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di Stefano Aglianò
Le terre rare sono un gruppo chimico di 17 elementi rappresentati sulla tavola periodica. Ai 15 appartenenti alla famiglia dei lantanidi, caratterizzati da numero atomico crescente dal 57 a 71, si aggiungono lo scandio (21) e l’ittrio (39). Terre rare è la traduzione del termine inglese Rare Earth Elements – REE - attribuito a questo gruppo di elementi dalla IUPAC, organismo internazionale che stabilisce le norme relativa alla chimica.
Le terre rare devono il loro nome all’elemento lantanio, termine di etimologia greca, e significa stare nascosto. Questa introduzione enciclopedica permette di porci la domanda: quanto sono effettivamente rari gli elementi in questione?
Contrariamente al nome attribuito (in inglese), in termini assoluti, questi materiali non sono così scarsi in termini di quantità sulla superficie terrestre. Alcuni di essi sono più abbondanti di altri e più comuni metalli come piombo, argento e oro. La particolarità delle terre rare è che si ‘nascondono’ in piccolissime concentrazioni all’interno di un numero elevato di minerali. La loro estrazione risulta quindi molto difficoltosa e costosa. Inoltre nei processi estrattivi si utilizzano sostanze dannose ed inquinanti che rilasciano rifiuti tossici nell’ambiente. A complicare l’estrazione contribuisce il fatto che le terre rare sono sparse in piccole quantità sulla superficie terrestre. Difficile trovare giacimenti sufficientemente vasti da giustificare economicamente l’attività estrattiva. Sul mercato globale la Cina gioca il ruolo di protagonista assoluto rappresentando oltre l’80% della disponibilità mondiale.
Nonostante i numerosi aspetti negativi, la richiesta delle terre rare è notevolmente aumentata nell’ultimo ventennio. Il motivo risiede nelle loro particolari proprietà magnetiche e conduttive difficilmente riscontrabili in altri elementi. Il gruppo delle terre rare è caratterizzato dal fatto che le proprietà chimiche dei diversi elementi sono tra loro molto simili. Infatti nonostante il diverso numero atomico che li contraddistingue, l’aggiunta di elettroni va a modificare la composizione interna lasciando inalterato lo strato di valenza che, influenzando i legami chimici, determina le proprietà. I magneti permanenti a base di neodimio-ferro-boro rappresentano l’attuale stato dell’arte.
Sempre più crescente è stata l’applicazione in componenti per computer (chip e hard-disk), televisori, schermi touch screen, catalizzatori, laser. Largo uso di queste materie ricade anche in applicazione che mirano allo sfruttamento di energie rinnovabili come pannelli fotovoltaici e pale eoliche e più in generale all’interno di moltissimi componenti elettronici e magnetici. Non mancano applicazioni in campo medico come i macchinari per la risonanza magnetica. D’obbligo una menzione per il ‘nostro’ settore d’interesse. L’automotive fa largo uso di terre rare specialmente nella produzione di motori elettrici per le auto, ma non solo, come si nota dall’immagine sottostante. Anche il mondo delle due ruote sta iniziando ad allargare la propria offerta nell’ambito della propulsione elettrica, competizioni incluse, ma con volumi ridotti rispetto alle quattro ruote. Le tematiche principali da affrontare quando si tratta il concetto di mobilità elettrica sono costi, autonomia, infrastrutture ed impatto ambientale dell’intero ciclo: dalla produzione allo smaltimento passando per il riciclo. A queste note tematiche di carattere generale, si aggiunge il problema di ingombro e peso delle batterie che rappresenta un limite più stringente per le moto rispetto alle auto. Come storicamente accade, le nuove tecnologie arrivano ad essere pronte per il prodotto a due ruote sempre sfasate di qualche anno rispetto alle auto. In questo caso il ritardo nell’applicazione potrebbe rappresentare una opportunità di introdurre nel settore del motociclo una tecnologia più matura, sostenibile ed efficiente in particolare dal punto di vista ambientale ed economico, rispetto alla controparte a quattro ruote.
La richiesta delle terre rare in continua crescita, a fronte di una disponibilità limitata, ha spinto i Paesi ad investire in soluzioni alternative. Soluzioni che speriamo possano trovare applicazione reale per sostenere nel prossimo futuro lo sviluppo e commercializzazione delle moto. Indipendentemente dal tipo di propulsione, se elettrica o endotermica, le odierne moto sono ricche di centraline e dispositivi elettronici. Al momento le materie prime scarseggiano in tutti i settori e quello del motociclo non fa eccezione. Gli effetti negati della pandemia sull’approvvigionamento non sembrano placarsi e il conflitto politico tra Cina e Stati Uniti aggrava una situazione non rosea. Il risultato è noto a tutti: la mancanza o almeno il ritardo del prodotto per il consumatore finale.
L’Europa investe in progetti e nuove tecnologie per il futuro
La difficoltà estrattiva e la concentrazione di terre rare solo in determinate aree geografiche, hanno rappresentato nel corso degli anni un’ottima spinta a cercare delle soluzioni alternative in termini di ricerca sia tecnologica che di nuovi siti estrattivi. L’Europa ha finanziato diversi progetti con l’intento di cercare nuove composizioni chimicamente stabili per sostituire le terre rare nella realizzazione di magneti. Il progetto ExMaMa (Exploring new magnetic materials from first-principles) mira ad individuare alternative concrete alle terre rare grazie a nuovi materiali ecologici. L’indagine teorica ha portato dei risultati positivi nell’individuazione di nuovi materiali che abbiano proprietà magnetiche simile a quelle delle terre rare. I Paesi che si stanno facendo carico della sperimentazione sono Germania, Svizzera e Giappone. Il materiale è caratterizzato da una temperatura di Curie, limite oltre il quale il materiale perde le sue proprietà magnetiche permanenti, superiore ai 700°C e questo lascia prevedere un interessante sviluppo per possibili applicazione ad ‘alte’ temperature.
L’industria si è storicamente affidata ad approvvigionamenti di materie prime da paesi extra-UE. L’Europa si trova così esposta al problema della vulnerabilità in caso di carenze di improvvise (come la recente pandemia insegna) e relativa crescista non controllata dei prezzi.
Uno dei metodi con cui l’Europa ha deciso di porre parziale rimedio è tramite il finanziamento del progetto EURARE con l’intento di sviluppare processi estrattivi sostenibili all’interno dei confini del vecchio continente. Il prof. Ioannis Paspaliaris – coordinatore del progetto – dichiara che “l’iniziativa ha riunito ricercatori provenienti da indagini geologiche, mondo accademico, società di consulenza e industria per fornire un approccio olistico alla catena di approvvigionamento europea delle terre rare».
Uno degli obiettivi dell’iniziativa è il miglioramento della qualità scadente dei minerali grezzi europei utilizzati per la produzione di terre rare rispetti a quelli provenienti dal resto del mondo. Gli sforzi sono stati profusi nello studio di nuove tecnologie mirate a migliore l’estrazione e l’arricchimento dei minerali. Le estrazioni pilota si sono concentrare su minerali prelevati principalmente in Svezia, Norvegia e Groenlandia. Oltre allo sviluppo della tecnologia il progetto è risultato molto utile per la creazione di un database ottenuto combinando dati mineralogici, geografici e tecnologici. I dati raccolti, catalogati e consultabili offrono uno strumento efficace per affrontare in maniera più consapevole, anche da un punto di visto politico, il punto di equilibrio tra domanda e offerta. Al contempo si mira a rafforzare il mercato minerario europeo offrendo agli ingegneri di domani nuove competenze nel settore metallurgico.
Infine si vuole menzionare il progetto REE4EU che mira a riciclare i rifiuti di magneti permanenti in fonte di elementi di terre rare. Il progetto è un sistema a ciclo chiuso che si basa su due tecnologie tra loro interconnesse. La prima è l’estrazione di liquidi ionici che permette la rimozione di elementi delle terre rare dai rifiuti. La seconda sfrutta l’elettrolisi ad alta temperatura per ottenere leghe di terre rare a partire da miscele di ossidi ottenute dall’estrazione di liquidi ionici. Il punto di forza è la rimozione delle singole fasi di conversione e separazione degli ossidi (procedimento tipico delle estrazioni cinesi) per ottenere un processo più efficace e sostenibile.
Prendendo come termine di paragone la produzione primaria in Cina, le analisi sulle prove pilota hanno evidenziato una riduzione del consumo energetico del 35% e fino al 50% dell’impatto sui cambiamenti climatici.
Lo sviluppo europeo nella produzione di leghe di terre rare secondarie contribuirà a migliorare l’indotto con la creazione di nuovi posti di lavoro e ad aumenterà l’indipendenza dell’Europa dalle importazioni di materie prime.
Fonti e immagini:
https://cordis.europa.eu/it
https://www.powertransmission.com/
https://blogs.egu.eu/
https://minesmagazine.com/1737/
https://stockhouse.com/
https://www.beroeinc.com/
