QUÉ SON LAS TIERRAS RARAS - Parte 1.

Hace tiempo que se han puesto sobre la mesa de algunas administraciones públicas, entre ellas Castilla-La Mancha, proyectos para la explotación de yacimientos mineros de las conocidas como “Tierras Raras”, un recurso naciente del que dependen las nuevas tecnologías y que muchos definen como el petróleo del Siglo XXI.

Como ocurre en muchas ocasiones, frente a novedades de este estilo, no han tardado en surgir voces discordantes, partidarios y detractores, y movimientos encaminados a impedir este tipo de nuevas explotaciones de los recursos naturales. Y como también suele ser habitual para el sector minero, el medio ambiente vuelve a ser la herramienta usada para “atacar” estos proyectos.

En este campo mis conocimientos eran más bien pobres, y cuando quise acudir a compañeros de profesión, alguno de los cuales incluso mostraban airados opiniones en contra de este tipo de proyectos, me di cuenta de que los conocimientos que muchos tenían sobre las características, procedencia, usos o ciclo de vida de estos materiales era mucho más escaso de lo que cabría esperar.

Los que ya me conocéis por mi blog, sabéis que eso no es más que carne de cañón para un nuevo post, así que me puse a pedir ayuda a los que yo considero referentes en el sector, así como a buscar estudios, proyectos y documentación de referencia, incluyendo expedientes de autorización y estudios como el realizado por la propia promotora del proyecto castellano – manchego, pese a que sus responsables no quisieron colaborar con el blog.

Sigo sin ser un experto, ni mucho menos, pero ahora lo tengo algo más claro, así que os dejo aquí el resultado de mis pesquisas.

Oxidos de tierras raras en formato polvo.
Photo by Peggy Greb in USDA - Agricultural Research Service.



¿QUÉ HAY DE RARO EN LAS TIERRAS RARAS?


En contra de lo que muchos piensan, el término de “tierras raras” no viene dado porque los materiales que estemos buscando sean escasos o de propiedades extravagantes. Las “tierras raras” nada tienen que ver con compuestos insólitos que haya que extraer de las entrañas de la tierra utilizando para ello multitud de productos químicos o extrañas combinaciones de los mismos.

El término de “tierras raras” se utiliza por defecto para definir a los minerales que contienen como principal componente a alguno de los elementos que en la tabla periódica se definían de la misma forma, como “tierras raras”. Si echamos la vista atrás y abrimos nuestro libro de química básica, recordaremos que se trata de aquellos que estaban abajo del todo, en la columna del Escandio (Sc) y el Itrio (Y), de hecho este último incluso se considera como uno de ellos. Son los que conforman el periodo 6, el de los lantánidos, entre el 57 y el 71 (descartamos de aquí los actínidos), y diferenciándose habitualmente entre tierras raras ligeras (peso atómico más bajo. E.g. Lantano (La) o Cerio (Ce)) y tierras raras pesadas (con un peso atómico más elevado. E.g. Disprosio (Dy) o Terbio (Tb)).


Tabla Periódica de los Elementos.


El apelativo de “tierras raras” les viene porque en laboratorio se encontraban habitualmente como componentes residuales en las mezclas de los distintos óxidos “tierras” en estudio, presentando propiedades muy parecidas entre sí. Pero esta misma presencia habitual en las distintas muestras es lo que puede convertir lo “raro” en “abundante”. De hecho, en contra de la creencia habitual, algunos de los elementos que encontramos en las tierras raras es muy abundante en la corteza terrestre. Elementos como el Cerio (Ce) son, por ejemplo, tan abundantes como el propio Cobre (Cu).

La única rareza que quizás se les podría achacar a estos minerales es que su presencia en las muestras minerales habituales suele ser inferior a 1 ppm (parte por millón de muestra), es decir, presentan una concentración lo suficientemente baja como para complicar considerablemente su explotación y extracción, encareciendo su obtención como producto puro.

Y es que la carga trivalente de las tierras raras y su radio iónico similar hace que en la naturaleza estos elementos no puedan incorporarse a las estructuras minerales de los silicatos, los más comunes, quedando incorporados tan sólo en fracciones magmáticas de carbonatitas. En estas rocas, de por si menos comunes, y dadas sus características similares, nunca aparecen de forma individual, sino que se presentan junto al resto de sus congéneres, y tan sólo en algunas ocasiones en concentraciones lo suficientemente relevantes, complicando no sólo su extracción, sino también la segregación de cada uno de los elementos.

De hecho, pocos minerales tienen las concentraciones suficientes que permitan la explotación de los lantánidos, y si hablamos en términos mineros, cuando hablamos de minería de “tierras raras”, estamos hablando en la práctica de carbonatitas y, más concretamente, de bastnäsita.

Quedan relegados a posiciones secundarias otros minerales como la loparita, la monacita, o determinados depósitos lateríticos. La monacita, en concreto, es un mineral ortomagmático habitualmente encontrado en sedimentos y arenas, y junto a la Bastnasita, son las menas principales de las que se extraen casi todos los lantánidos que necesitamos hoy en día. De loparita destaca una mina en la península de Kola (Rusia) que tiene un porcentaje de tierras raras entre el 30 y el 36%, y de los depósitos lateríticos destaca la mina de la provincia de Jiangxi (China), principal suministradora mundial de Ytrio, junto con otra mina de xenotima al sureste de China.

Proliferan eso sí, en los últimos años, nuevos proyectos de extracción en nuevos yacimientos y minerales, como determinadas rocas ígneas alcalinas ricas en tierras raras pesadas, como la xenotima, o la extracción de los lodos de bauxita, procedentes de la extracción de aluminio.

En todo caso, los depósitos de Bastnäsita de China y USA suponen en la actualidad las primeras reservas mundiales en activo de tierras raras, de explotación económica, siendo la monacita la segunda fuente en importancia para el suministro de estos elementos, y actualmente en evaluación en otros yacimientos como el que originaba este artículo, el de Castilla La Mancha.

Cristal de Bastnäsita - Ce en los Pirineos Franceses.
Fotografía de Joan Rosell.

A efectos prácticos, y porque el lector tenga una idea más aproximada de la composición química de estos minerales, la monacita y la xenotima realmente son fosfatos de lantánidos, mientras que la Bastnäsita son carbonatos con lantánidos. Ambos minerales son muy variables en cuanto a su composición en óxidos de tierras raras, incluso dentro de la misma mena, pudiendo incorporar varios lantánidos, impurezas diversas, e incluso otros elementos de interés comercial como el Helio (He), o algunos radiactivos como el Torio (Th), de una forma tal que varía extraordinariamente en función del recurso y el tipo de mineral del que hablemos.

El Torio (Th), por ejemplo, es habitual en mayor o menor grado en la monacita, y es un mineral radiactivo del que hoy en día aún hay pocas aplicaciones en el mercado, lo que complica la extracción de este mineral de tierras raras.

Por ejemplo, la Bastnäsita de Baotou, principal recurso mundial actualmente en explotación, tiene una composición en óxidos aproximada de 50% de Cerio (CeO2), 23% de Lantano (La2O3), 18,5% de Neodimio (Nd2O3) y un 6,5% de Praseodimio (Pr6O11), con trazas de Samario (Sm), Gadolinio (Gd) y menos abundantes de Europio (Eu), mientras que la de Mountain Pass de California presenta una composición de 49% de Cerio (CeO2), 33,8% de Lantano (La2O3), 11,6% de Neodimio (Nd2O3) y un 4,1% de Praseodimio (Pr6O11).


¿POR QUÉ TANTO INTERES EN EXPLOTAR ESTE RECURSO?

Ahora que ya sabemos de qué van las tierras raras, y hemos visto cuál es su composición esencial, algunos se preguntarán. Y si son tan complicadas de explotar y extraer, dada su escasa concentración, ¿por qué tanto interés?... Tiene que ser muy caro hacerse con un recurso de estas características.

Pues bien, las tierras raras eran poco más que una curiosidad de laboratorio hasta que en los años 30 del siglo pasado se empezaron a aplicar en el pulido del vidrio (usando Cerio - Ce). Después, en los años 60 el Europio (Eu) y el Ytrio (Y) comenzaron a usarse junto con los fosfatos para producir el color de nuestros televisores. Luego llego su uso en catalizadores. Pero ya con el comienzo de siglo su aplicación ha sido creciente, en multitud de nuevas aplicaciones, fundamentalmente de la industria tecnológica, con más de doscientos usos distintos, lo que ha terminado por convertir a las tierras raras en un recurso imprescindible y vital para los países desarrollados.


Televisión abandonada - Photo by Anthony Quintano en Flickr.


De hecho, las tierras raras, junto a otros elementos como el Tantalio (Ta) proveniente de las minas de coltán, que tan tristemente famosas se están haciendo por el reguero de muerte y destrucción que acarrean a sus espaldas (tema para otro post aparte), son ya para muchos autores, la droga de los países desarrollados.

La razón fundamental es que los óxidos de tierras raras disponen de unas propiedades ópticas y magnéticas atípicas, y en base a dichas propiedades han ido surgiendo nuevas aplicaciones que, con el paso del tiempo, han ido cobrando cada vez mayor importancia. A estas mismas propiedades tan atípicas, además, no es sencillo encontrarles una alternativa, y las que hay son habitualmente menos eficientes, por lo que el escenario se complica.

Por si esto no fuese suficiente presión, además, las nuevas aplicaciones tecnológicas surgidas parecen estar reclamando fundamentalmente óxidos de las tierras raras más pesadas (HREEs), fundamentalmente Neodimio (Nd) y Disprosio (Dy), que precisamente son las menos abundantes, y por lo tanto las más caras.

De todas las tierras raras existentes en nuestra tabla periódica, 15 en total, las que más se usan por orden son el Cerio (Ce), el Lantano (La) y más recientemente el Neodimio (Nd), sumando entre los tres elementos el 81% del total de los consumos realizados.

En contra de lo que se puede leer en diversas referencias, los principales usos de las tierras raras no son los puramente tecnológicos, o por lo menos no hasta hace poco. En 2010, el 60% de los usos de tierras raras se producía de hecho en aplicaciones ya maduras, en sectores como el oil&gas (refino petróleo), el vidriero (que es el mayor consumidor de tierras raras), el cerámico, o el metalúrgico. En estos mercados más clásicos las tierras raras que más se utilizan son el Lantano (La) y el Cerio (Ce), que copan por sí solos el 80% de del consumo total de estos óxidos.

Bien es cierto, no obstante, que los mercados tecnológicos cada vez son más exigentes en cuanto al consumo de estos materiales, y su crecimiento está siendo vertiginoso, año a año, con el surgimiento además de nuevas aplicaciones. En estos mercados, considerados como emergentes, destaca el uso principalmente del Neodimio (Nd) y el Praseodimio (Pr). Ambos elementos, junto con el Lantano (La), suman el 65% de los consumos en este sector.

Ahora bien, ¿para qué se usan y por qué son tan importantes?. Pues hagamos un pequeño repaso por las principales aplicaciones y usos de los distintos óxidos de tierras raras y sus aplicaciones más importantes:

El Cerio (Ce) se usa en cantidades importantes como pulimento de todo tipo de objetos de vidrio, lentes, espejos, pantallas, etc. De hecho, este es su principal uso en la industria del vidrio, y prácticamente hoy en día más del 50% de las ópticas y pantallas de nuestros equipos han contado con esta tierra rara para el pulido de su superficie.


Lente fotográfica pulida - Pixabay.


Además de para su pulido, la industria del vidrio utiliza el Cerio como aditivo del propio vidrio, como agente decolorante para producir un vidrio claro y de alta transparencia. Aquí el Lantano (La) también se utiliza, aunque más específicamente para producir vidrios ópticos especiales con alta refracción y baja dispersión, ideales para objetivos muy pequeños (móviles, láseres, impresoras, etc). Esta misma utilidad se le da al Neodimio (Nd), que se utiliza como aditivo en la estructura cristalina de las lentes de los láseres YAG, muy utilizados en aplicaciones oftalmológicas y también militares.

Cerio y Lantano se usan también como principales dopantes en catalizadores, donde pueden encontrarse en porcentajes que van del 1,5% al 5% en peso. Estos catalizadores se usan tanto en la industria del petróleo, para el craqueo catalítico de hidrocarburos ligeros, como en otros usos más mundanos como los catalizadores de los vehículos, o incluso en usos más recientes como son los modernos hornos autolimpiantes.

El Cerio y el Lantano se utilizan también juntos, como principales componentes, y junto con otras tierras raras, en la fabricación de las aleaciones metálicas conocidas como mishmetal, características por su piroforicidad. Estas aleaciones seguramente nos resultarán más familiares si hablamos de las piedras de mechero, aunque también se utilizan en otros dispositivos de inicio de ignición.

Mishmetal en piedras de mechero. Fotografía de StallKerl

El mishmetal no es la única aleación en la que se utilizan las tierras raras, y de hecho su aparición en aleaciones metálicas de todo tipo es más que común. El sector metalúrgico, de hecho, es un importante consumidor de determinados óxidos de tierras raras (como el Cerio (Ce), el Lantano (La) o el Neodimio (Nd) ). Estos elementos, junto al Niobio (Nb), se utilizan en porcentajes que van del 0,1 al 0,35% en diversas ferroaleaciones o aleaciones maestras, con el objetivo de potenciar determinadas características físicas como una mayor resistencia a torsiones, temperaturas o corrosión, con una importante disminución del peso.

Aunque generalmente se tratan a parte del apartado anterior, una aleación de mishmetal, conformada fundamentalmente por Lantano (La), Cerio (Ce) y Neodimio (Nd) es la que se utiliza también para la fabricación de los electrodos negativos de las baterías de NiMH, utilizadas ampliamente en equipos electrónicos de todo tipo. De hecho, su uso a gran escala en aplicaciones de nueva generación como los coches eléctricos, mantienen la incertidumbre sobre si la generalización en el uso de este tipo de vehículos podría llegar a presentar algún límite por culpa del agotamiento de este tipo de materiales. Una incertidumbre que queda parcialmente soslayada por la existencia de alternativas como las baterías de Litio-Ion.

En combinación con el fosforo, tal y como empezábamos hablando en este apartado, las tierras raras han sido de toda la vida también las responsables de que podamos ver colores en nuestros televisores de tubos de rayos catódicos o de que tengamos fluorescentes. De hecho, por sus propiedades ópticas son altamente demandados el Europio (Eu) y el Ytrio (Y), destinados en un 100% y un 54% de su producción a estos usos, y responsables de los colores azul y rojo. También se usa el Terbio (Tb), responsable del color verde, destinándose el 89% de su producción a su uso con fósforo, y el Gadolinio (Gd), que entre otros usos sirve también como colorante de contraste de imagen.

Pero no sólo aparecen en estos usos ópticos “más clásicos”, las tierras raras combinadas con fósforo sirven, por sus propiedades luminiscentes, en multitud de diversas aplicaciones ópticas de nueva generación como los radiografos digitales computerizados, cristalógrafos, los famosos LEDs o diodos eléctricos, las fibras ópticas, ciertos láseres, sistemas de visión nocturna, etc.

Diodos LED - Pixabay

Otra de las propiedades que hacen interesantes a las tierras raras son las magnéticas, donde destaca con mucho el Neodimio (Nd), un lantánido que da lugar a los imanes de Nd-Fe-B que son los imanes con mayor densidad de flujo magnético que existen en el mercado. El Neodimio (Nd), el Disprosio (Dy) y el Praseodimio (Pr), junto a otros como el Gadolinio (Gd), son vitales para todo tipo de aplicaciones magnéticas de alto rendimiento, y de hecho, forman parte fundamental de dispositivos móviles, motores eléctricos e híbridos, direcciones asistidas, altavoces de todo tipo, ordenadores, discos duros, motores de generación e incluso ascensores, entre un largo etcétera.

Es posible encontrar hasta 200 gr. de Neodimio (Nd) en los imanes que conforman el motor de un coche eléctrico, y hasta cerca de 1 Tn/MW de este mismo material en las turbinas de generación eólica. En el caso del Neodimio (Nd) su uso llega a las 18.200 tn/año (destinándose el 76% de su consumo total solo a la fabricación de este tipo de super-imanes).
Sin tierras raras no habría energías renovables, ni coches eléctricos, y nuestros vehículos a motor serían aún más contaminantes de lo que ya son.

Resulta evidente, por todo lo comentado, que los óxidos de tierras raras son importantísimos para nuestra economía, y que de estos elementos dependen buena parte de los modernos inventos que conforman el Siglo XXI, y entre otros los smartphones, las turbinas eólicas, los coches eléctricos, los aparatos de resonancia magnética, los láseres, determinadas aleaciones metálicas o incluso la propia defensa nacional. Hasta tal punto hemos llegado que las tierras raras han dado en llamarse por algunos como el oro negro del Siglo XXI.

De hecho, dados sus múltiples usos y su complicada extracción, las tierras raras han terminado por convertirse en lo que se denomina habitualmente como minerales críticos o estratégicos. Una situación especialmente delicada para las Tierras Raras pesadas, por su mayor escasez y más amplio uso en las nuevas tecnologías. Las tierras raras han pasado pues al “selecto” grupo de recursos naturales que preocupan a los países desarrollados ya que son imprescindibles para el funcionamiento de múltiples industrias y equipaciones y, además, están sometidos a una potencial restricción en su suministro, ya sea por su escasez, por el rápido agotamiento de los recursos, o por su asociación a inestabilidades geopolíticas.

Las tierras raras ocupan, de hecho, un puesto de privilegio entre las materias primas calificadas como críticas por la Unión Europea, dependiendo su entrada del gigante asiático (China), que nos suministra el 99% de las tierras raras pesadas y el 87% de las ligeras, ambas calificadas como de alto riesgo de suministro en 2014, debido a las cada vez mayores restricciones de exportación del gobierno chino (sin contar con la paralización de explotaciones del último año).

Tabla de materias críticas actualizada de la Comisión Europea.


Para el resto de países desarrollados la situación no es mucho mejor. Estados Unidos, por ejemplo, a través de su Departamento de Defensa y con la autorización del Congreso, ya propuso para el Plan Anual de Materiales de 2015 la potencial adquisición de stocks de disprosio (Dy) e Ytrio (Y), con cantidades estimadas de compra de 0,5 toneladas y 10 toneladas, respectivamente. Además, el Instituto de Materiales Críticos (CMI) del Departamento de Energía de Estados Unidos estudia ya, como una de sus principales líneas de trabajo, la diversificación de consumos, la sustitución de materiales, y las líneas de reciclaje de tierras raras para evitar una dependencia tan extensa de estos materiales.


Ya sabemos pues lo que son las tierras raras y cómo de importantes son para nuestra vida cotidiana, o incluso para nuestra "Economía Verde". Ahora bien, ¿por qué semejante "mala fama"?, ¿cómo se extráen?, ¿de dónde vienen?, ¿qué impacto ambiental tienen asociado?.... para hablar de todo eso te espero ya en la segunda parte de este artículo.

Comentarios

  1. Muy buen artículo. Te felicito por la cantidad de información. Te agradecería que en el siguiente incluyas un apartado con alguna referencia, para "leer más". Gracias!

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    1. Toda la razón Mentxu, le faltan muchos enlaces, en esta ocasión he tirado de mucha referencia en PDF de USA y de mucha bibliografía en formato físico y no he podido colgar enlaces a webs.

      Dejo aquí no obstante el enlace directo a la reserva bibliográfica sobre tierras raras con la que cuenta el USGS de los USA, con información más que interesante sobre las tierras raras (en inglés):

      https://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/rare_earths/

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  2. Se confirma al final. Las Tierras Raras terminan siendo ambientalmente incompatibles con el entorno natural de la zona de Torrenueva (Ciudad Real) y así lo declara en la DIA que publica la Resolución de 26 de octubre de 2017 publicada hoy en el DOCM. Me queda un agrio sabor de boca en este trámite visto cómo ha ido evolucionando todo. ¿Y vosotros qué opináis?

    http://docm.jccm.es/portaldocm/descargarArchivo.do?ruta=2017/11/07/pdf/2017_13014.pdf&tipo=rutaDocm

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    1. Al parecer, además de las especies que se están intentando reintroducir (lince, principalmente), está el problema del agua. En el primer proyecto de Quantum, la empresa que quiere explotar aquello, se pretendía usar el agua de uno de los pantanos de agua de boca de la comarca, que hoy está prácticamente seco. Se está tirando de pozos de reserva para abastecer a la población... y no sé si eso es muy compatible con la cantidad de agua necesaria para el procesado del mineral.

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    2. Muy buenas mancito, no andas desencaminado. Tienes precisamente hecho un brevísimo análisis de este proyecto en la segunda parte de este post, publicada hace ya un tiempo en el Blog.... ya me cuentas a ver qué te parece.

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  3. Lo encontré muy interesante. Espero la 2ª parte :)

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    1. Lo tienes ya colgado en el Blog, lo que me falta es un tercero hablando de los residuos. Ya me dirás que te parece.

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