Metale ziem rzadkich – brzmią egzotycznie i tajemniczo. Choć większość z nas nie zna ich nazw, każdy codziennie korzysta z urządzeń, które bez tych pierwiastków po prostu nie mogłyby działać. Szczególnie w produktach takich firm jak Apple, metale ziem rzadkich to cisi bohaterowie zapewniający nowoczesnym urządzeniom ich niezwykłe możliwości.
Czym są metale ziem rzadkich?
Metale ziem rzadkich to grupa 17 pierwiastków chemicznych, do której zaliczamy skand, itr oraz tzw. lantanowce (lantan i 14 kolejnych pierwiastków w układzie okresowym, m.in. neodym, europ, dysproz, prazeodym, terb i inne). Nazwy te brzmią obco – i nic dziwnego, bo w przyrodzie nie spotykamy ich w czystej postaci. Występują w postaci minerałów (rud), często razem ze sobą, a ich „rzadkość” nie polega na tym, że są niebywale rzadkie w skorupie ziemskiej (wiele z nich jest w niej obecnych w porównywalnych ilościach co bardziej znane metale), lecz na tym, że trudno je wydobyć i oczyścić. Proces pozyskiwania metali ziem rzadkich jest skomplikowany, kosztowny i niekiedy szkodliwy dla środowiska.
Te unikalne pierwiastki posiadają jednak wyjątkowe właściwości fizyczne i chemiczne. Niektóre z nich są silnymi magnetykami (jak neodym), inne świecą pod wpływem pobudzenia elektrycznego (jak europ czy terb), a jeszcze inne mają zdolność do poprawiania właściwości szkła czy ceramiki (np. lantan czy itr). Dzięki tym cechom stały się niezastąpione w nowoczesnych technologiach – od turbiny wiatrowej, przez silnik elektrycznego auta, aż po smartfon w naszej kieszeni.
Jak elektronika wykorzystuje metale ziem rzadkich?
Nowoczesna elektronika jest pełna ukrytych skarbów w postaci metali ziem rzadkich. Choć zazwyczaj stanowią one tylko śladowy ułamek masy urządzenia, ich rola jest kluczowa dla działania wielu komponentów. Przyjrzyjmy się najważniejszym zastosowaniom, ze szczególnym uwzględnieniem urządzeń Apple, takich jak iPhone, MacBook, Apple Watch czy AirPods:
Supermocne magnesy w głośnikach i silnikach wibracyjnych:
to właśnie magnesy neodymowe (wykonane ze stopu neodymu z żelazem i borem, z dodatkiem dysprozu lub prazeodymu) napędzają maleńkie głośniki i silniki wibracyjne w smartfonach. W iPhonie magnesy z neodymem znajdziemy m.in. w głośnikach stereo oraz w module Taptic Engine – to ten element odpowiedzialny za wibracje i haptyczne „stuknięcia”, które czujemy przy dotykaniu ekranu. Bez tych magnesów telefon nie mógłby tak głośno odtwarzać dźwięku ani sprawnie wibrować przy połączeniach czy powiadomieniach. Również AirPods zawdzięczają moc brzmienia miniaturowym magnesom neodymowym w swoich przetwornikach, a Apple Watch potrafi dyskretnie stuknąć nas w nadgarstek dzięki maleńkiemu silniczkowi haptycznemu z magnesem ziem rzadkich.
Złącza magnetyczne i akcesoria:
jeśli używasz ładowarki MagSafe do iPhone’a lub magnetycznego złącza ładowania Apple Watch, to korzystasz z kolejnego zastosowania metali ziem rzadkich. iPhone od modelu 12 wzwyż ma wbudowany okrągły układ kilkunastu magnesów neodymowych ułożonych w pierścień – to one przyciągają ładowarkę bezprzewodową MagSafe i utrzymują ją idealnie na swoim miejscu. Podobnie magnetyczne zaczepy na obudowie iPada (utrzymujące etui czy klawiaturę) oraz zatrzaski etui od AirPods wykorzystują małe magnesy z neodymem. Dzięki temu akcesoria trzymają się pewnie, a jednocześnie dają się łatwo odłączyć.
Ekrany i żywe kolory:
mało kto zdaje sobie sprawę, że żywe barwy i jasność ekranów naszych urządzeń również po części zawdzięczamy metalom ziem rzadkich. Przykładowo związki lantanu pomagają uzyskać jasne i kontrastowe wyświetlacze – w iPhonie lantan może być dodawany do szkła ekranowego lub wykorzystywany w warstwach wyświetlacza, aby poprawić odwzorowanie kolorów. Inne pierwiastki, takie jak europ i terb, stosuje się w luminoforach ekranów (substancjach emitujących światło w diodach LED). To dzięki nim czerwień i zieleń na wyświetlaczu mogą być bardziej nasycone. Nawet cer znajduje zastosowanie – jego tlenek jest wykorzystywany przy polerowaniu szkła ekranów w trakcie produkcji. Gdy patrzymy na piękny wyświetlacz w iPhonie, za kulisami pracują właśnie te niezwykłe pierwiastki.
Aparaty fotograficzne i optyka:
w wysokiej jakości obiektywach często wykorzystuje się specjalne szkło z domieszką lantanu, które ma wysoki współczynnik załamania światła. Pozwala to konstruować cienkie soczewki o świetnych właściwościach optycznych. W kamerach iPhone’ów również stosuje się zaawansowane układy soczewek – choć większość z nich to tworzywo sztuczne, mogą zawierać powłoki lub elementy z dodatkiem rzadkich pierwiastków dla poprawy ostrości i korekcji barw. Dodatkowo, moduły aparatu korzystają z cewek i magnesów (silniczki autofocusu i system stabilizacji obrazu OIS), a te magnesy ponownie wykonane są z neodymu. Gdy obiektyw drży, by zniwelować nasze ruchy ręki, to właśnie maleńkie magnesiki i cewki wykonują precyzyjny taniec, umożliwiony przez właściwości metali ziem rzadkich.
Skąd pochodzą metale ziem rzadkich?
Skoro nasze urządzenia są pełne pierwiastków ziem rzadkich, warto zapytać: skąd się bierze te metale? Niestety odpowiedź nie jest już tak fascynująca z punktu widzenia użytkownika elektroniki – za to bardzo interesująca pod względem gospodarczym i geopolitycznym.
Wydobycie metali ziem rzadkich odbywa się w kilku rejonach świata, ale od kilkudziesięciu lat dominują w tym Chiny. To właśnie Chiny posiadają jedne z największych znanych złóż (np. gigantyczna kopalnia Bayan Obo w Mongolii Wewnętrznej) i zbudowały niemal monopolistyczną pozycję w ich produkcji. Według szacunków, jeszcze około 2010 roku Chiny dostarczały ponad 90% światowej podaży metali ziem rzadkich. Obecnie obraz nieco się zmienił – pojawili się inni producenci (m.in. Stany Zjednoczone, które ponownie uruchomiły kopalnię Mountain Pass w Kalifornii, czy Australia z kopalnią Mt Weld). Mimo to Chiny wciąż odpowiadają za około 70% wydobycia tych surowców na świecie, a jeszcze większy odsetek ich rafinacji i przetwarzania odbywa się właśnie tam. Innymi słowy, nawet jeśli rudy zostaną wykopane poza Chinami, często i tak trafiają do chińskich zakładów chemicznych na etapie ich oczyszczania. Co więcej, w przypadku niektórych najbardziej krytycznych odmian – np. dysproz i terb (tzw. metale ziem rzadkich z „ciężkiej” grupy) – Chiny mają prawie pełną kontrolę nad podażą.
Dlaczego akurat Chiny? W latach 80. i 90. kraje zachodnie stopniowo wygasiły własne wydobycie z powodów ekonomicznych i ekologicznych. Proces separacji metali ziem rzadkich z rudy wymaga stosowania silnych odczynników chemicznych, kwasów i rozpuszczalników, generując toksyczne odpady i czasem produkty uboczne w postaci materiałów promieniotwórczych (ponieważ rudy ziem rzadkich często zawierają tor i uran). Utylizacja tych odpadów jest kosztowna i obarczona rygorystycznymi normami środowiskowymi. Chiny, dysponując dużymi zasobami i mniej restrykcyjnymi regulacjami w tamtych dekadach, przejęły ten rynek, oferując tańsze metody wytwarzania. Słynne jest powiedzenie byłego chińskiego przywódcy Deng Xiaopinga z 1992 roku: „Bliski Wschód ma ropę, a Chiny mają metale ziem rzadkich.” Wskazywało ono jasno, że państwo to traktuje te surowce strategicznie.
Wyzwania środowiskowe i geopolityczne
Intensywne wydobycie i przetwarzanie metali ziem rzadkich niesie ze sobą poważne wyzwania środowiskowe. W regionach wydobycia, np. we wspomnianym Bayan Obo czy innych chińskich kopalniach, powstawały ogromne zbiorniki odpadów poprzemysłowych. Znane są zatrważające zdjęcia sztucznych „jezior” pod Baotou w Chinach, wypełnionych toksycznym błotem pozostałym po oczyszczaniu rud. Skażenie gleby i wód gruntowych w tych okolicach stało się realnym problemem. Szacuje się, że produkcja 1 tony czystego tlenku metalu ziem rzadkich może generować dziesiątki ton odpadów i zanieczyszczonej wody. Miejscowa ludność i ekolodzy alarmują o wzroście zachorowań i degradacji środowiska naturalnego na terenach górniczych. Z drugiej strony, popyt na te metale rośnie – nie tylko elektronika użytkowa, ale też zielone technologie (jak turbiny wiatrowe czy samochody elektryczne) potrzebują ich coraz więcej. Świat staje więc przed dylematem: jak zwiększać podaż tych krytycznych surowców, minimalizując jednocześnie koszt środowiskowy?
Drugą stroną medalu są zagadnienia geopolityczne i logistyczne. Skupienie większości światowych zasobów w jednym regionie powoduje ryzyko zaburzeń dostaw. Były sytuacje, gdy napięcia polityczne przekładały się na dostępność surowców – np. w 2010 roku Chiny na krótko ograniczyły eksport metali ziem rzadkich, co wywołało panikę na rynkach i gwałtowny wzrost cen. Również w ostatnich latach, w kontekście wojen handlowych i napięć między USA a Chinami, pojawiały się groźby wykorzystania „broni surowcowej” – ograniczenia sprzedaży tych metali do zachodnich gospodarek. Dla firm technologicznych takich jak Apple oznaczałoby to poważne problemy, bo bez stałych dostaw neodymu, dysprozu czy terbu produkcja i rozwój urządzeń mógłby zostać zahamowany. Dlatego kraje zachodnie oraz Japonia czy Korea inwestują w rozwój alternatywnych źródeł. Przykładem jest odkrycie w 2023 roku dużego złoża metali ziem rzadkich w Szwecji (region Kiruna) – największego znanego w Europie, szacowanego na ok. milion ton tlenków. Jednak od odkrycia do uruchomienia kopalni droga daleka: potrzeba inwestycji, infrastruktury i lat pracy, zanim europejskie metale ziem rzadkich trafią na rynek. Podobnie w USA planuje się zwiększyć własne moce rafinacji (we współpracy np. z Australią) i uniezależnić się od Chin, ale są to strategie rozpisane na wiele lat.
Recykling i przyszłość zrównoważonej elektroniki
Skoro wydobycie tych surowców jest tak kłopotliwe, nasuwa się pytanie: czy można inaczej? Jednym ze sposobów zmniejszenia presji na nowe zasoby jest recykling – odzyskiwanie metali ziem rzadkich ze zużytej elektroniki. W praktyce jest to trudne, bo wymaga demontażu urządzeń i wyodrębnienia z nich mikroskopijnych magnesów czy komponentów zawierających pierwiastki ziem rzadkich. Niemniej jednak podejmowane są takie inicjatywy. Apple chwali się swoimi robotami do demontażu iPhone’ów – Liam i nowszy Daisy – które potrafią rozłożyć telefon na części pierwsze. Robot Daisy jest w stanie z kilkunastu modeli iPhone’a odzyskać selektywnie komponenty zawierające cenne surowce. Dzięki temu Apple może ponownie wykorzystać np. magnesy z Taptic Engine czy modułów audio. W ostatnich latach firma ogłosiła ambitne plany: już niedługo wszystkie używane przez nią magnesy mają pochodzić w 100% z recyklingu, podobnie jak cały kobalt w bateriach i niektóre inne metale. Już teraz, według raportów Apple, nowsze modele zawierają znaczący odsetek recyklowanych metali ziem rzadkich w swoich komponentach.
Recykling metali ziem rzadkich jest jednak w skali globalnej dopiero w powijakach – odzyskuje się zaledwie ułamek procenta tego, co trafia na rynek w produktach. Dlatego naukowcy i inżynierowie pracują też nad alternatywnymi materiałami i technologiami, które mogłyby zredukować zapotrzebowanie na najtrudniejsze do zdobycia pierwiastki. Trwają eksperymenty z nowymi rodzajami magnesów niewymagających dysprozu, badania nad ulepszonymi luminoforami czy nawet nad całkowicie nowymi rozwiązaniami (np. aktuatory w telefonach oparte na materiałach piezoelektrycznych zamiast elektromagnesów). Mimo to, na horyzoncie nie widać prostego zamiennika, który mógłby w pełni zastąpić magnesy neodymowe czy inne krytyczne zastosowania lantanowców. Ich unikalne właściwości czynią je trudnymi do zastąpienia.
