Author(s): Jonny Furze, Tim Harrison
Translator(s): Paolo Sudiro
Quando si parla di risorse limitate, gli elementi chimici vengono spesso trascurati. Impariamo di più sugli elementi in pericolo.
isak55, Shutterstock.comSi sente parlare molto dei danni concreti che livelli crescenti di certe sostanze chimiche possono provocare al nostro pianeta, ad esempio livelli elevati di CO2 nell’atmosfera o di plastica negli oceani. Tuttavia, sentiamo di rado parlare di come la crescente scarsità di alcune sostanze chimiche potrebbe influenzare le nostre vite. Potrebbe sorprendervi sapere che molti elementi essenziali per la nostra società tecnologica sono molto scarsi.
Gli elementi sono le sostanze chimiche più semplici e in genere non possono essere prodotte attarverso processsi di sintesi (almeno non in quantità significative). Essi rappresentano una risorsa finita e, una volta che fossero esauriti, non ci sarebbe alcun modo realistico per ottenerne degli altri. Sudi recenti sulle fonti di elementi nella crosta terrestre hanno individuato fino a 35 elementi in “pericolo”.
Elementi in pericolo: questa versione della tavola periodica evidenzia gli elementi in base al rischio di esaurimento, dall’abbondanza (verde) al rischio severo (rosso).
EuChemS, CC-BY-ND In questo articolo spieghiamo perché alcuni elementi sono considerati in pericolo, consideriamo alcune delle tecnologie che dipendono dalle proprietà di questi elementi e provimo a dare un po’ di speranza per il futuro.
Perché si stanno esaurendo?
Per diverse ragioni, alcuni importanti elementi di cui abbiamo bisogno per varie applicazioni, stanno diventando scarsi.
| Motivi di criticità | Esempi di elementi | Utilizzi |
|---|
| Scarsa abbondanza nella crosta terrestre | Elio | Apparecchiature per risonanza megnetica, criogenia |
| Difficili o costosi da estrarre | Elementi delle terre rare | TUTTE le apparecchiaure elettroniche, applicazioni nelle energie rinnovabili |
| Pericolosi da estrarre | Lantanio | Auto ibride, raffinazione del petrolio |
| Sfruttamento minerario dannoso per l’ambiente | Tutti i minerali metallici, come ad esempio quelli di ittrio e scandio | MOLTI utilizzi |
| Ottenuti solo come sottoprodotti | Gallio | Semiconduttori per microchip |
| Vulnerabili a interruzioni di fornitura e conflitti minerari | Cobalto e elementi delle terre rare | Batterie agli ioni di litio |
Scarsa abbondanza
L’elio è un esempio di elemento poco abbondante. L’elio è il secondo elemento più abbondante nell’universo visibile, essendo stato prodotto nel corso di miliardi di anni dalla fusione nucleare nelle stelle. Tuttavia, è un esempio di elemento poco abbondante sulla Terra, poiché è poco denso e chimicamente inerte, e sta cominciando a scarseggiare. L’elio liquido ha molti impieghi importanti, comprese le apparecchiature per la risonanza magnetica.
Difficili da estrarre
Gli altri elementi in pericolo sono metalli ottenuti attraverso l’estrazione e la raffinazione di minerali. Un esempio sono gli elementi delle terre rare (Rare Earths Elements, REE), che sono metalli di transizione localizzati principalmente nella serie del lantanidi. Uno o più REE sono presenti in qualsiasi apparecchiatura elettronica e attualmente molte persone nei paesi sviluppati possiedono diverse apparecchiature elettroniche, con 10 milioni di nuovi telefoni venduti ogni mese nella sola UE.[1] I REE non si trovano in concentrazioni elevate nei minerali, così sono difficili e costosi da ottenere in grandi quantità.
Anche ridurre le emissioni di carbonio ha un lato oscuro. Le tecnologie per la produzione di energia rinnovabile spesso utilizzano REE e altri metalli. Neodimio, praseodimio e disprosio sono tutti impiegati nei generatori elettrici delle turbine eoliche. Inoltre, indio e gallio (che non sono REE ma sono anche loro difficili da estrarre) sono impiegati come dopanti per modificare le proprietà dei semiconduttori, largamente utilizzati nella produzione di pannelli solari.
Si prevede che, con l’aumento della richiesta mondiale di alternative ai combustibili fossili, crescerà anche la domanda di questi metalli.
L’energia fotovoltaica [Box 1 L’energia fotovoltaica] richiede 13 t di indio e 4 t di gallio per gigawatt (GW). Per l’energia eolica, servono attualmente 200 t di neodimio e 13 t di disprosio per GW.[2] Ci si aspetta che, nei prossimi 25 anni, la domanda di questi elementi aumenterà fino al 700% per il neodimio e al 2600% per il disprosio.[3]
Grafico che mostra le previsioni della domanda di sei metalli usati per le energie rinnovabili in Olanda
Da Metal demand for renewable electricity generation in the Netherlands, Ministero per le Infrastrutture e la Gestione delle Acque, Amsterdam, 2017Pericolosi da estrarre
Il minerale monazite contiene lantanio ma anche gli elementi radioattivi torio e uranio. Il lantanio è un componente indispensabile per le attuali batterie per auto ibride (in media 15 kg per auto [4]) [Box 2] e viene usato come catalizzatore nella raffinazione del petrolio. Poiché il minrale è radioattivo, l’estrazione della monazite è intrinsecamente pericolosa e costosa e il suo immagazzinamento, trasporto e smaltimento dei rifiuti di raffinazione, sono ancora più costosi.
Estrazione pericolosa per l’ambiente
Lo sfruttamento minerario è spesso dannoso per l’ambiente perché di frequente provoca la rimozione di vegetazione e alberi, erosione delle rocce, inquinamento delle fonti idriche locali. Storicamente, questa pratica è particolarmente problematica per i REE, poiché l’estrazione illegale di REE era una pratica diffusa per mantenerne bassi i prezzi. I liquidi contaminati impiegati per l’estrazione dei REE venivano raccolti in vasche aperte, dalle quali potevano fuoriuscire e raggiungere fonti di acqua potabile quando si verificavano delle frane. Un tempo quasto problema interessava tutte le miniere di REE, ma in anni recenti è stata introdotta una regolamentazione più severa per ridurre il problema.
Ottenuti solo come sottoprodotto
Non esistono miniere di gallio, perché la concentrazione di gallio nei minerali è molto bassa. Il gallio viene ottenuto come sottoprodotto della raffinazione di alluminio e zinco [Box 3] e viene impiegato nella produzione di semiconduttori, utilizzati in molte apparecchiature elettroniche: gli smartphone attuali contengono 10 volte più gallio rispetto ai modelli più vecchi.[5] Se si vuole più gallio, bisogna raffinare più alluminio o zinco, rilasciando CO2 (760 megatonnellate l’anno per l’alluminio [6, 7]) e provocando anche una caduta dei prezzi di alluminio e zinco, con effetti economici negativi.
Vulnerabili alle interruzioni di fornitura
Molti REE vengono prodotti principalmente in poche zone del pianeta. Questo può condurre a problemi di fornitura se si verificano delle instabilità politiche, o se il paese produttore decide di limitare la produzione. La scarsità provoca un aumento dei prezzi e queste variazioni rapide possono innescare il caos nell’industria tecnologica e nella finanza mondiali.
Mappa del mondo che illustra la percentuale di ogni elemento critico prodotto da ciascun paese nel 2017
Reproduced From Ref. [8]. C’è anche il problema delle risorse conflittuali: materiali che spesso vengono prodotti attraverso il lavoro minorile o schiavista, o a condizioni o tecniche minerarie pericolose e illegali. I profitti possono anche innescare feroci conflitti. Il cobalto, una componente importante per molte batterie a ioni di litio [Box 4], insieme a tantalio e tungsteno, sono noti come risorse conflittuali. I governi stanno iniziando ad imporre leggi più severe alle compagnie tecnologiche, attraverso i “passaporti dei materiali” per ridurre i conlitti minerari.
C’è speanza?
Uno dei principali obiettivi della scienza è trovare delle soluzioni alle sfide attuali. È possibile ridurre, riutilizzare, riciclare, sostituire, migliorare la produzione, o trovare nuove risorse.
Non aggiornare; durerà più a lungo di quello che pensi!
Una delle prime cose da ridurre è il consumo non necessario. Siamo condizionati dalla pubblicità a volere sempre l’ultimo gadget, ma il vostro modello attuale può facilmente durare più a lungo di pochi anni. Anche se cedete al vostro “nerd tecnologico” interiore, non buttate via o dimenticate in un cassetto il vecchio modello.
- Donate quello che ancora funziona. Ci sono molte associazioni benefiche che raccolgono “vecchia” tecnologia.
- Portateli ad un impianto di riciclaggio, o restituiteli al produttore (molti hanno programmi di riciclaggio o permuta).
Qualcosa diventa scarso? Ricicliamo!
Riciclare:
Logo universale del riciclaggio- Evitia di esaurire i materiali grezzi
2. Riduce la necessità di attività minerarie dannose per l’ambiente
3. Può essere fatto ovunque
4. Può generare posti di lavoro
Alcuni elementi sono abbondantemente riciclati, come ad esempio il tungsteno che viene impiegato nella manifattura di utensili minerari e da costruzione. Tuttavia, questo non è il caso di molti elementi in condizioni critiche, il 77% dei quali viene riciclato solo il 10% delle volte.[8] Spesso questo è dovuto al fatto che l’elemento è utilizzato in tracce nel singolo prodotto e non è facile da recuperare. Queste piccole quantità si accumulano, con una stima per il 2018 di circa 1.2 miliardi di tonnellate di rifiuti elettronici (contenenti REE e metalli) che non vengono riciclati e finiscono invece in discarica.[9]
Le apparecchiature elettroniche come gli smartphone sono assemblaggi complessi di singoli componenti, il che rende ancora più difficile il riciclaggio..
Preechar Bowonkitwanchai, Shutterstock.comCi si sta impegnando per aumentae il riciclaggio di questi elementi critici, tuttavia si tratta di un procedimento costoso. È necessario un cambiamento urgente nell’attitudine planetaria verso il riciclaggio di questi metriali.
Possiamo utilizzare altri elementi?
La ricerca attuale si è concentrata sulla sostituzone con elementi non critici, come ad esempio l’uso di batterie al litio-ferro-fosfato invece di nichel-cobalto-alluminio [Box 2] nelle auto elettriche. Tuttavia, molti elementi critici non possono venire sostituiti facilmente a causa delle loro proprietà uniche..
Nuove fonti
Sono necessarie nuove fonti degli elementi critici e ce ne sono molte in via di sviluppo:
• Raffinare il carbone[10] prima dell’uso. Nel carbone si trovano piccole quantità di REE che possono essere estratte attraverso la tecnica dello scambio ionico.
• Estrazione dalle discariche urbane.[[11] Attualmente non si tratta di una attività economicamente vantaggiosa, perché le concentrazioni di ciascun metallo nelle discariche sono troppo basse; tuttavia, potrebbe diventare proficua in futuro.
• Fitoaccumulazione.[12] alcune piante sono note per essere degli iperaccumulatori che concentrano nelle loro cellule i minerali estratti dal suolo. Piantate in terreni che contengono minerali o rifiuti metallici, le piante assorbono i metalli che possono poi venire estratti.
Tuttavia, l’opzione più economica rimane ancora l’attività mineraria e le compagne estrattive stanno conducendo esplorazioni dei fondali oceanici alla ricerca di ulteriori risorse. Comunque, l’estrazione mineraria in acque profonde[13] would clearly create environmentally damaging effects.
Se tutto il resto fallisce, possiamo aprire miniere sugli asteroidi?
È possibile. Gli asteroidi sono ammassi di rocce ricche di minerali che potrebbero venire sfruttati. L’estrazione mineraria dagli asteroidi[14] può sembrare una follia fantascientifica, ma ci sono compagnie che puntano a fare proprio questo. Addirittura la NASA ha valutato questa possibilità nel budget federale USA del 2018. Sarebbe comunque estremamente costoso.
Riassunto
In conclusione, non ci troviamo ancora al punto di un panico globale per la mancanza o l’esaurimento di specifici elementi, tuttavia potremmo esserci molto più vicini di quanto vorremmo ammettere. Un buon modo per inziare è cercare di ridurre il consumo non necessario, prendersi cura del pianeta e continuare a imparare!
