Alex King habla sobre las tierras raras y el trabajo realizado en el Critical Materials Institute (Instituto de Materiales Críticos)

¿De qué manera los elementos de tierra poco comunes son de suma importancia para la energía limpia y la fabricación?

Casi todo lo que utiliza contiene algunos materiales potencialmente en poca cantidad, a los que denominamos materiales críticos. Algunos son críticos si fabrica autos, productos textiles o edificios y otros son críticos si fabrica dispositivos de energía limpia.

Casi todas las listas de materiales críticos contienen diversos elementos de tierra poco comunes; son los hijos de la campaña de materiales críticos. Ofrecen propiedades a los materiales que no pueden ser proporcionadas por cualquier otra cosa.

Estas tierras raras son materiales tales como neodimio y disprosio, ambos utilizados en imanes de alta resistencia. Un problema con este tipo de imán es que su resistencia se degrada a temperaturas más elevadas; por lo tanto, con frecuencia se agrega disprosio para ayudar al imán a mantener sus propiedades a medida que se calienta, lo cual tiende a ocurrir con los dispositivos mecánicos.

Estos imanes son utilizados en artículos como las unidades de disco, los micrófonos, los parlantes y los motores eléctricos donde es importante que el motor sea liviano, muy eficiente o muy pequeño. Por ejemplo, un auto que funciona a gasolina utiliza aproximadamente una libra de imanes de neodimio-hierro-boro en los motores para la bomba de combustible, las ventanillas, los espejos, las puertas de apertura automática, etc. Si tiene un auto híbrido con un motor eléctrico, ese motor utiliza un par de libras extra de imanes. Los imanes se utilizan para mantener bajo el peso de un auto común. En el caso de un auto híbrido, necesita estos imanes simplemente para hacerlo funcionar.

Además, cualquier cosa que convierta el trabajo mecánico en electricidad, como un generador para una turbina de viento, por ejemplo, tiende a necesitar imanes y los imanes que elija para ello deben ser los más livianos, de neodimio-hierro-boro.

¿De qué manera trabaja el Instituto de Materiales Críticos para llevar estos materiales de la fase de investigación a un producto comercial?

El desafío no es introducir los materiales en el mercado. Se trata de garantizar que haya suficiente neodimio y disprosio para fabricar todos los imanes que necesitamos en la actualidad, y aquellos que anticipamos que necesitaremos en los próximos 15 ó 20 años. (Los imanes que utilizan neodimio y disprosio son probablemente, en términos de ingresos, el tipo de imán dominante en el mundo actual). Nuestro desafío es asegurarnos de que el suministro de materiales coincide con la demanda y no está sujeto a alteraciones de la cadena de suministro.

Queremos diversificar los orígenes. Si hay solo un proveedor, todos los que utilizan el material se encuentran de alguna manera a merced de dicho proveedor y a merced de la naturaleza, porque la naturaleza (terremotos, tornados) puede anular a un proveedor muy fácilmente. También los embargos comerciales pueden afectarlo. Siempre es mejor tener más proveedores, lo que podría significar más minas u otros tipos de fuentes primarias.

Queremos desarrollar herramientas y tecnologías que abaraten los costos del proceso minero. Debido a que cuesta hasta mil millones de dólares y lleva 10 ó 15 años abrir una nueva mina y ponerla en marcha, a la comunidad inversora no le entusiasman las minas en general. Todo lo que podamos hacer para reducir el costo facilitará las cosas para los inversores.

Por otro lado, estamos trabajando en nuevos materiales para reemplazarlos por materiales críticos como el neodimio. Ello requiere una gran cantidad de investigación científica fundamental, que en algunos casos parece ser prometedora. 

Un tercer enfoque, si no puede encontrar más de un material y no puede encontrar un sustituto, es ser más prudente sobre lo disponible. Esto se logra de dos maneras. En cada proceso de fabricación hay desperdicio. Por lo tanto, ¿cómo podemos reducir el desperdicio al mínimo? Además, ¿cómo hacemos que sea financiera y económicamente sensato proporcionar un reciclaje de fin de vida, normalmente una manera muy costosa de obtener materiales? Estamos trabajando en las herramientas para reducir estos costos.

¿De qué manera son importantes las normas para el uso de estos materiales de tierra poco comunes y sus sustitutos?

Algunos de los problemas son que no existen normas o simplemente existen las creadas por los catálogos de proveedores.

Si quiere comprar un imán del Proveedor A, utiliza su número de producto. Si quiere un producto equivalente de un proveedor diferente, todo lo que tiene es la información del catálogo. Digamos que está construyendo una unidad de disco duro y ha calificado a un imán; si tiene que recurrir a un segundo proveedor, deberá obtener toda la calificación nuevamente.

Las normas admitirán a varios proveedores y este es un tema hemos estado tratando con el Comité ASTM F40 [Sustancias Declarables en Materiales].

La normalización sería extremadamente útil con el reciclaje. En este momento, no reciclamos materiales. Reciclamos una computadora o un auto, y tal vez encontremos dentro un material que necesitamos. Solo sabe que está allí si ya ha desarmado anteriormente ese mismo dispositivo o si tiene una etiqueta con el contenido. De lo contrario, es posible que no encuentre lo que busca y habrá perdido mucho tiempo y esfuerzo en lo que en realidad es una de las partes más costosas del reciclaje.

Una de las cosas que quisiéramos promover son las normas que indican el contenido de los materiales críticos y posiblemente incluso su ubicación en dispositivos para facilitar el reciclaje y la recuperación.

¿Cuáles son las prioridades actuales del Instituto de Materiales Críticos?

Una de las cosas que distingue el trabajo del CMI es que estamos enfocados específicamente en proporcionar tecnologías que realmente se adopten y se utilicen. La transferencia de tecnología es sin duda nuestra mayor prioridad.

Entre la gran gama de proyectos, hemos tenido éxito en algunos. Hemos trabajado en áreas donde el cronograma normal aceptado para comercializar una tecnología es de 20 años. Después de solo dos años, ya estamos cerca de comercializar un material que reemplace a un material de tierras raras en iluminación fluorescente. Las lámparas fluorescentes utilizan tres tipos de tierras raras: europio, terbio e itrio, que en conjunto forman la luz blanca, pero hay escasez de europio y terbio. Con un fabricante, nos encontramos en la prueba final de fósforo que genera luz verde, y estamos avanzando en otro que produce luz roja.

En minería, estamos trabajando para mejorar el proceso en el que se quiebran las rocas y se separa el polvo para obtener minerales con contenidos de materiales de tierra poco comunes valiosas. Ese proceso se denomina flotación de espuma. Un proceso más eficiente permitirá a las minas aumentar el resultado.

Además estamos desarrollando tecnologías que serán utilizadas para el tratamiento de agua y otros tratamientos de efluentes en minas que ayuden a reducir el costo de operación y tenemos algunas operaciones de minería que demuestran interés en el otorgamiento de licencia de algunos de estos procesos.

El éxito en el reciclaje se encuentra un poco lejos porque los desafíos son muy grandes; sin embargo, estamos bien encaminados. Por ejemplo, en cada proceso de fabricación obtenemos desechos, como aserrín y limaduras, denominados virutas. Tradicionalmente se desechan. Nuestros científicos han desarrollado un nuevo método de reciclaje que reutiliza los desechos como materia prima para nuevos imanes. Estos imanes actúan como imanes unidos comerciales fabricados de materiales nuevos.

Alexander H. King, D. Phil., es director del Instituto de Materiales Críticos (CMI) en Ames, Iowa. CMI forma parte de Ames Laboratory, operado por la Universidad Estatal de Iowa para el Departamento de Energía de los Estados Unidos. King había sido anteriormente director de Ames Lab entre 2008 y 2013. Su experiencia comprende además roles como profesor en la Universidad de Purdue y la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook. Es miembro del Institute of Mining Minerals and Materials (Instituto de Materiales y Minerales de Minería), ASM International y Materials Research Society (Sociedad de investigación de los Materiales).