuse quando i prezzi cinesi si dimostrarono molto più convenienti, ma questo diede il via al processo che portò al monopolio cinese: i paesi delegarono l’attività di estrazione e produzione di terre rare, per via delle criticità ambientali e sociali e delle regolamentazioni vigenti nei vari paesi, ottenendo ciò che il loro mercato di prodotti finiti richiede, senza inquinare il loro stesso territorio. D'altro canto la Cina poteva contare sul supporto governativo nella ricerca, sulla protezione delle risorse di REE e la produzione non regolata e il basso costo di produzione rispetto a quelli esteri. Pertanto, ancora oggi, il 95% dei minerali contenenti terre rare proviene dalla Cina.

Dove si trovano e come sono distribuite sul globo?

Quasi tutte le terre rare presenti nel mondo provengono da depositi cinesi come quello di Bayan Obo, anche se miniere illegali di terre rare sono comuni nella Cina rurale e sono note per rilasciare rifiuti tossici nelle risorse idriche. Per evitare possibili carenze e il monopolio cinese sono state cercate, però, altre fonti di terre rare, specialmente in Sudafrica, Brasile, Vietnam, Canada e Stati Uniti, ad esempio, una miniera di terre rare in California è stata riaperta nel 2012, mentre altri siti importanti sono quelli canadesi di Thor Lake nei Territori del Nord-Ovest e del Quebec. In linea di massima, la maggior parte della fornitura attuale di ittrio si origina da depositi di argille della Cina meridionale e forniscono concentrati contenenti circa il 65% di ossido di ittrio.

Cina: 37% Brasile-Vietnam: 18% Russia: 15% Resto del mondo: 12%

La questione geopolitica e il monopolio cinese:

Se nella prima metà del Novecento il monopolio era detenuto dai brasiliani e dagli indiani, negli anni '50 dal Sudafrica e a seguire dagli Stati Uniti, a partire dal 2000 fino ad oggi, la Cina possiede circa l'intero dominio sulle terre rare.

La potenza della Cina sta nel fatto che essa ha puntato a costruire le fabbriche di produzione e raffinazione nei pressi delle miniere in modo che la materia estratta potesse rapidamente raggiungerle e, con questa mossa astuta, e con i bassi costi della manodopera ha ridotto nettamente i costi globali, espandendo i propri domini anche all’estero. Nel corso del tempo, infatti, la Cina ha acquisito i diritti esclusivi di estrazione in Africa in cambio di grandi promesse per lo sviluppo e la costruzione di infrastrutture, sono stati siglati accordi in Congo e in Kenya, dove sono stati forniti quasi 700 milioni di dollari per la costruzione di data-center ed autostrade. Pertanto, a partire dal 2011 sono arrivate restrizioni sia per ragioni ambientali sia di predominio e la Cina comincia a restringere le esportazioni, con una legge che permette anche di limitare l’esportazione di terre rare nei confronti di quei paesi che minacciano gli interessi della nazione. Allo stesso modo, tanti Paesi, tra cui l’Unione Europea, stanno cercando alternative per diminuire la dipendenza da queste materie prime e soprattutto dai paesi produttori, quali la Cina. Gli stessi Stati Uniti cercano una soluzione: il Vietnam potrebbe esserlo per i suoi legami con Washington, ma il mercato più interessante politicamente è l’Australia che dispone di riserve stimate di 3.2 milioni di tonnellate, circa il 3% di quelle globali.

L'UE in cerca di soluzioni!

La strategia europea, negli ultimi anni, mira quindi a una certa indipendenza che è evidente anche con l'alleanza europea per le materie prime, che punta al rafforzamento e alla diversificazione dell’approvvigionamento interno ed esterno dell’UE sulle terre rare, cercando progetti sul suolo europeo che possano essere operativi per il 2025. Tuttavia, le difficoltà di recupero e riciclo di questi materiali si scontrano con gli obiettivi per un’economia circolare che rientrano in Agenda 2030 e nel Green Deal. Inoltre, comunità e associazioni ambientaliste si schierano in modo sostenuto contro progetti di siti minerari che potrebbero compromettere gli ecosistemi e gli habitat di specie protette e sede di siti archeologici.

Per quanto riguarda l’Unione Europea, in particolare, la dipendenza dalla Cina per le terre rare e altre materie prime è molto evidente e l’adozione del Green Deal europeo e della transizione ecologica spinge verso un’emancipazione da questo legame. Nonché verso un’emancipazione possibile dal largo utilizzo di REE, tanto che non mancano esperienze di privati e consorzi che puntano su tecnologie senza terre rare come l’e-mobility, che consiste in tutti quei veicoli che impiegano l'energia elettrica come principale fonte di energia.

Il rovescio della medaglia:

E l'impatto sull'ambiente?

In prima battuta, sono causa dell’inquinamento delle acque, perché vengono utilizzate sostanze chimiche tossiche come acidi e solventi organici che possono contaminare le acque sotterranee e superficiali compromettendo la qualità e danneggiando gli ecosistemi acquatici. In seconda battuta, sono complici della distruzione degli habitat e della perdita di biodiversità. Infine, hanno impatto sull’emissione di gas serra, in quanto la lavorazione delle REE richiede un notevole consumo di energia, spesso proveniente da fonti fossili.

I giacimenti di REE sono problematici sotto molteplici punti di vista, per esempio a causa di mineralizzazioni complesse, bassissime concentrazioni, presenza di torio e altri elementi radioattivi. Di conseguenza, l’estrazione, la lavorazione, la raffinazione e la purificazione di REE è un processo complesso, che necessita di tecnologie e capacità industriali ancor più rare delle terre stesse, e per giunta con un impatto ambientale significativo. Le sostanze attraversano una numerosa serie di passaggi che coinvolgono in più stadi sostanze chimiche potenzialmente nocive e filtraggi e che generano consistenti scarti tossici, con un costo ambientale potenzialmente elevatissimo: è stato calcolato che la lavorazione di una tonnellata di metalli delle terre rare produce circa 2.000 tonnellate di rifiuti tossici.

Inoltre, a questi problemi tecno-scientifici si aggiunge un ostacolo di tipo geopolitico. La disomogenea distribuzione delle miniere e impianti di trattamento dei minerali fa sì che la produzione di REE sia concentrata in pochi Paesi, dai quali dipende il resto del mondo. Come sappiamo, a esercitare il monopolio è la Cina, la quale possiede circa un terzo delle riserve mondiali attualmente note, pari a circa 44 milioni di tonnellate grazie alle quali copre circa il 60% dell’offerta, ma di recente, la competizione a distanza tra i due più importanti produttori sta convergendo sulla Groenlandia, il luogo del pianeta con il sottosuolo più ricco di REE, con un potenziale stimato di circa 60 mila tonnellate all’anno, ovvero pari al 30% del fabbisogno mondiale.

Le terre rare sono"la punta dell'iceberg":

In cerca della sostenibilità e dell'autosufficienza...

“Le terre rare sono solo la punta dell’iceberg. – dice il Professor Gian Andrea Blengini, del Dipartimento di Ingegneria dell’Ambiente, del Territorio e delle Infrastrutture (DIATI), docente titolare di Resources and Environmental Sustainability e Life Cycle Assessment (LCA), che dal 2013 al 2021 è stato ricercatore senior presso il Joint Research Centre della Commissione Europea – Spesso le REE vengono confuse erroneamente con i cosiddetti Critical Raw Materials, ovvero le materie prime critiche. Le materie prime critiche includono le terre rare e, anche, tra gli altri, i metalli ferrosi e i “non metalli” più noti, come il litio, il cobalto, il nichel, altrettanto indispensabili per le tecnologie. Si tratta, nell’insieme, di materiali di strategica importanza economica per l'Europa e caratterizzati allo stesso tempo da un alto rischio di fornitura. Tra le più importanti REE in relazione ai recentissimi sviluppi in campo tecnologico, c’è il neodimio, il cui impiego principale è nella produzione di magneti permanenti, cioè oggetti che generano un campo magnetico costante, convertendo in modo efficiente l’energia del vento in elettricità e che mantengono la loro magnetizzazione nel tempo grazie all’impiego di piccole quantità di disprosio e samario. C’è, poi, il terbio dei motori delle automobili elettriche ecc.”.

Siamo davanti a una corsa estrattiva destinata ad accelerare vertiginosamente. La domanda di metalli e minerali indispensabili per la transizione energetica e digitale aumenterà del 500% entro il 2050: stando alle stime contenute in Metals for Clean Energy, rispetto ai consumi attuali e comunque entro il 2050, la transizione energetica in Europa richiederà ogni anno +33% di alluminio, +35% di rame, +3500% di litio, + 100% di nichel, +45% di silicio, + 330% di cobalto. Sotto il velo delle percentuali si sostanzia materia per centinaia di migliaia (a volte milioni) di tonnellate annue. Dunque, bisogna stabilizzare e garantire gli approvvigionamenti e, con il passaggio da pratiche di economia dell’usa e getta a quelle dell’economia circolare, diventa centrale il tema dello sfruttamento intelligente di queste risorse preziose che deve conciliare l’estrazione mineraria responsabile con l’uso efficiente e circolare di ogni possibile materiale. Al fine di mitigare i rischi ambientali e garantire una fornitura sostenibile di materie prime critiche, alcuni Paesi stanno cercando di sviluppare nuove fonti di approvvigionamento, aumentando la produzione interna o cercando alternative, intraprendendo iniziative per il riciclo e il recupero delle REE dai prodotti in disuso, al fine di ridurre la dipendenza dalle nuove estrazioni e conducendo ricerche per lo sviluppo di tecnologie alternative che possano sostituire le REE o ridurne la quantità utilizzata.

Quali sono gli obiettivi dell'UE?

Di fronte al panorama della globalizzazione, in cui le economie mondiali sono diventate interdipendenti, l’Unione Europea punta a diversificare la supply chain. La Cina fornisce il 98% delle forniture di elementi di REE dell'UE, la Turchia il 98% del borato, il Cile il 78% del litio, il Kazakhstan il 71% del fosforo, il Sudafrica, per quanto riguarda iridio, rodio e rutenio, detiene quasi la totalità della produzione mondiale. La strada decisa nel 2023 con il Critical Raw Materials Act punta a diversificare l'approvvigionamento da fonti primarie e secondarie e assumere sempre di più autonomia, migliorare l’efficienza e la circolarità, promuovere forniture responsabili a livello mondiale, anche attraverso la ricerca di nuovi partner commerciali. Per la Commissione Europea, il 10% del fabbisogno europeo di materie prime critiche andrà estratto nel territorio dell’Unione; il 15% del consumo annuale di ciascuna materia prima strategica dovrà provenire dal riciclo, mentre il 40% del totale andrà raffinato su suolo europeo. Dunque, la nascita della nuova alleanza europea per le materie prime, presentata dalla Commissione Europea “per costruire la resilienza e l’autonomia strategica sulle terre rare”, punta proprio ad implementare un’azione concreta che identifichi barriere, opportunità e investimenti in tutta la filiera e intervenga sulla sostenibilità e sull’impatto sociale globale.

Siamo di fronte a un rompicapo riguardo all’approvvigionamento di materie prime: innanzitutto l’Europa non produce in quantità rilevante nessuna delle materie prime critiche necessarie alla transizione energetica; in secondo luogo, la popolazione europea è la più sensibile al mondo ai temi ambientali. Quindi, anche qualora si riescano a trovare giacimenti di materie prime sul suolo europeo, i cittadini difficilmente accetterebbero di vedersi aprire una miniera dietro casa. Spesso ci si riferisce a questo atteggiamento con il termine NINBY, acronimo dell’inglese “not in my backyard” (“non nel mio cortile”), per definire quelle persone che non si oppongono a progetti infrastrutturali in assoluto, ma non vogliono che vengano realizzati vicino ai luoghi dove vivono.

“Il concetto di materie prime critiche proviene da un lessico umano, perché se queste materie prime sono state definite tali è perché lo sono per noi, per le nostre vite e per il modo in cui diamo senso al presente e, quotidianamente, decidiamo il nostro futuro. L’elenco delle materie prime critiche, tra cui si annoverano le terre rare, è un elenco che cambia nel tempo e in base a chi lo delinea, perché è un elenco di attenzione e interesse, soprattutto a livello governativo e aziendale. Ad esempio, per la questione energetica, per l’elettrificazione dei veicoli, nel settore della difesa o nel campo aerospaziale – conclude Blengini – questo elenco di materie prime critiche col passare del tempo diventa sempre più nutrito: se nel 2011 la Commissione Europea aveva individuato solo 14 materie critiche, oggi sono aumentate a 34 e, conteggiando le terre rare una a una, sono complessivamente 53. Ma questo non è solo un problema europeo, perché per gli Stati uniti i minerali critici, sono in tutto 50, quindi il problema è globale.”.

La Tavola Periodica degli Elementi, elaborata da European Chemical Society (EuChemS) nel 2019, chiamata "Element Scarsity". L'area della casella di ciascuno dei 90 elementi esistenti in natura è in relazione logaritmica alla sua quantità sulla crosta terrestre o nell'atmosfera.

Le possibili vie d'uscita:

L'insostenibilità ambientale e sociale:

Oggi vengono studiate varie alternative di estrazione, come quelle plant-based o microbial-based, che attraverso biotecnologie o tecnologie biogeochimiche permettono di estrarre senza i rischi ambientali attuali. Si tratta di metodi avrebbero sicuramente una buona resa in termini di costi energetici e di sostanze chimiche nocive ma che non sono ancora in grado di sostituire la tecnologia attuale. Altre soluzioni vengono dall’economia circolare: di recente, infatti, si investe in tecnologie per cercare di recuperare le terre rare da fonti secondarie, siano esse il recupero degli scarti da altri impianti minerari, oppure il riciclo dei materiali già sul mercato. La soluzione migliore sembrerebbe oggi quella del riciclo: riutilizzare le terre rare presenti nei dispositivi dismessi. Questo permetterebbe di ridurne l’impatto ambientale, ma anche di risolvere il problema della dispersione di questi elementi nell’ambiente a fine utilizzo. La ricerca avanza, quindi, su tutti i fronti, sia nel miglioramento dei metodi estrattivi sia in nanotecnologie, anidride carbonica supercritica o grafene; purtroppo, oggi viene recuperato dai rifiuti solo l’1% delle terre rare.

Per diminuire la dipendenza dalle Terre rare ci sarebbero la diversificazione delle fonti, la riduzione del loro impiego e il riciclo. E se la prima opzione è già in atto, per quanto riguarda la riduzione dell’impiego e la sostituzione si fa affidamento alla comunità scientifica che al momento non ha dato grandi proposte o almeno non quelle che darebbero le stesse prestazioni con l’utilizzo di meno elementi. Una soluzione ampiamente caldeggiata è quella del riciclo che però non risolverebbe immediatamente il problema, dato che al momento solo l’1% dei REE viene riciclato. Resta il fatto che la questione terre rare rappresenta uno dei nodi più controversi della transizione ecologica, poiché questi materiali sono indispensabili ma creano un vero e proprio paradosso: inquinamento per l’estrazione di prodotti poco inquinanti e necessari per la green economy.

L’insostenibilità ambientale e sociale del processo di estrazione delle terre rare è un problema di dimensioni enormi: l’estrazione di materia comporta un elevato degrado ambientale, nonché rischi per la salute e contaminazione del suolo e delle acque. E ovviamente, in vari casi, c’è anche la questione del lavoro minorile e dello sfruttamento della manodopera a basso costo. Ma se i movimenti ambientalisti chiedono a gran voce la chiusura di miniere e luoghi estrattivi causa di inquinamento di aria, acqua e terra circostanti, è pur vero che l’economia mondiale è ormai legata a doppia mandata all’alta tecnologia. Pertanto, sarebbe necessario che l’estrazione dei REE non fosse più indispensabile per l’era tecnologica contemporanea. Le alternative però sono davvero poche, almeno al momento.

Francesca D'Alò, 4Bs

Lavorazione delle terre rare in Cina:

Ossido di terre rare per tonnellate nei diversi Stati: