Для энергетического перехода потребуется больше редкоземельных элементов. Можем ли мы обеспечить их устойчивую защиту?

Шахта Маунтин-Пасс в Калифорнии — единственное действующее предприятие по добыче и переработке редкоземельных металлов в США. Фото: Tmy350.

Чтобы ограничить глобальное повышение температуры до 1,5 градусов Цельсия или около того, все страны должны провести декарбонизацию – сократить использование ископаемого топлива, перейти на возобновляемые источники энергии с нулевым выбросом углерода и электрифицировать как можно больше секторов. Для этого потребуется огромное количество ветряных турбин, солнечных батарей, электромобилей (EV) и аккумуляторных батарей — все они сделаны из редкоземельных элементов и критически важных металлов.

Элементы, имеющие решающее значение для энергетического перехода, включают 17 редкоземельных элементов, 15 лантаноидов, а также скандий и иттрий. Хотя многие редкоземельные металлы на самом деле распространены, их называют «редкими», потому что их редко можно найти в достаточных количествах, чтобы их можно было легко и экономично извлечь.

Таблица редкоземельных элементов. Изображение: Ивторов

Такие элементы, как кремний, кобальт, литий и марганец, не являются редкоземельными элементами, а являются важнейшими минералами, которые также необходимы для энергетического перехода.

Устойчивое снабжение этих огромных объемов полезных ископаемых будет серьезной проблемой, но ученые изучают различные способы обеспечения материалов для энергетического перехода с меньшим вредом для людей и планеты.

Ожидается, что спрос на редкоземельные элементы вырастет на 400-600 процентов в течение следующих нескольких десятилетий, а потребность в минералах, таких как литий и графит, используемых в аккумуляторах электромобилей, может увеличиться на целых 4000 процентов. В большинстве ветряных турбин используются магниты неодим-железо-бор, которые содержат редкоземельные элементы неодим и празеодим для их усиления, а также диспрозий и тербий, чтобы сделать их устойчивыми к размагничиванию. Ожидается, что к 2050 году мировой спрос на неодим вырастет на 48 процентов, превысив прогнозируемое предложение на 250 процентов к 2030 году. Потребность в празеодиме может превысить предложение на 175 процентов. Ожидается, что спрос на тербий превысит предложение. А для удовлетворения ожидаемого спроса к 2035 году на графит, литий, никель и кобальт, согласно одному анализу, потребуется 384 новых рудника.

Когда-то Китай поставлял 97 процентов мировых редкоземельных элементов. Государственная поддержка, дешевая рабочая сила, слабое экологическое законодательство и низкие цены позволили стране монополизировать производство редкоземельных металлов. Сегодня Китай производит 60-70 процентов редкоземельных элементов в мире, а также добивается прав на добычу полезных ископаемых в Африке. США производят чуть более 14 процентов, а Австралия производит шесть процентов редкоземельных элементов.

В 2018 году США на 100 процентов зависели от других стран по 21 важнейшему минералу. После того, как Китай прекратил экспорт редкоземельных элементов в Японию из-за спора, многие страны были обеспокоены политическими и экономическими последствиями зависимости от одного рынка и начали развивать собственное производство редкоземельных элементов. Администрация Байдена уделяла приоритетное внимание развитию внутренней цепочки поставок редкоземельных металлов и важнейших минералов.

Горнодобывающая промышленность часто приводит к загрязнению земли, воды и воздуха, распространению токсичных отходов, истощению водных ресурсов, обезлесению, утрате биоразнообразия и социальным потрясениям. Несмотря на то, что добыча металлов регулируется федеральными и государственными экологическими нормами, она является токсичным загрязнителем номер один в США.

Трудно добывать редкоземельные элементы, не причиняя ущерба окружающей среде из-за способа их добычи. Один из методов включает удаление верхнего слоя почвы, а затем создание бассейна для выщелачивания, в котором используются химические вещества для отделения редкоземельных элементов от руды. Ядовитые химикаты могут просачиваться в грунтовые воды, вызывать эрозию и загрязнять воздух. Другой метод — бурить землю и использовать трубы и шланги из ПВХ для закачки химикатов в землю. Полученную смесь затем перекачивают в пруды-выщелачиватели для разделения, создавая те же экологические проблемы.

Хвостохранилище в Бьютте, штат Монтана. Фото: Джеймс Сент-Джон

Кроме того, поскольку редкоземельные элементы часто встречаются рядом с радиоактивными торием и ураном, отходы, оставшиеся после отделения редкоземельных элементов от руды — хвосты — содержат химические вещества, соли и радиоактивные материалы. Хвосты обычно хранятся в прудах, которые могут протекать и загрязнять водные ресурсы.