Редкоземельные металлы – это группа из 17 элементов (15 лантаноидов, скандия и иттрия), которые обладают рядом химических и физических свойств, особенно привлекательных для технологической и энергетической отраслей. Самыми ценными из них считаются неодим, празеодим, тербий и диспрозий, которые используют для производства компактных, но мощных магнитов, важнейших компонентов электронных устройств, включая смартфоны, компьютеры, аккумуляторы для электромобилей и турбины ветрогенераторов. Чрезвычайно низкие объёмы производства редкоземельных металлов на фоне растущего глобального спроса на них являются одной из самых серьёзных проблем, оказывающих влияние на вектор развития затронутых отраслей. Почему же редкоземельные элементы такие редкие?
Оказывается, эти металлы не так уж и малочисленны. По данным Геологической службы США, которая провела анализ «обилия кристаллов» различных редкоземельных элементов – а точнее, их распространения в земной коре, пришла к выводу, что «редкоземельные» элементы не уступают по распространённости привычным нам металлам, как, например, цинк или медь. По словам профессора Аарона Нобла, возглавляющего горно-минералогический факультет Политехнического университета Виргинии, они определённо встречаются чаще таких действительно редких металлов, как серебро, золото или платина.
Однако, несмотря на относительно щедрую распространённость редкоземельных металлов в среде, их очень сложно «извлечь» из содержащих их минералов. По мнению главы Института исследования водных ресурсов Западной Виргинии Пола Земкевича, этим элементам куда больше подошло бы название «хлопотные земли» (тугоплавкие и практически не растворимые в воде оксиды этих металлов раньше назывались «землями», отсюда и пошло оригинальное название данных элементов Terrae rarae – редкие земли).
Обычно металлы концентрируются в земной коре под влиянием разнообразных геологических процессов – например, течения лавы, гидротермальной активности или горообразования. Однако ввиду необычных химических свойств редкоземельных элементов они не так сильно подвержены воздействию этих процессов. Как следствие, они более рассредоточены в земной коре, из-за чего традиционные методы горных работ для их добычи являются менее эффективными. По словам Земкевича, например, в США средняя концентрация редкоземельных металлов составляет около 300 мг на килограмм породы. В отдельных случаях наличие чрезвычайно кислой среды несколько увеличивает шансы более высокого сосредоточения искомого вещества, однако поиск подобных участков – это та ещё задача со звёздочкой (и к тому же далеко не последняя на пути к получению чистых металлов).
В природе металлы зачастую существуют в составе руд, в которых частицы металла связаны с другими неметаллическими веществами сильными ионными связями, и редкоземельные элементы не являются исключением. Для получения чистого металла эти связи необходимо разрушить, и сложность этого процесса всецело зависит от химических свойств элементов, входящих в состав руды. Например, медь чаще всего встречается в составе сульфидов, и для её извлечения из руды достаточно разогреть её с последующим удалением сернистых элементов в форме газа. В случае некоторых руд получение металла реализовано за счёт газообразного или твёрдого восстановителя – такой подход актуален, например, для железа. Однако получение чистого редкоземельного металла – это гораздо более сложный процесс: энергоёмкий и агрессивный, поскольку для экстракции «земли» необходимо разрушить чрезвычайно прочные ионные связи внутри минералов.
Именно сложностью получения чистого вещества обусловлена редкость и дороговизна редкоземельных металлов. Потому сегодня некоторые учёные работают над созданием новых методов переработки этих элементов для получения вторичного сырья, чтобы минимизировать зависимость множественных индустрий от столь ограниченного ресурса. Кроме того, исследователи рассматривают вариант разработки альтернативных соединений, в которых можно было бы воспроизвести уникальные магнитные и электронные свойства редкоземельных металлов, минуя столь кропотливую работу по их поиску и экстракции.