English info

Zapomniane pierwiastki, które zmieniły świat

Autor: Dorota Sierakowska

Data: 10 stycznia 2008

Patrząc na światowe rynki można odnieść wrażenie, że niektóre pierwiastki są na nich szczególnie ważne. I tak wśród współczesnych inwestorów liczą się złoto i miedź, a producenci elektroniki wykorzystują głównie krzem. Tymczasem tzw. pierwiastki ziem rzadkich (ang. rare earth elements, rare earths) znajdują zastosowanie w produkcji wielu przedmiotów codziennego użytku i bardzo często są niezastąpione.

Czym są rare earth elements?

Do pierwiastków ziem rzadkich zaliczają się lantanowce (cer, prazeodym, neodym, promet, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb i lutet), aktynowce (tor, protaktyn, uran, neptun, pluton, ameryk, kiur, berkel, kaliforn, einstein, ferm, mendelew, nobel i lorens) oraz lantan, aktyn i skand. Jest to najszersza z definicji rare earths – a jest ich wiele, gdyż praktycznie każde opracowanie wymienia inne pierwiastki. Rozbieżności w definicjach wynikają z nieścisłego rozumienia samego pojęcia.

Nazwa rare earth elements wynikła z rozpowszechnionego dawniej poglądu, iż pierwiastki te są niezwykle rzadkie. Obecnie wiadomo jednak, że jest inaczej. Najpowszechniejszy rare earth element – cer – jest na 25. miejscu pod względem obecności w skorupie ziemskiej (a więc występuje w niej częściej niż ołów czy cyna). Natomiast najrzadziej występujący lutet jest i tak 200 razy bardziej powszechny w przyrodzie niż złoto! Jedynie promet jest pierwiastkiem na tyle nietrwałym, że z natury nie występuje w skorupie ziemskiej i można go uzyskać tylko w wyniku reakcji atomowej. Niektórzy w wyniku dosłownej interpretacji zaliczają do rare earth elements także metale szlachetne (właśnie ze względu na ich rzadkość), jednak jest to uważane za błąd.

Uzasadnienia nazwy rare earths należy więc szukać nie w braku ich obfitości, lecz we właściwościach chemicznych tych pierwiastków. Ich atomy są niejednokrotnie bardzo rozproszone, a ich wyodrębnienie ze skorupy ziemskiej pochłania dużo czasu i pieniędzy. Dlatego wydobycie metali rzadkich w wielu miejscach na świecie jest nieopłacalne, w przeciwieństwie do wydobycia metali szlachetnych, których atomy posiadają naturalną zdolność do koncentracji.

Dlaczego pierwiastki ziem rzadkich są ważne dla inwestorów?

Z tego samego powodu, dla którego są ważne dla producentów i konsumentów na całym świecie. Naukowcy alarmują, że zapasy niektórych rzadkich pierwiastków (np. iterbu) mogą się skończyć już w drugim dziesięcioleciu XXI wieku! Wydobycie rare earths utrzymuje się na względnie stałym poziomie, natomiast popyt na związki pierwiastków ziem rzadkich stale rośnie. Naturalną implikacją obecnego stanu rzeczy jest więc wzrost cen rare earths, który już teraz starają się wykorzystać spekulanci. Wyższe ceny rzadkich pierwiastków przyczynią się także do rozwoju ich rynku, ponieważ w obecnych warunkach wydobycie rare earth elements w wielu miejscach świata jest po prostu nieopłacalne.

Zastosowanie pierwiastków ziem rzadkich

O pierwiastkach ziem rzadkich mówi i pisze się coraz więcej przede wszystkim ze względu na ich wyjątkowe właściwości. Za przykład może posłużyć cer. Tlenek tego metalu używany jest do odbarwiania oraz precyzyjnego polerowania szkła, co ma duże znaczenie w produkcji przyrządów optycznych. Szkło o dużej zawartości ceru stosowane jest w wytwórniach szyb chroniących przed działaniem substancji promieniotwórczych. Pierwiastek ten znajduje zastosowanie także przy produkcji katalizatorów samochodowych.

Nie mniej ważny w optyce jest erb. Ten do niedawna niedoceniany pierwiastek jest współcześnie używany przy tworzeniu laserów i wzmacniaczy optycznych. Te ostatnie znajdują szczególne zastosowanie w zwiększaniu przepustowości światłowodów. Erb jest więc niezastąpiony w usprawnianiu tych szybkich łączy telekomunikacyjnych. Oczywiście znalazło to odbicie w cenie tego metalu, która waha się w granicach 650-700 dolarów za kilogram.

Prawdziwą karierę technologiczną robi lantan, którego cechy pozwalają na wszechstronne wykorzystanie tego pierwiastka w różnych procesach produkcyjnych. Jeśli chodzi o optykę, to dodatek lantanu w odpowiedniej ilości pozwala kształtować właściwości szkła, takie jak przezroczystość oraz możliwość załamywania światła. Dlatego lantan w najczystszej postaci używany jest przy produkcji soczewek (np. do okularów), aparatów fotograficznych, kamer wideo, fotokopiarek oraz mikroskopów. Jednak największe nadzieje związane z tym pierwiastkiem dotyczą wprowadzenia na rynek akumulatorów z wodorkiem lantanowo-niklowym (La-Ni-H), które stopniowo zastępują baterie niklowo-kadmowe. Technologia wykorzystująca nietoksyczny lantan ma dużą wartość ekologiczną, gdyż rakotwórcze właściwości kadmu stwarzały problemy przy jego składowaniu i recyklingu. Również gadolin ma przyjazne środowisku zastosowanie. Używa się go bowiem m.in. w produkcji energooszczędnych świetlówek.

Rewolucja elektroniczna

Pierwiastki ziem rzadkich miały niebagatelny wpływ na miniaturyzację przenośnych urządzeń muzycznych, takich jak walkman czy iPod. Wszystko zaczęło się od odkrycia wyjątkowych właściwości magnetycznych, jakie posiada neodym i kilka bliskich mu na tablicy Mendelejewa pierwiastków: prazeodym, samar, gadolin i dysproz. Szczególnie stopy z dodatkiem neodymu pozwoliły na wyodrębnienie magnesów o małych rozmiarach i niewielkiej wadze, a to z kolei doprowadziło do powstania miniaturowej wielkości twardych dysków, napędów i innych podzespołów elektronicznych.

Również produkcja wszelkiego rodzaju monitorów, kolorowych wyświetlaczy, diod i telewizorów wymaga zastosowania metali ziem rzadkich. Największe znaczenie mają tu związki itru i europu. Są one odpowiedzialne za czerwone światło, obecne na kolorowych ekranach naszych telewizorów oraz wszędzie tam, gdzie mała czerwona dioda informuje o tym, że urządzenie jest włączone. Europ jest w tym zastosowaniu niezastąpiony, gdyż żaden inny pierwiastek nie generuje czerwonego koloru. Rare earths mogą też odpowiadać za fosforyzujące zielone i niebieskie światło, jednak te kolory można otrzymać także w inny sposób.

W elektronice wykorzystuje się również niezwykłe właściwości tantalu. Pierwiastek ten umożliwia tworzenie kondensatorów elektrolitycznych łączących w sobie dwie ważne cechy: dużą pojemność i niewielkie rozmiary. To zaś czyni je niezastąpionymi w telefonach komórkowych, komputerach osobistych oraz w elektronice samochodowej. Warto wspomnieć, że tantal został doceniony nie tylko w elektronice. Ze względu na swoją wyjątkową twardość i odporność na działanie czynników atmosferycznych, zasad i prawie wszystkich kwasów, jest on używany w przemyśle zbrojnym, a także w technice jądrowej. Tantal jest także wyjątkowo ciągliwy, co czyni go użytecznym w produkcji narzędzi chirurgicznych i dentystycznych oraz aparatury chemicznej. Domieszki tantalu używa się również do wyrobu implantów, ponieważ pierwiastek ten jest odporny na działanie płynów ustrojowych w organizmie człowieka.

Czy warto pomyśleć o tym już teraz?

Z rynkiem pierwiastków ziem rzadkich wiąże się wielkie nadzieje głównie ze względu na nieunikniony rozwój technologiczny, w którym ich zastosowanie jest znaczące. Na razie rynek rare earths jest niedoceniany, prawdopodobnie ze względu na mnogość pierwiastków, z których każdy ma inne właściwości i jest użyteczny w różnych dziedzinach – a to utrudnia analizę. Jednak być może warto zainteresować się tymi pierwiastkami już teraz, zanim zrobią to, zachęcone wzrostami cen, rzesze inwestorów.