Le terre rare sono 17 elementi chimici(*) della tavola periodica classificati come metalli, che hanno proprietà magnetiche ed elettroniche critiche per l'elettronica moderna e le tecnologie verdi.
A dispetto del nome, le terre rare sono piuttosto abbondanti: il cerio, ad esempio, è più abbondante del rame, e tutti gli elementi sono più abbondanti dell'oro.
Tuttavia, a renderle effettivamente “rare” sono la loro distribuzione geografica e il processo di estrazione ad alto impatto ambientale.
La maggior parte dei giacimenti di terre rare si trovano in Cina, che possiede circa un terzo delle riserve mondiali, seguita da Vietnam e Brasile, Russia, India, Australia, Groenlandia e Stati Uniti.
In natura i 17 elementi chimici si trovano mescolati con altri minerali, dai quali devono essere separati dopo essere stati estratti. Il processo di raffinazione è impattante in termini ecologici sia per le emissioni di CO2 che vengono prodotte durante l’estrazione, ma anche per le scorie radioattive e chimiche che vengono rilasciate nell’ambiente; smaltire l’acqua utilizzata nei processi estrattivi è costoso e problematico.
Le terre rare sono preziose e di interesse geostrategico: massicciamente utilizzate nell’industria dell’elettronica di consumo (es. smartphone, tablet, computer), nel settore medico (trattamenti di alcuni tipi di cancro e nella ricerca scientifica) e nell’industria della difesa (costruzione di sistemi radar, sonar, laser e di guida), la loro domanda, già cresciuta esponenzialmente negli ultimi anni, è destinata a crescere ancora in futuro.
A trainare la richiesta di terre rare è soprattutto la transizione energetica verso fonti rinnovabili e pulite: lo sviluppo delle nuove automobili ibride e delle tecnologie per la produzione e sfruttamento dell’energia solare ed eolica non può prescindere dall’uso di questi metalli.
Al momento, la Cina è l’indiscusso leader del settore, del quale controlla circa il 90% della produzione mondiale, sfiorando livelli monopolistici. Il primato cinese è dovuto a più fattori, come la presenza sul suo territorio dei metalli e le leggi meno stringenti sulla salvaguardia dell’ambiente, che hanno permesso lo sviluppo di un’efficiente industria di raffinazione.
Il monopolio permette a Pechino di usare il commercio delle terre rare anche come arma geopolitica.
Oltre a rendere gli Stati importatori esposti alla variazione di prezzo delle terre rare, la quasi totale dipendenza dalla Cina mette a rischio l’industria elettronica in caso di interruzione della supply chain come forma di ritorsione geopolitica.
Negli USA, il Dipartimento di Difesa e quello dell’Energia hanno iniziato a finanziare programmi di riciclo e di estrazione domestica, in modo tale da poter svolgere il processo di raffinazione in casa e sganciarsi al tempo stesso dalla dipendenza cinese.
Una possibile soluzione arriva da uno studio degli scienziati della Rice University, i cui risultati sono stati recentemente pubblicati su Science Advances: l’idea è quella di estrarre le terre rare dai rifiuti sfruttando il riscaldamento flash Joule.
A dire il vero l’idea non è nuova: esistono già processi di estrazione industriale di terre rare dai rifiuti tramite lisciviazione con acido forte. Il problema è che questi processi sono estremamente impattanti dal punto di vista ambientale.
Anche il processo di riscaldamento flash Joule non è una novità: esso è stato messo a punto dal laboratorio di Tour nel 2020 per convertire carbone, coke di petrolio e rifiuti in fiocchi di grafene sottili come un atomo.
La novità è stata quella di utilizzare il processo flash Joule per estrarre gli elementi delle terre rare da una serie di rifiuti di tipologia molto eterogenea e disponibili in grandi quantità: ceneri volanti del carbone (sottoprodotto della combustione del carbone nelle centrali termoelettriche), fanghi rossi (residui di bauxite che si ottengono nella produzione industriale dell'alluminio) e rifiuti elettronici.
Gli scienziati della Rice University hanno scoperto che nella cenere volante di carbone si trovano microscopiche sfere di vetro che contengono elementi di terre rare: lo strato vetroso (costituito dagli ossidi di silicio, alluminio, ferro e calcio derivanti dalla combustione del carbone) rende, però, gli oligoelementi molto difficili da estrarre.
Il riscaldamento lampo Joule, che porta le ceneri volanti e gli altri rifiuti a 3.000 gradi Celsius in un secondo, rompe il vetro che racchiude questi elementi e converte i fosfati REE in ossidi metallici che si dissolvono molto più facilmente.
Il processo Rice utilizza acido cloridrico 0,1 molare per estrarre le terre rare dagli ossidi metallici: sebbene questa concentrazione sia circa 100 volte inferiore a quella utilizzata dai processi industriali di lisciviazione della cenere volante di carbone (CFA) non trattata in acidi forti (pari a 15 moli di acido nitrico), la resa di estrazione è più che raddoppiata.
(*) Lantanio, Cerio, Praseodimio, Neodimio, Samario, Europio, Gadolinio, Terbio, Disprosio, Olmio, Erbio, Tulio, Itterbio, Lutezio, Ittrio, Promezio e Scandio.