Terre rare: la corsa per assicurarsi il futuro

Dal cerio all'ittrio, i 17 elementi delle terre rare (o rare earth elements, REE) sono poco conosciuti dalla popolazione. Eppure, grazie alle loro proprietà magnetiche e ottiche, sono essenziali per le moderne tecnologie, tra cui turbine eoliche, dispositivi medici, droni, veicoli elettrici e display.

“Nel XXI secolo hai tutte queste tecnologie rivoluzionarie e devi avere i metalli specifici per realizzarle”, afferma Patrick Ryan, CEO di Ucore Rare Metals, una società canadese specializzata nell'estrazione e nelle tecnologie legate ai cosiddetti “metalli critici”. Si sente molto parlare dell'importanza del litio per le batterie e le terre rare sono nella stessa categoria.

Nonostante il nome, il problema non è la loro rarità: sono in realtà elementi comuni nella crosta terrestre quanto lo stagno, il piombo e il rame ed esistono depositi naturali praticamente in tutto il mondo. Sono però distribuiti in modo non uniforme e sono difficili da estrarre. Ciò comporta due grandi sfide, una ambientale e una geopolitica. Entrambe sono destinati ad essere esacerbate, vista la crescente domanda di REE.

“Senza accesso ai metalli critici, ci saranno posti di lavoro persi e gli obiettivi sui cambiamenti climatici non saranno raggiunti”, sostiene Ryan. "Sulla base delle tendenze attuali, gli ossidi delle terre rare devono crescere di cinque volte entro la fine del decennio. Potenzialmente, abbiamo un problema".

La prima sfida è incentrata sul processo di estrazione. Le terre rare tendono a concentrarsi, insieme, negli stessi giacimenti minerari. Una delle principali fonti è rappresentata dalla bastnaesite, composta dagli ossidi di più REE, che necessita di essere lavorata per recuperare i singoli elementi.

Questo trattamento può a volte produrre materiali tossici e radioattivi, che finiscono nelle acque sotterranee, innescando problemi di salute e sicurezza. “Le terre rare non sono particolarmente tossiche, ma si trovano insieme ad altre sostanze che lo sono, come metalli pesanti e materiali radioattivi", spiega James Tour, professore di Scienza dei materiali e nano-ingegneria alla Rice University di Houston, in Texas.

L'estrazione di una sola tonnellata di REE potrebbe produrre 2000 tonnellate di rifiuti tossici, anche se è un'eventualità inconsueta. L'attività mineraria ha portato alla devastazione del suolo e dell'acqua in alcune regioni della Cina, che è stata impegnata nell'estrazione di terre rare dall'inizio degli anni '90. Si innesca così un paradosso: i REE sono essenziali per le tecnologie a basse emissioni di carbonio, ma la loro estrazione ha un forte impatto sull’ambiente.

La seconda grande sfida riguarda la concentrazione di giacimenti e miniere in determinati zone. Fanno capo alla Cina il 60% dell'estrazione mineraria e il 90% della lavorazione, con appena quattro impianti che operano fuori dal Paese. Ciò rappresenta un grave rischio geo-economico.

Anche Mark McDonald, vicepresidente dello sviluppo aziendale di Ucore, prevede tempi difficili per il settore senza la promozione di ulteriori misure. "Non c'è dubbio che ci sarà una carenza di forniture a causa della domanda e dell'attuale capacità di estrarre e lavorare le terre rare".

Allora quali sono le soluzioni? Ridurre la dipendenza dai metalli delle terre rare è un'opzione. Un'altra strada è sfruttare al meglio le REE che sono già state estratte ed elaborate. Il professor Tour, insieme al suo laboratorio alla Rice University, ha sviluppato un processo per recuperare gli elementi dai rifiuti elettronici, dalle ceneri volanti di carbone e dai residui di bauxite senza compromettere le loro importantissime proprietà elettroniche e magnetiche. “È molto semplice”, spiega. “Basta mettere il materiale di scarto tra due elettrodi, inserire un'alta tensione e un'alta corrente attraverso esso per meno di un secondo e il gioco è fatto. Non ci sono solventi o acqua coinvolti e il processo è scalabile”.

Estraendo REE dai prodotti di scarto, Tour descrive il metodo come un riutilizzo piuttosto che come un riciclo. Ad ogni modo, si tratta di un'opzione che “costa molto meno dell'estrazione”, perché “non richiede di scavare enormi buche nel terreno, non occorrono spedizioni su lunghe distanze e non si generano rifiuti secondari tossici. L'estrazione mineraria è un sistema costoso e ad alta emissione di gas serra, e questo processo li evita”.

Anche una comunissima patata potrebbe contribuire a un'estrazione di terre rare rispettosa dell'ambiente. Un team dell'Idaho National Laboratory ha sviluppato un modo innovativo per riciclare i REE da dispositivi high-tech e industriali, utilizzando un batterio. Attraverso la biolisciviazione, un processo che utilizza i microrganismi per trasformare gli elementi, il team ha alimentato un batterio con le acque reflue delle patate per far sì che producesse acidi in grado di separare i REE dagli altri materiali. Grazie all'utilizzo delle acque reflue delle patate, il team è stato in grado di ridurre i costi di estrazione del 17% rispetto all'utilizzo del glucosio.

I ricercatori stanno esplorando anche l'uso delle tecnologie emergenti per migliorare i processi. Ucore, ad esempio, ha sviluppato un metodo per separare le terre rare che, afferma l'azienda, è almeno tre volte più efficiente degli approcci convenzionali e potrebbe permettere – tra le altre cose – di ridurre l'impronta ambientale di un impianto di due terzi. EIT RawMaterials, un progetto finanziato dall'UE, sta sviluppando il Circular System for Assessing Rare Earth Sustainability, o CSyARES, che utilizza la blockchain per tracciare l'intero ciclo di vita dei REE utilizzati nei veicoli elettrici. Gli scienziati dell'Ames Laboratory dell'Iowa State University e della Texas A&M University hanno iniziato a utilizzare l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico per trasformare il modo in cui scopriamo e prevediamo le proprietà dei nuovi composti di REE, aumentando l'efficienza e la precisione oltre quanto possibile ai soli umani in laboratorio.

I governi stanno cercando di aumentare la produzione interna e la resilienza della catena di approvvigionamento. Intorno al 2018, l'amministrazione della Casa Bianca ha firmato accordi con Australia e Canada per garantire la fornitura di REE. Il governo degli Stati Uniti ha annunciato una serie di programmi di finanziamento, con diverse sovvenzioni recentemente annunciate, tra cui un premio di 35 milioni di dollari a MP Materials a Mountain Pass, in California, per separare ed elaborare REE pesanti come parte di uno sforzo per stabilire una catena di approvvigionamento nazionale end-to-end di magneti permanenti. Un'altra iniziativa, guidata dal Dipartimento dell'Energia, investirà 140 milioni di dollari in un progetto dimostrativo per recuperare le terre rare dalle ceneri di carbone e da altri rifiuti, riducendo la necessità di nuove attività minerarie.

Il governo australiano sta investendo nelle imprese nazionali per sostenere l'integrazione di filiere locali e internazionali. Una sovvenzione di 14,8 milioni di dollari australiani, destinata a Lynas Rare Earths, nel 2021 ha coperto la metà dei costi di implementazione di un nuovo processo di raffinazione di REE in Australia occidentale. Nel 2020, il governo ha anche formato una nuova agenzia, il Critical Minerals Facilitation Office, per sostenere l'industria nazionale e ha annunciato un pacchetto di aiuti nel suo budget 2022-2023 che include un programma da 200 milioni di dollari australiani focalizzato sui minerali critici, cui si aggiungono altri 50 milioni per supportare ricerca e sviluppo.

In Canada, il governo del Québec sta investendo 90 milioni di dollari canadesi nella "nuova economia" legata ai minerali critici e strategici. La Commissione Europea sta incoraggiando gli Stati membri a intraprendere azioni più audaci per garantire le materie prime necessarie allo sviluppo di settori chiave come energie rinnovabili e la robotica. Cresce il numero di progetti avviati fuori dalla Cina, una ventina dei quali sviluppati in Australia, Canada e Stati Uniti.

Alla fine, afferma Ryan, le misure di sostegno del governo stanno “pompando liquidità”, aiutando il settore privato e le istituzioni accademiche a trovare nuovi modi per accedere alle materie prime del futuro in modo conveniente ed ecologico. Sarà fondamentale per garantire un accesso sicuro e sostenibile ai materiali che consentiranno lo sviluppo delle tecnologie di oggi e di quelle future.