تعتمد حياتنا الحديثة على معادن تعرف بالأتربة النادرة. لسوء الحظ، هذه العناصر مستخدمة على نطاق واسع وشائعة إلى درجة أنه في يوم من الأيام قد لا يكون لدينا ما يكفي منها لتلبية احتياجات المجتمع.
نظراً لخصائصها المميزة، أصبحت هذه المعادن الـ 17 ضرورية لشاشات الكمبيوتر عالية الأداء والهواتف المحمولة وغيرها من الأجهزة الإلكترونية. كما تستخدم في مصابيح الفلورسنت المدمجة. وكذلك الحال بالنسبة إلى آلات التصوير الطبي، والليزر، والمغناطيسات عالية الطاقة، والألياف البصرية، والأصباغ. إنها في بطاريات السيارات الكهربائية القابلة لإعادة الشحن أيضاً. هذه العناصر هي أيضاً بوابة لمستقبل صديق للمناخ منخفض الكربون أو خالٍ من الكربون.
في عام 2021، استخرج العالم 280 ألف طن متري من التربة النادرة. هذا ما يقرب من 32 ضعفاً مما كان عليه في منتصف الخمسينيات من القرن الماضي. بحلول عام 2040 يقدر الخبراء أننا سنحتاج إلى ما يصل إلى سبعة أضعاف ما نستخدمه اليوم.
لا توجد بدائل جيدة لمعظم الوظائف التي تقوم بها الأرض النادرة. لذا فإن إرضاء شهيتنا لهذه المعادن لن يكون سهلاً. لا توجد في الرواسب الغنية. لذلك يجب على عمال المناجم حفر كميات هائلة من الخام للحصول عليها. ثم يجب على الشركات استخدام مزيج من العمليات الفيزيائية والكيميائية لتركيز المعادن وفصلها.
هذه العمليات تستهلك الكثير من الطاقة. كما أنها قذرة وتستخدم مواد كيميائية سامة.
كل هذا يفسر سبب تطلع الباحثين لإعادة تدوير هذه المعادن. يقول عالم المواد في معهد المواد الحرجة التابع لوزارة الطاقة إيكينا نليبديم إن إعادة التدوير "ستلعب دوراً مهماً ومحورياً للغاية".
يقول نليبديم إنه في غضون 10 سنوات، يمكن أن تلبي إعادة التدوير ما يصل إلى ربع الحاجة إلى تربة نادرة. إذا كان هذا صحيحاً فسيكون أمراً "ضخماً".
في الولايات المتحدة وأوروبا، من المعتاد إعادة التدوير من 15 إلى 70 % من المعادن عالية الاستخدام، مثل الفولاذ. أما اليوم فيتم إعادة تدوير حوالي 1% فقط من العناصر الأرضية النادرة في المنتجات القديمة، كما يشير الجيولوجي سايمون جويت في جامعة نيفادا.
"يمكن إعادة تدوير الأسلاك النحاسية إلى مزيد من الأسلاك النحاسية. يمكن إعادة تدوير الفولاذ إلى المزيد من الفولاذ". لكن الكثير من المنتجات الأرضية النادرة "غير قابلة لإعادة التدوير بشكل كبير".
لماذا؟ غالباً ما يتم مزجها مع معادن أخرى. يمكن أن يكون فصلها مرة أخرى صعباً جداً. في بعض النواحي، تعد إعادة تدوير العناصر الأرضية النادرة من العناصر المتناثرة أمراً صعباً مثل استخلاصها من الركاز ومعالجتها.
تميل إعادة تدوير التربة النادرة إلى استخدام المواد الكيميائية الخطرة، مثل حمض الهيدروكلوريك. كما أنه يستخدم الكثير من الحرارة - وبالتالي الكثير من الطاقة. وهذا الجهد قد يستعيد فقط كمية ضئيلة من المعدن. على سبيل المثال، قد يحتوي محرك الأقراص الثابتة بجهاز الكمبيوتر على بضعة غرامات (أقل من أونصة) من المعادن الأرضية النادرة. قد تحتوي بعض المنتجات على جزء من الألف فقط.
لكن العلماء يحاولون تطوير أساليب إعادة تدوير أفضل لتقليل الحاجة إلى تعدين المزيد من هذه المعادن.
من البكتيريا إلى الأملاح والطحن
هناك نهج يجند الميكروبات؛ حيث تنتج بكتيريا الغلوكونوباكتر أحماضاً عضوية بشكل طبيعي. يمكن لهذه الأحماض أن تسحب العناصر الأرضية النادرة - مثل اللانثانم والسيريوم - من المحفزات المستخدمة أو من الفوسفور المتوهج الذي يجعل مصابيح الفلورسنت تتوهج. تقول عالمة الكيمياء الجيولوجية الحيوية يوشيكو فوجيتا إن الأحماض البكتيرية أقل ضرراً بالبيئة من أحماض ترشيح المعادن الأخرى.
في التجارب، هذه الأحماض البكتيرية تستعيد فقط ربع إلى نصف التربة النادرة من المواد. هذا ليس جيداً مثل حمض الهيدروكلوريك، والذي في بعض الحالات يمكن أن يستخلص ما يصل إلى 99 %. لكن في تقرير فوجيتا وفريقها، ربما لا يزال النهج القائم على الأحياء يستحق الجهد المبذول.
يمكن أن تساعد البكتيريا الأخرى أيضاً في استخراج العناصر الأرضية النادرة. قبل بضع سنوات، اكتشف الباحثون أن بعض الميكروبات تنتج بروتيناً يمكنه الارتباط بأتربة نادرة. يمكن لهذا البروتين أن يفصل العناصر الأرضية النادرة عن بعضها البعض - مثل النيوديميوم من الديسبروسيوم المستخدم في العديد من المغناطيسات. قد يتجنب مثل هذا النظام الحاجة إلى العديد من المذيبات السامة. وسوف تتحلل النفايات المتبقية من هذه العملية.
تستخدم تقنية جديدة أخرى أملاح النحاس - وليس الأحماض - لسحب العناصر الأرضية النادرة من المغناطيس المهملة. تعتبر مغناطيسات النيوديميوم والحديد والبورون أكبر مستخدم منفرد للأتربة النادرة. تشكل العناصر الأرضية النادرة ما يقرب من ثلث هذه المغناطيسات من حيث الوزن. في غضون سبع سنوات، يمكن أن تؤدي إعادة تدوير النيوديميوم من مغناطيس البورون في محركات الأقراص الصلبة الأمريكية إلى تلبية حوالي 5 % من الطلب العالمي على هذا المعدن.
قاد نليبديم فريقاً طور تقنية تستخدم أملاح النحاس لتصفية العناصر الأرضية النادرة من المغناطيس في الإلكترونيات الممزقة. حيث يمكن أن تستعيد 90 إلى 98 % من المعادن النادرة. أظهر فريق نليبديم أن المعادن المستخرجة نقية بما يكفي لصنع مغناطيس جديد. يمكن أن تكون عمليتهم أيضاً أفضل بالنسبة إلى المناخ. مقارنة بإحدى الطرق الرئيسية التي يتم بها تعدين الأرض النادرة ومعالجتها في الصين، فإن طريقة ملح النحاس أقل من نصف بصمتها الكربونية.
قامت شركة ببناء مصنع تجريبي لاستخدام تقنية ملح النحاس. وتهدف إلى إنتاج طنين من أكاسيد الأرض النادرة شهرياً. ستعيد تدوير العناصر الأرضية النادرة من محركات الأقراص الثابتة القديمة من مراكز البيانات.
شركة نوفيون للمغناطيسيات تقع في ولاية تكساس تصنع مغناطيس النوربون المعاد تدويره. بعد إزالة المغناطيسات وتنظيفها، يتم طحن المعدن في مسحوق. يستخدم هذا المسحوق لصنع مغناطيس جديد. هنا، ليست هناك حاجة لاستخراج العناصر الأرضية النادرة وفصلها أولاً. يمكن أن يكون المنتج النهائي عبارة عن مغناطيس معاد تدويره بنسبة تزيد عن 99 %.
مقارنة بالطريقة المعتادة لصنع مغناطيس النوربون، فإن هذه الطريقة تقلل من استخدام الطاقة بنحو 90 %، حسبما أفاد باحثون في ورقة بحثية عام 2016. تقدر نوفيون أيضاً أنها تطلق فقط حوالي نصف كمية ثاني أكسيد الكربون، أحد غازات الدفيئة.
مشكلة
لدى العديد من المجتمعات برامج لجمع المعادن أو الورق أو الزجاج لإعادة التدوير. لا يوجد شيء مثل هذا لجمع المنتجات المهملة التي تحتوي على أتربة نادرة، كما تقول فوجيتا في مختبر أيداهو الوطني. قبل أن تبدأ إعادة تدوير العناصر الأرضية النادرة، سيتعين عليك الوصول إلى تلك القطع التي تحتوي على المعادن الثمينة.
أطلقت آبل جهوداً لإعادة تدوير بعض أجهزتها الإلكترونية. حيث يمكن لروبوت ديزي تفكيك أجهزة الآيفون. وفي العام الماضي، أعلنت شركة آبل عن زوج من الروبوتات - تاز وديف - يساعدان في إعادة تدوير الأتربة النادرة. يمكن لتاز جمع الوحدات التي تحتوي على مغناطيس والتي يتم فقدها عادةً أثناء تمزيق الإلكترونيات. ويمكن لديف استرداد المغناطيس من جزء آخر من أجهزة آيفون.
ومع ذلك، سيكون من الأسهل كثيراً أن تصمم الشركات المنتجات بطريقة تجعل إعادة التدوير سهلة، كما تقول فوجيتا.
ولكن بغض النظر عن مدى جودة إعادة التدوير، فإن تعطش المجتمع للأتربة النادرة كبير للغاية - ومتزايد. حيث يوافق العلماء على أن إعادة التدوير ضرورية. يقول جوديت: "من الأفضل أن نحاول أن نستخرج ما نستطيع، بدلاً من مجرد إلقائه في مكب النفايات".
----