Metale ziem rzadkich (w literaturze często występujące pod nazwą rare earth oxides – REO) w gospodarce opartej na wiedzy (GOW) zyskują znaczenie surowca o charakterze strategicznym. Znajdując zastosowanie w wielu technologiach wykorzystywanych zarówno do celów cywilnych, jak i militarnych stały się przedmiotem zainteresowania wszystkich globalnych graczy obecnych na rynkach dóbr zaawansowanych technologii. Ich rozmieszczenie w geologicznej historii Ziemi nie gwarantuje obecnie bezproblemowego dostępu do nich przez najwyżej rozwinięte współczesne gospodarki.
W przypadku Unii Europejskiej kwestią o fundamentalnym znaczeniu dla dalszego rozwoju GOW i możliwości podnoszenia przewagi konkurencyjnej na arenie międzynarodowej stało się zapewnienie dostępu do metali ziem rzadkich. Naturalne miejsca ich występowania w Europie są bardzo ograniczone. Zmiana nastawienia Chin odnośnie do eksploatacji i eksportu tych metali w najbliższych latach będzie miała ogromny wpływ na dostępność tych surowców w rozwoju gospodarki nowoczesnych technologii. Oznaczać to może spełnienie się aspiracji państwa chińskiego do wystąpienia w roli nowego światowego lidera w produkcji wysoko zaawansowanych technologicznie wyrobów i konieczność poszukiwania nowych źródeł zaopatrzenia w metale ziem rzadkich dla pozostałych wysoko rozwiniętych gospodarek.
Nie rzadkie, tylko rozproszone
Metale ziem rzadkich inaczej zwane pierwiastkami ziem rzadkich obejmują 17 pierwiastków chemicznych, takich jak: lantan, cer, prazeodym, neodym, promet, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb i lutet (są to lantanowce) oraz skand i itr. Wszystkie te pierwiastki współwystępują w minerałach zawierających lantanowce i mają podobne właściwości chemiczne. Stanowią siódmą część wszystkich pierwiastków, które występują w naturze, co oznacza, że nie są aż tak rzadkie, jak sugerować mogłaby nazwa. Jednak stanowią złoża rozproszone, co utrudnia eksploatację. Spotykane są zazwyczaj w formie tlenków, węglanów, fosforanów i krzemianów. Lantanowce występują w przyrodzie zespołowo a ich rozdzielenie jest bardzo trudne. Lantanowce o nieparzystej liczbie atomowej są mniej rozpowszechnione od tych o liczbie atomowej parzystej.
W środowisku naturalnym na każde 100 atomów itru przypada 7 atomów lantanu, 31 ceru, 5 prazeodymu, 7 samaru, 0,2 europu, 7 gadolinu, 1 terbu, 7 dysprozu, 1 holmu, 6 erbu, 1 tulu, 7 iterbu, 1,5 lutetu.
Większość tych pierwiastków została odkryta w XIX w. Jednak pionierskie badania w latach 1792–1794 podjął fiński mineralog i chemik Johan Gadolin. W minerale iterbicie, wydobytym w okolicach Ytterby koło Sztokholmu przez Carla Arrheniusa, wykrył tlenek nieznanego pierwiastka chemicznego. Wyizolowaną substancję nazwał pierwotnie ytterbia, co zostało następnie skrócone do yttria. Surowcem tym okazał się tlenek itru, z którego uzyskano metaliczny itr.
W roku 1843 Carl Gustaf Mosander wydzielił z yttrii dwa kolejne składniki: erbię i terbię, z których otrzymał metale erb i terb. Na cześć J. Gadolina nazwę minerału iterbitu zmieniono na „gadolinit”. Jego nazwiskiem nazwano też pierwiastek gadolin, odkryty w 1880 roku przez Jeana Charles’a Galissarda de Marignaca. Nazwa miejscowości Ytterby była inspiracją do nazwania czterech spośród nowoodkrytych pierwiastków: itru, erbu, iterbu, terbu.
Metale ziem rzadkich związane są z występowaniem niektórych minerałów, najczęściej obecnych w skałach magmowych, rzadziej metamorficznych. Są to przykładowo: monacyt, bastnazyt, ksenotym, fergusonit, gadolinit, euksenit, polikraz, eszynit-(Y). Jedne z najczęściej eksploatowanych surowców stanowią piaski monacytowe. Monacyt eksploatuje się między innymi: na Madagaskarze (Antisirabe, Ampangabe), w Rosji (Ural), na Tasmanii (Mount Bishoff), zaś piaski monacytowe: w Brazylii (Minas Gerais), Indiach (Travancore i Madras), Ameryce Północnej (Wirginia, Karolina Północna, Kolorado), w Norwegii, Szwecji.
W Polsce obecność monacytu stwierdzono w pegmatytach w rejonie Szklarskiej Poręby.
Do państw o potwierdzonym największym potencjale wydobywczym metali ziem rzadkich należą Chiny, Stany Zjednoczone, Brazylia, Sri Lanka, Indie, Australia. Z Mountain Pass w Ameryce Północnej od połowy lat 60. aż do lat 90. XX w., kiedy zamknięto kopalnie, pochodziła większość pierwiastków ziem rzadkich. Od tej pory na czołowe miejsce wysunęły się Chiny. Istnieją uzasadnione podejrzenia, że znaczne ilości metali ziem rzadkich mogą znajdować się na obszarze Afryki. Jest to jednak potencjał niezbadany i trudno dostępny ze względu na znaczną niestabilność polityczną w wielu krajach tego regionu. Utrudnia to prowadzenie prac rozpoznawczych i zniechęca do podejmowania kosztownych inwestycji.
W odniesieniu do kilku pierwiastków metali ziem rzadkich istnieją bardziej szczegółowe dane odnośnie do miejsc występowania i wielkości zasobów. Naturalne złoża skandu znajdują się w Australii, Chinach, Kazachstanie, Rosji, USA, na Ukrainie i na Madagaskarze. Neodym wydobywany jest głównie w Chinach, USA, Brazylii, Indiach, Sri Lance i Australii. Dostępne zasoby są oceniane na około 8 mln ton. Roczne wydobycie to około 7 tys. ton. Dysproz nigdy nie jest spotykany w stanie wolnym, ale może być znaleziony w wielu minerałach. Często występuje wraz z erbem, holmem i innymi metalami ziem rzadkich. Obecnie najwięcej dysprozu jest uzyskiwane z adsorbujących jony złóż gliny w południowych Chinach. Zasoby gadolinu szacuje się na 1 mln ton przy wydobyciu 400 ton rocznie. Zasoby holmu określa się na poziomie 400 tys. ton, zaś iterbu – 1 mln ton.
Niezbędne w nowoczesnych technologiach
Lista zastosowań metali ziem rzadkich jest naprawdę imponująca. Zwraca uwagę przede wszystkim wiele bardzo nowatorskich zastosowań i corazszersze wykorzystywanie w dziedzinie nowoczesnych technologii cywilnych i militarnych. Metale ziem rzadkich stosowane są do produkcji noktowizorów, pocisków manewrujących i innych elementów uzbrojenia. Są używane w diagnostyce i terapiach medycznych, w optyce, w technologiach jądrowych i laserowych, w telekomunikacji, jako domieszki w stopach metali wykorzystywanych lotnictwie i kosmonautyce, jako katalizatory w procesach rafinacji ropy naftowej i innych pracach laboratoryjnych, źródło promieniowania w przenośnych aparatach Roentgena, a także jako kolorant, np. w jubilerstwie.
Bardzo obiecujące staje się ich wykorzystanie w technologiach związanych z rozwojem gospodarki niskoemisyjnej, zwłaszcza w turbinach wiatrowych i samochodach hybrydowych, w których korzysta się z silnych właściwości magnetycznych niektórych z tych pierwiastków. Akumulator w Toyocie Prius zawiera 10 kg lantanu. Magnes w dużej turbinie wiatrowej ma aż 260 kg (albo więcej) neodymu.
Wypada jednak dodać, że chociaż wiele zastosowań ziem rzadkich przyczynia się do ograniczenia emisji, wątpliwości dotyczą wpływu na środowisko związanego z ich pozyskaniem. Chodzi zwłaszcza o radioaktywność materiałów, które zwykle towarzyszą złożom ziem rzadkich. Ponadto w procesie rafinacji stosowane są związki chemiczne, takie jak kwas siarkowy i kwas fluorowodorowy.
W Stanach Zjednoczonych główną przyczyną zaniechania wydobycia metali ziem rzadkich były (oprócz wejścia na rynek tańszych dostaw z Chin) właśnie względy środowiskowe. Górnictwo i przetwórstwo ziem rzadkich jest bardzo energochłonne, co oznacza, że analizując cały cykl życia produktu trudno jednoznacznie stwierdzić, czy spadek emisji dzięki zastosowaniu metali ziem rzadkich rekompensuje emisje powstające w procesie ich pozyskania.
Stwierdzono również, że surowce te mogą przedostawać się do atmosfery z odpadów poprodukcyjnych, a skutki ich uwalniania do środowiska nie są dotychczas dokładnie rozpoznane. Kopalnie wokół Botou w Chinach zrzucają rocznie 10 mln ton wód silnie zakwaszonych, bądź radioaktywnych. Praktycznie nie poddaje się ich żadnemu oczyszczaniu i dezaktywacji. Musiano przesiedlić mieszkańców okolicznych wiosek, bo woda i uprawy zostały skażone.
Bardzo utrudniony jest nadzór nad małymi kopalniami w południowych Chinach. W prowincjach Jiangxi i Guangdong grupy mafijne uruchomiły dziesiątki rujnujących przyrodę wyrobisk. Oficjalna agencja prasowa Xinhua doniosła, że gangi przemyciły za granicę w 2008 r. 20 tys. ton metali ziem rzadkich. To niemal jedna trzecia całkowitego ówczesnego eksportu Chin.
W ciągu ostatnich 30 lat zastosowanie pierwiastków ziem rzadkichw ochronie środowiska bardzo się zwiększyło, jak stwierdza amerykańska agenda rządowa US Geological Survey, która spodziewa się utrzymania tego trendu. Notowana na giełdzie w Toronto spółka górnicza Avalon Rare Metals potwierdza, że około 25% nowych technologii bazuje na metalach przejściowych i ziem rzadkich.
Kto ma a kto potrzebuje?
Większość podaży metali ziem rzadkich pochodzi z kilku kopalni. Największa w świecie jest kopalnia Bayan Obo, położona w chińskiej prowincji Mongolia Wewnętrzna. Tuż za nią plasuje się Mountain Pass w Stanach Zjednoczonych, a następnie kopalnia Mount Weld w Australii. W ostatnich kilkunastu latach funkcjonowanie rynku metali ziem rzadkich było po stronie podaży zdominowane przez Chiny.
Szacuje się, że państwo chińskie dysponuje 35% ogółu rozpoznanych światowych zasobów metali ziem rzadkich. Od lat 70. XX wieku kraj ten inwestował w rozwój wydobycia i przetwarzania tych kruszców. W 1992 r. ówczesny chiński przywódca Deng Xiaoping ogłosił, że metale ziem rzadkich są dla Chin tym samym, czym jest dla Bliskiego Wschodu ropa, jednocześnie zapalając zielone światło dla rozwoju tego sektora. Górnictwo, korzystając na szeroką skalę z pomocy państwa, mogło dostarczać surowce na światowe rynki po zaniżonych cenach. Sprzyjały temu również mniej rygorystyczne przepisy ochrony środowiska przyrodniczego. To z kolei zniechęcało innych potencjalnych producentów do podejmowania wydobycia. W ten sposób Chiny na wiele lat zdominowały światowy rynek REO po stronie podaży.
Jednak w ostatnich latach nastąpiła widoczna zmiana w podejściu do eksploatacji ziem rzadkich. Chińczycy wprowadzili kontyngenty ilościowe w eksporcie produktów powstałych z tego rodzaju metali. Dały się też odczuć opóźnienia w wysyłce spowodowane pracą chińskich służb celnych.
Obserwowana zmiana podejścia do handlu tymi metalami wynika z jednoczesnego zadziałania kilku czynników, świadczących o ważnych przeobrażeniach w chińskiej gospodarce i podejściu do kwestii ochrony środowiska. Dość zaskakujące mogą wydawać się zwłaszcza argumenty ekologiczne, ale rzeczywiście od pewnego czasu daje się zauważyć w Chinach wzrost zainteresowania przyrodniczymi aspektami gospodarowania.
Eksploatacja metali ziem rzadkich znana jest ze swego bardzo polutogennego charakteru, co w połączeniu z rabunkowym i niekontrolowanym wydobyciem skutkowało poważnymi obciążeniami środowiska i negatywnym oddziaływaniem na ludność. Przyczyniło się także do skażenia wód i gleb. Dostrzegając potencjał rozwojowy związany z GOW, postanowiono również w większym stopniu zachować zasoby naturalne na zaspokajanie przyszłych potrzeb chińskiej gospodarki.
Po stronie popytu na rynku metali ziem rzadkich głównymi graczami są kraje wysoko rozwinięte. Na pierwszym miejscu znajduje się Japonia, którą okresowo w najwyższym stopniu dotknęły ograniczenia zastosowane przez Chiny. Znaczne ilości importują też Stany Zjednoczone, najwyżej rozwinięte kraje UE oraz Korea Południowa. Zdaniem Dudley’a J. Kingsnortha, analityka Industrial Minerals Company of Australia Pty Ltd uznawanego za jednego z najwybitniejszych znawców rynku metali ziem rzadkich, w najbliższych latach czeka nas większa niezależność od dostaw z Chin, gdzie nastąpi konsolidacja producentów, poszukiwanie substytutów i możliwości opłacalnego recyklingu. Ceny powinny utrzymywać się na wysokim poziomie.
W latach 2009–2010 przeciętna wartość metali ziem rzadkich płacona przez nabywców spoza Chin wzrosła w przypadku niektórych surowców nawet dziesięciokrotnie. Ceny na chińskim rynku też zwiększyły się, jednak w mniejszym stopniu.
W dłuższej perspektywie czasowej należy się spodziewać normalizacji sytuacji w międzynarodowym handlu, gdyż zmiana polityki przez Chiny w odniesieniu do własnego sektora wydobywczego powinna pozytywnie oddziaływać na opłacalność eksploatacji w innych regionach świata.
W ostatnich latach podjęto wzmożone prace rozpoznawcze w Brazylii w rejonie Minas Gerais, gdzie już wcześniej odkryto występowanie metali ziem rzadkich. Wśród dostawców pojawił się również Kazachstan.W grudniu 2010 r. wznowiła produkcję kalifornijska spółka Molycorp Minerals. W kopalni Mount Weld w Australii (własność Lynas Corporation) eksploatację rozpoczęto w 2012 r. Kolejna australijska kopalnia – źródło w Nolans (własność spółki Arafura Resources Ltd.) określiła przewidywane roczne wydobycie na poziomie 20 tys. ton REO w 2013 r.
Oczekuje się, że największy wzrost popytu będzie w najbliższych latach dotyczyć neodymu, dysprozu i prazeodymu. Ze względu na ich silnie działanie magnetyczne znajdują one zastosowanie w produkcji pojazdów o napędzie elektrycznym i turbin wiatrowych. W dobie wzmożonego nacisku na rozwój gospodarki niskoemisyjnej można się spodziewać znacznego wzrostu popytu właśnie na te metale. Magnesy neodymowo-żelazo-borowe mogą mieć do 6% neodymu zastąpionego dysprozem w silnikach napędowych dla elektrycznych pojazdów hybrydowych. Ta zamiana wymagałaby ok. 100 g dysprozu na każdy wyprodukowany samochód. Opierając się na przewidywanej produkcji Toyoty na poziomie 2 mln sztuk rocznie, użycie dysprozu w takich zastosowaniach szybko wyczerpie znane zasoby tego metalu. Zastępowanie neodymu dysprozem może być użyteczne także ze względu na poprawę odporności magnesów na korozję.
Surowce dla Europy
Zapewnienie dostępu do kluczowych dla rozwoju gospodarki opartej na wiedzy surowców znajduje się w centrum zainteresowania Komisji Europejskiej. Z jej inicjatywy została powołana specjalna grupa robocza Zadaniem komisji było zbadanie, które z surowców będą miały krytyczne znaczenie dla UE. W opublikowanym 2010 r. raporcie wymieniono: antymon, beryl, kobalt, fluoryt, german, grafit, ind, magnez, niob, platynowce, ziemie rzadkie, tantal i wolfram.
W odniesieniu do metali ziem rzadkich stwierdzono, że występujące uzależnienie od importu z Chin jest trudne do przezwyciężenia ze względu na brak własnej produkcji. Prace nad uruchomieniem / wznowieniem produkcji w innych lokalizacjach wymagają czasu, zaś opracowane technologie odzysku są jak na razie ekonomicznie nieopłacalne a znane substytuty nie gwarantują zachowania jakości, jaką dają metale ziem rzadkich.
Poszczególne kraje będą jednak wykazywały zróżnicowaną wrażliwość na zawirowania cen i podaży metali ziem rzadkich na rynku światowym, co wynika ze znaczenia w ich strukturze produkcji technologii uzależnionych od tych surowców. Nie zalecano jednak gromadzenia zapasów, natomiast rozważano interwencje na forum Światowej Organizacji Handlu, uznając wyjaśnienia Chin odnośnie do ekologicznych przesłanek ograniczania produkcji i eksportu za wygodny, ale mało przekonujący argument. Z państw UE największymi importerami metali ziem rzadkich są Niemcy, Francja i Holandia.
Biorąc pod uwagę często śladową obecność tego rodzaju surowców i ich związków w wyrobach gotowych, nie należy oczekiwać dramatycznego wzrostu cen tych produktów. Warto jednak rozważać rozwój alternatywnych technologii wolnych od stosowania REO. Najtrudniej będzie to osiągnąć w zastosowaniach wykorzystujących silne własności magnetyczne niektórych metali ziem rzadkich. Ponadto w interesie państw UE leży poszukiwanie nowych źródeł zaopatrzenia w metale ziem rzadkich, w tym zwiększanie nakładów na badania nad ich recyklingiem i prace nad pełnowartościowymi zamiennikami trudniej dostępnych pierwiastków.
Małgorzata Burchard-Dziubińska
Prof. UŁ, dr hab. Małgorzata Burchard-Dziubińska jest pracownikiem naukowym w Instytucie Ekonomii UŁ, a zajmuje się m.in. ekonomią zasobów naturalnych i zrównoważonym rozwojem.
Powyższy tekst jest skrótem obszernego artykułu pt. „Strategiczna rola metali ziem rzadkich w gospodarce opartej na wiedzy”, dostępnego pod adresem: http://dspace.uni.lodz.pl:8080/xmlui/handle/11089/11867
Tytuł i śródtytuły oraz podkreślenia pochodzą od Redakcji SN.