Elementi in pericolo! Understand article

Quando si parla di risorse limitate, gli elementi chimici vengono spesso trascurati. Impariamo di più sugli elementi in pericolo.

Una tavola periodica degli elementi in pericolo
isak55, Shutterstock.com

Si 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”.

Una versione della tavola periodica che evidenzia gli elementi a rischio di esaurimento.
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 criticitàEsempi di elementiUtilizzi
Scarsa abbondanza nella crosta terrestreElioApparecchiature per risonanza megnetica, criogenia
Difficili o costosi da estrarreElementi delle terre rareTUTTE le apparecchiaure elettroniche, applicazioni nelle energie rinnovabili
Pericolosi da estrarreLantanioAuto ibride, raffinazione del petrolio
Sfruttamento minerario dannoso per l’ambienteTutti i minerali metallici, come ad esempio quelli di ittrio e scandioMOLTI utilizzi
Ottenuti solo come sottoprodottiGallioSemiconduttori per microchip
Vulnerabili a interruzioni di fornitura e conflitti minerariCobalto e elementi delle terre rareBatterie agli ioni di litio

Scarsa abbondanza

A medical MRI Scanner
Un’apparecchiatura medica per la risonanza magnetica
Jan Ainali/Wikimedia, CC-BY-3.0

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.

Un’infografica che mostra tutti gli elementi presenti in uno smartphone
Elementi contenuti in un telefono cellulare.
Copyright: Compound Interest 2014, CC BY-NC-ND 4.0

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
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, 2017

Pericolosi 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

Veduta aerea di una miniera d’oro a cielo aperto
Miniera d’oro Sunrise Dam, Australia Calistemon/Wikimedia, CC BY-SA 4.0

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
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:

Universal recycling logo
Logo universale del riciclaggio
  1. 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]

L’interno di un moderno smartphone
Le apparecchiature elettroniche come gli smartphone sono assemblaggi complessi di singoli componenti, il che rende ancora più difficile il riciclaggio..
Preechar Bowonkitwanchai, Shutterstock.com

Ci 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?

An electric car recharging.
Ricarica di un’auto elettrica.
Christopher Ziemnowicz/Wikimedia, public domain

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.

Una fotografia dell’asteroide Eros 433
Eros 433, un asteroide roccioso in orbita terrestre vicina
NASA/NEAR Project (JHU/APL)/Wikimedia, Public Domain

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!


References

[1] 15. Articolo di David Cole-Hamilton sugli elementi in pericolo per la Royal Society of Chemistry: https://www.rsc.org/news-events/opinions/2019/jan/elements-in-danger

[2] Månberger A, Stenqvist B (2018) Global metal flows in the renewable energy transition: Exploring the effects of substitutes, technological mix and development. Energy Policy 119:226–241. doi 10.1016/j.enpol.2018.04.056

[3] Alonso E (2012) Evaluating Rare Earth Element Availability: A Case with Revolutionary Demand from Clean Technologies. Environmental science and technology 46:3406–3414. doi: 1021/es203518d

[4] 18. Articolo del Kidela Capital Group sui metalli rari e le auto ibride Kidela Capital Group: https://www.mining.com/rare-earth-metals-and-hybrid-cars/

[5] US. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries (2018), Gallium, USGS.

[6] 20. Articolo sulla corsa dell’industria dell’alluminio verso le emissioni zero: https://aluminiuminsider.com/leaders-emerge-in-the-aluminium-industrys-race-to-zero-carbon/

[7] Van Genderen E et al. (2016) A global life cycle assessment for primary zinc production. The International Journal of Life Cycle Assessment 21:1580–1593. doi: 1007/s11367-016-1131-8

[8] (2017) Study on the review of the list of critical raw materials. EU commission, Brussels.

[9] Articolo di Forbes sull’agrominerario: https://www.forbes.com/sites/aminmirkouei/2021/05/04/a-sustainable-way-to-mine-rare-earth-elements-from-old-tech-devices-agromining-explained/

[10] Article di Science alert sull’estrazione di elementi delle terre rare dai rifiuti di carbone: https://www.sciencealert.com/scientists-figure-out-a-cheaper-more-efficient-way-to-extract-rare-earth-elements-from-coal

[11] Tercero Espinoza L et al. (2020) The promise and limits of Urban Mining. Fraunhofer ISI, Karlsruhe.

[12] Un articolo sul sito web della Università del Queensland rigardo la fitoaccumulazione https://smi.uq.edu.au/leaders-energy-transition-sustainable-source-critical-metals-phytomining

[13] Un articolo su Nature News riguardo le attività minerarie sui fonali marini: https://www.nature.com/articles/d41586-019-02242-y

[14] Le attività minerarie sugli asteroid in un articolo di Interesting Engineering: https://interestingengineering.com/asteroid-mining-to-shape-the-future-of-our-wealth

Resources

Author(s)

Jonny Furze è un assistente postdottorale alle relazioni esterne e un ambasciatore per la STEM primaria e secondaria al Bristol ChemLabS dell’Università di Bristol, GB.

Tim Harrison è il direttore delle relazioni esterne e un comunicatroe scientifico al Bristol ChemLabS dell’University di Bristol, GB. Contribuisce anche regolarmente a Science at School.




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