Z prof. Krzysztofem Szamałkiem z Państwowego Instytutu Geologicznego rozmawia Anna Leszkowska
- Panie Profesorze, pierwiastki (metale) ziem rzadkich (MZR lub REE – Rare Earth Elements) to surowce, bez których nie istniałaby nie tylko elektronika, ale wszystkie przemysły hi-tech, m.in. kosmiczny, jądrowy, motoryzacyjny, lotniczy, medyczny. Popyt na nie ciągle rośnie – w 2016 roku wynosił 200 tys. ton rocznie. Jednak ich wydobywanie wiąże się z ogromnymi kosztami środowiskowymi – wyprodukowanie 1 tony REE skutkuje 200 tys. litrów silnie zakwaszonych wód. W jaki sposób można tego uniknąć?
- Zacznijmy od uporządkowania samej nazwy tych pierwiastków, gdyż jest ona dość myląca. Pierwiastki ziem rzadkich bowiem wcale nie są rzadkie. Jeszcze przed kilkudziesięciu laty trudności w ich rozpoznawaniu wynikały z małej liczby technik instrumentalnych o takim poziomie detekcji, które pozwalały wykryć ich obecność. Udawało się je wykryć tylko od czasu do czasu, stąd ta nazwa pierwiastków ziem rzadkich się upowszechniła. W obecnym stanie wiedzy ona nie ma żadnego usprawiedliwienia, poza historycznym.
Dziś wiemy, że pierwiastki ziem rzadkich są bardzo powszechne, czasem nawet występują w koncentracjach wyższych niż inne pierwiastki, uważane za bardziej pospolite, jednak większość z nich nie tworzy własnych minerałów.
O możliwości gospodarczego wykorzystania tych złóż decyduje współczynnik koncentracji, czyli stężenie pierwiastka w skale nośnej. Jeżeli jest niskie, trzeba „przerobić” setki ton skały, by wydobyć z niej np. 1 kg danego pierwiastka. I z tego wynika ten wysoki koszt dla środowiska.
Przez wiele lat poziom rozwoju techniki pozwalał w zasadzie na wykorzystywanie tylko takich pierwiastków jak żelazo, kobalt, nikiel, wanad, mangan, itd. - przede wszystkim do produkcji i uszlachetniania stali, a także miedź. Nikt nie widział zastosowania dla tych niewielkich ilości pierwiastków ziem rzadkich aż do czasu, kiedy odkryto, że użycie tych metali w niektórych procesach chemicznych czy technologicznych może poprawiać właściwości tworzonych materiałów lub ujawniać zupełnie nowe ich właściwości. Okazało się też, że część tych pierwiastków – np. cer (Ce) posiada wybitne właściwości katalityczne. Stąd zaczęło się zainteresowanie tymi pierwiastkami i ich wykorzystywanie w przemyśle. Ale nie od razu wszystkimi, np. ind (In) przez wiele lat nie był do niczego przydatny, aż do czasu, kiedy wynaleziono wyświetlacze LCD używane w odbiornikach telewizyjnych i telefonach komórkowych – tam ind jest niezbędny.
- Czy wydobywanie pierwiastków ziem rzadkich z dna oceanów byłoby dla środowiska mniej obciążające?
- Rzeczywiście, jak wykazały badania - zwłaszcza japońskie – na dnie oceanów istnieją warstwy iłowców (mułowców) silnie wzbogacone pierwiastkami ziem rzadkich, o koncentracji przewyższającej niekiedy te w skałach lądowych. Wydawałoby się więc, że te osady byłoby łatwiej przerobić i odzyskiwać te pierwiastki. Czy to jednak będzie znacząco tańsze – nie wiadomo, bo eksploatacja z głębokości ok. 4 – 5 tys. m nie jest łatwiejsza niż na powierzchni. Ponadto, tak jak wszystkie procesy eksploatacji na lądzie muszą uwzględniać bezpieczeństwo środowiska, tak i eksploatacja na dnie oceanicznym będzie poddana takim ograniczeniom. Są przecież unikalne zespoły bentosu i osiadłego, i wędrującego, strefy silnie rozwijającego się życia oceanicznego, więc zakłócenie stanu tego środowiska może spowodować nieprzewidywalne skutki.
- Zatem jest to temat przyszłości, tym bardziej, że nie ma dokładnych badań ani technologii. A górnictwo kosmiczne – też mrzonka?
- Niezupełnie. Wiele państw świata stworzyło już swoje prawa kosmiczne – łącznie z zasadami poszukiwania i ewentualnej eksploatacji. Badaniami pośrednimi stwierdzono bowiem, że część ciał kosmicznych jak planetoidy, meteoryty, asteroidy są zbudowane z cennych pierwiastków, np. z platyny. Zatem kiedy leci w pobliżu Ziemi 30 ton platyny, to warto ją złapać. Na razie nie wiemy jak taki obiekt bezpiecznie sprowadzić, ale do czasu.
- Jest jeszcze coś takiego, jak górnictwo miejskie, o czym coraz głośniej…
- Tak, urban mining, związane z odzyskiem metali ziem rzadkich z urządzeń elektronicznych, co związane jest z recyklingiem. Szybki rozwój elektroniki powoduje miniaturyzację i szybkie zmiany technologiczne, więc ludzie mają w domach coraz więcej przestarzałych i nieużywanych telefonów komórkowych oraz innych elektronicznych gadżetów. A że nie zajmują one wiele miejsca, to nie chce im się oddawać ich do recyklingu, co wiąże się zawsze z jakimś wysiłkiem znalezienia punktu skupu i dostarczenia tam niepotrzebnych urządzeń.
Wspólnie z prof. Krzysztofem Galosem wykazaliśmy, że z każdej tony telefonów komórkowych da się wyodrębnić naprawdę znaczące ilości miedzi, srebra, złota, indu – i to w czystej postaci, bez konieczności stosowania technologii szkodzących środowisku. Górnictwo miejskie wymaga tylko instrumentów zachęt i restrykcji. Jest bowiem problem zbierania małych urządzeń elektronicznych i zachęcania do oddawania już niepotrzebnych. A także znalezienia sposobu współpracy producentów telefonów, właścicieli sieci komórkowych i użytkowników telefonów.
Np. w ramach akcji promocyjnych telekomów można byłoby zastosować mechanizm typu: musisz oddać stary telefon, żeby otrzymać nowy. W dodatku wraz z oddaniem starego telefonu otrzymujesz nowy z przegraną zawartością karty pamięci. Być może jeszcze przydałyby się jakieś zachęty ekonomiczne, np. za oddany telefon otrzymuje się bonus w abonamencie. To można zrobić, a efektywność zbiórki telefonów byłaby znacznie większa niż dzisiaj.
Oczywiście, kopalnia miejska to nie tylko telefony komórkowe, ale wszystkie rzeczy mające części elektroniczne, które zalegają w domach i są łatwo dostępnym zasobem cennych pierwiastków.
- Pierwiastki ziem rzadkich, których największym producentem są Chiny (Deng Xiaoping w 1992 roku stwierdził, iż dla Chin są one jak ropa naftowa dla Bliskiego Wschodu) uznawane są za surowce strategiczne. Czy górnictwo miejskie mogłoby tę ich rolę pomniejszyć?
- Ono zapewne nie pokryłoby zapotrzebowania przemysłu na te surowce, ale pozwoliłoby ograniczyć górnictwo naziemne o ok. 30%. Co do Chin – rzeczywiście tak było, że te pierwiastki były bronią surowcową, ale Chiny też tolerowały u siebie przez długi czas nielegalną eksploatację pierwiastków ziem rzadkich, ocenianą na ok. 30% wydobycia w państwowych kopalniach. Ta broń stała się bezużyteczna z chwilą wywindowania cen na te surowce na poziom nieakceptowany dla kupujących. Wskutek tego okresowo uruchamiano zarzucone dla eksploatacji złoża w USA czy Australii, przerabiano również odpady pogórnicze, jeśli zawierały znaczące ilości tych pierwiastków. Czyli bardzo wysoka cena i monopol Chin skutkowały poszukiwaniem innych sposobów pozyskiwania tych surowców i znaczący spadek ich cen.
- W dalszym ciągu jednak producenci elektroniki szukają surowców w państwach, które pierwiastki ziem rzadkich wydobywają tradycyjnie, w sposób dewastujący środowisko, choć wydawałoby się, że górnictwo miejskie jest najtańsze.
- Ono nie jest najtańsze, ale najbardziej przyjazne środowisku. Wiele działań, które są ekonomicznie nieatrakcyjne, ale korzystne dla środowiska dofinansowuje się z funduszy ekologicznych czy podatków po to, aby je upowszechnić, bo skala potania koszty. Nawet w bogatych Stanach Zjednoczonych o gospodarce rynkowej wprowadzono dla producentów ogniw fotowoltaicznych czy solarów swoiste ścieżki dopłat. Czyli albo korzystali z dopłat użytkownicy, którzy kupowali ten sprzęt, albo dotowane były linie technologiczne przedsiębiorstw, które je wytwarzały.
- Ale z drugiej strony, planuje się kopalnie tych pierwiastków w Mongolii (Bayon Obo), Afganistanie, czy w miejscach szczególnie ważnych dla całej planety jak Las Amazoński czy Grenlandia. Ekologia przegrywa z elektroniką, której ta elektronika po części ma służyć…
- To niewygodna prawda. To, że my w UE zmniejszamy emisję CO2 nie świadczy o tym, że jako konsumenci mamy mniejszy wpływ na emisję CO2. Kupujemy bowiem chińskie produkty, kompensując tym samym naszą obniżkę emisji CO2 zwiększoną emisją tego gazu w Chinach. Ta hipokryzja ciągle ma się dobrze.
- Czy Polska ma jakieś zasoby pierwiastków ziem rzadkich?
- Występują u nas miejsca o podwyższonych koncentracjach tych pierwiastków, część z nich, które towarzyszą rudom innych metali, odzyskuje się podczas przeróbki tychże rud, np. ren (Re). Polska jest jednym z największych producentów renu na świecie, bo ten pierwiastek towarzyszy rudom polimetalicznym miedzi. Produkujemy go (ze ścieków w huty miedzi) jednak dopiero od kilku lat, bo wcześniej nie było odpowiedniej technologii. Tego jednego z najdroższych pierwiastków na świecie używa się m.in. do superstopów w przemyśle lotniczym i zbrojeniowym, także jako katalizatora.
- Mieliśmy jeszcze odzyskiwać te pierwiastki z fosfogipsów w Wizowie…
- Gdyby sięgnąć do archiwów MNiSW, KBN, NCN, NCBiR, i policzyć ile te instytucje przyznały pieniędzy na wydobywanie tych pierwiastków w Wizowie, to podejrzewam, że za tę kwotę moglibyśmy zabezpieczyć 5-letnie, a może dłuższe, zapotrzebowanie polskiego przemysłu na te pierwiastki. Na razie nie mamy efektywnej i taniej technologii do odzyskiwania REE z fosfogipsów.
Z kolei tereny Suwalszczyzny, gdzie pierwiastki ziem rzadkich występują, nie wchodzą w rachubę ze względów ekologicznych. Próbowano też odzyskiwać cyrkon z popiołów węglowych, ale ekonomicznie jego wydobywanie jest nieopłacalne. Poza tym my nie mamy przemysłu, który używałby znaczących ilości tych pierwiastków, głównie elektronicznego.
- Czy istnieje możliwość zastąpienia tych pierwiastków innymi surowcami?
- To jest wyzwanie dla nauki. Na pewno nie wszystkie będzie można zastąpić, tylko niektóre, ale myśl ludzka jest nieskończona, więc nie należy tego wykluczać. Będą substytuty, nowe zastosowania, odkrywane nowe właściwości znanych materiałów, jak to się już dzieje w przypadku ceramów – nowoczesnych tworzyw ceramicznych tworzonych na bazie tradycyjnych skał ilastych, modyfikowanych dodatkami pierwiastków ziem rzadkich. Dzięki temu tworzywo ceramiczne staje się przewodnikiem, choć było izolatorem. Nowoczesna ceramika, idąca w kierunku półprzewodników o różnych właściwościach spowoduje rewolucję, będzie bez wątpienia kształtować naszą przyszłość.
Dziękuję za rozmowę.