La crisi climatica si sta confermando come un problema di forte criticità che mitigazione e adattamento tentano di controllare, per ridurre l’immissione in atmosfera di gas serra e la necessità comunque di arginare gli effetti ormai presenti sul nostro pianeta. La sostituzione dei combustibili fossili con forme energetiche alternative ha bisogno di nuovi materiali e nuove tecnologie adeguate a sostenere questi obiettivi.
Il Green Deal della Commissione europea individua due categorie di materie indispensabili per l’uso delle tecnologie innovative al fine di sostituire i combustibili fossili: materie prime critiche (Critical Raw Materials sono 34 fondamentali per la transizione energetica, ad elevato rischio di approvvigionamento ) e materie prime strategiche (sottoinsieme delle precedenti che comprendono rame litio, cobalto, nickel, manganese, grafite e terre rare). Il Congo e la Cina sono responsabili del 70% della produzione di cobalto e del 60% delle terre rare. La Cina raffina il 30% del Nickel il 70% di Litio e delcobalto e circa il 90% delle terre rare. Sul ruolo dei materiali necessari per transizione verso le energie pulite un rapporto IEA (IEA, Word Energy Outlook Special report) studia in dettaglio le materie critiche, quelle strategiche e dedica la sua analisi soprattutto al ruolo nel contesto mondiale dei nuovi materiali e in particolare alleterre rare (TR o REE Rare Earth Elements). Le terre rare sono 17 elementi chimici presenti in natura come ossidi (di numero atomico compreso fra 57 e 71 della tavola periodica: lantanio, cerio, praseodimio, neodimio, promezio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, olmio, erbio, tulio, itterbio, lutezio, ittrio e scandio), sono difficilmente separabili dai contesti minerali, e si ottengono generalmente attraverso numerosi processi di lavorazione. Sono dettiterre rare perché sono distribuiti in modo disomogeneo sul nostro pianeta, sono abbondanti negli USA, in Vietnam, Brasile, Russia, Australia e Groenlandia, però la Cina con il 90% è il massimo produttore mondiale, e sta investendo sulle terre rare in Australia, Cile, Indonesia e Congo (ENEA: Il problema delle materie prime critiche per la transizione ecologica, 2023)
Per attivare la transizione verso l’energia pulita è necessario un enorme uso di elementi tratti dalle materie prime critiche e strategiche e dalle terre rare. La produzione di energia con i pannelli fotovoltaici, le torri eoliche e i veicoli elettrici richiedono molti elementi metallici che in gran parte ma in percentuali minime sono terre rare. Un veicolo elettrico ha bisogno di una quantità di metalli sei volte maggiore di un vicolo a trazione fossile e un impianto eolico richiede in numero nove volte di più tipologie di metalli di un impianto che funziona a gas (AIDIC Associazione italiana di ingegneria chimica, Materiali critici per la transizione energetica, 2022).
Le loro leghe sono di interesse strategico per le loro speciali proprietà magnetiche, luminescenti e chimiche. Sono indispensabili per costruire accumulatori e magneti per veicoli elettrici, lampade ad alta efficienza e componenti per le turbine eoliche. Le principali leghe usate per i magneti permanenti sono quelle neodimio-ferro-boro, e samario-cobalto. Inoltre i magneti permanenti di neodimio contengono anche disprosio, praseodimio e terbio che assicurano una maggiore resistenza alla corrosione e migliori proprietà magnetiche e sono molto performanti ed essenziali per l’efficienza di tutti i sistemi rotatori dalle turbine eoliche ai motori elettrici, hanno leggerezza ed efficienza, maggiore affidabilità, minore rumorosità, maggiore capacità di conversione dell’energia meccanica e minori costi di manutenzione, sono dei componenti chiave per miniaturizzare e incrementare la conversione di energia con prestazioni superiori con un volume che è un quinto dei magneti classici. (Tesi: Materiali per magneti permanenti, Politecnico di Torino, 2023). Nel fotovoltaico il silicio drogato con itterbio e erbio presenta un rendimento maggiore del 40%. Le terre rare sono indispensabili per la produzione di componenti elettronici, spesso il loro contenuto è minimo ma modificano in efficienza e minori dimensioni i prodotti in cui sono contenuti. Si trovano all’interno di cellulari, schermi video, TV, PC, schede elettroniche, batterie, motori elettrici, magneti permanenti. Secondo l’American Chemical Society uno smartphone contiene 16 terre rare. Il Politecnico di Milano ha calcolato che in ogni smartphone troviamo 9 gr di rame, 11 gr ferro, 250 mg di argento, 24 mg di oro, 9 di palladio, 65 gr di plastica, 1 gr di terre rare, per i colori dello schermo si usano. Ittrio, terbio, lantanio, disprosio, praseodimio, gadolinio, europio per speaker e vibrazione neodimio terbio disprosio e praseodimio. L’uso delle terre rare crescerà di 7 volte entro il 2040. Terre rare e sviluppo dell’eolico (Dipartimento SEAGMEG, Università degli Studi di Foggia).
Come in tutte le cose anche nelle terre rare convivono due aspetti,quello buono ma anche quello cattivo. Il secondo riguarda l’estrazione delle terre rare che a causa del loro basso contenuto nei minerali comportano enormi escavazioni con un impatto pesantissimo sul territorio. Per la separazione dai minerali che li contengono sono necessari acidi e solventi organici fortemente impattanti. Prove tecniche di filiere più sostenibili (Il mercato mondiale delle terre rare problemi di approvvigionamento e opportunità di circolarità,Fondazioni Tor Vergata e Manlio Masi, 2023) sono in fase di test. Attualmente la separazione degli elementi puri dai minerali è complicatissima con formazione di residui particolarmente abbondanti, un forte impatto oltre che sul territorio incide sulle popolazioni e sui lavoratori: un problema serio anche per la presenza di tracce di uranio e torio. Per ridurre l’impatto pesantissimo, anche laCina, il maggiore produttore mondiale, ha elaborato una nuova legislazione ambientale per controllare e ridurre gli effetti dell’estrazione. Per trovare percorsi che riducano l’impatto su ambiente e salute della filiera diventano importanti il riciclo e il riusodi questi materiali strategici, soprattutto quelli contenuti nell’elettronica di uso comune.
Il rapporto delle due Fondazioni intende anche quantificare la quantità di terre rare estraibili dallo scarto dei prodotti tecnologici per avere un quadro dei potenziali costi e benefici di quella che è definita come urban mining (il recupero di materia prima seconda dai prodotti tecnologici a fine vita, al posto dell’escavazione di miniere: ENEA Urban mining: il recupero di materiali, 2023 ).
Con il riciclaggio a fine vita dei prodotti commerciali dell’elettronica di consumo si ottiene il 30% di terre rare allo stato puro. Pe il recupero si utilizzano i processi idrometallurgico e pirometallurgico, abbastanza impattanti. Si stanno studiando processi soft con acidi deboli vegetali e con l’uso di microonde termiche. Il recupero dell’e-waste (rifiuti elettrici ed elettronici) sta arrivando alla quota di 70 milioni di ton/anno, cioè più di 7,5 kg7abitante/anno.
Il potenziale dell’urban mining applicato alle terre rare riguarda l’intero ciclo dei rifiuti, dalla raccolta, alla selezione, ai trattamenti finali. Quando è possibile si opta per il recupero ma occorre mappare e individuare i prodotti con quantità significative di terre rare come i magneti, le lampade a fluorescenza, le batterie a base di idruri di nickel, i catalizzatori a base di lantanio. I magneti di grandi dimensioni ottenuti dalle batterie auto o dalle turbine eoliche sono ricondizionati e riutilizzati. I magneti contenuti nell’elettronica di consumo i cosiddetti WEEE (Waste Electric and Electronic Equipments) sono invece inviati al recupero delle materie prime. Il trattamento prevede lo smontaggio, il recupero dei componenti, la suddivisione tipologica e l’invio all’impianto di trattamento per il recupero delle terre rare. Con l’ecodesign nella progettazione dei dispositivi invece della obsolescenza programmata si potrebbero massimizzare le prestazioni ma anche progettare le operazioni di recupero a fine vita. Negli smartphone le terre rare sono concentrate nel display, negli altoparlanti, nei microfoni, nei sistemi di vibrazione, nelle fotocamere. Dai primi cellulari a quelli attuali il contenuto delle terre rare è aumentato del 30%, concentrato soprattutto nei magneti permanenti.
Si stima che anche soprattutto altri elementi come rame, litio, nickel e cobalto potrebbero essere recuperati per una quantità pari al 10% delle richieste di mercato.
Lino Santoro
