Terre rare: risorsa o minaccia ambientale?

TERRE RARE: COSA SONO?

Il famoso detto “dove c’è acqua c’è vita” è davvero suggestivo e rende bene l’idea di come l’acqua sia ritenuto un ingrediente fondamentale per la nascita della vita. Nel mondo attuale, dominato da dispositivi elettronici sempre più complessi e performanti, vale sicuramente l’espressione “dove ci sono le terre rare c’è tecnologia”.

Questi elementi, abbreviati in REE (Rare Earth Elements), sono utilizzati per la costruzione delle più disparate tecnologie: dalle più banali, come ad esempio piccole pietre focaie, a quelle più complesse come laser, magneti, batterie e display a cristalli liquidi. Le terre rare saranno molto utili anche per la costruzione di tecnologie del futuro come superconduttori ad alta temperatura e dispositivi utili allo stoccaggio e al trasporto di idrogeno da utilizzare come carburante al posto dei moderni combustibili fossili.

Ma cosa sono le terre rare? Le REE sono un gruppo di 17 elementi chimici che comprendono lo scandio, l’ittrio e il gruppo dei lantanidi (sono evidenziate nella figura in basso “terre rare tavola periodica”). Le REE sono (terre rare elenco): scandio (Sc), ittrio (Y), lantanio (La), cerio (Ce), praseodimio (Pr), neodimio (Nd), promezio (Pm), samario (Sm), europio (Eu), gadolinio (Gd), terbio (Tb), disprosio (Dy), olmio (Ho), erbio (Er), tullio (Th), itterbio (Yb) e lutezio (Lu). Spesso ci si riferisce a tutti questi elementi con il termine “lantanoidi”.

Il nome “terre rare” è in realtà frutto di un equivoco: questi elementi, infatti, non sono affatto delle “terre” e non sono neanche rari. Il termine “terre” o “terroso” fa pensare a quegli elementi del secondo gruppo della tavola periodica noti con il nome di “metalli alcalino-terrosi”. I lantanoidi non fanno parte di questo gruppo: essi appartengono ai metalli di transizione del gruppo 3. Il nome “terre” nasce dal fatto che nel XIX secolo, quando vennero scoperti per la prima volta molti di questi elementi, le terre rare venivano estratte sottoforma di ossidi. In francese, che era la lingua più utilizzata in ambito scientifico, ci si riferiva agli ossidi di un elemento con il termine “terre”, che venne quindi adottato per definire questi elementi.

Anche il termine “rare” è errato in quanto le REE sono molto abbondanti! Il cerio, il più comune tra le REE, ha una concentrazione di 60 ppm all’interno della crosta terrestre, il ventisettesimo elemento in ordine di abbondanza. Il meno comune, il lutezio, ha invece una concentrazione di 0.5 ppm, 200 volte più abbondante dell’oro. Il termine rare nasce dal fatto che nel XIX secolo si conosceva soltanto un deposito di REE, situato a Ytterby in Svezia, per questo si pensava fossero elementi rari o, meglio, “terre rare”.

Utilizzo delle REE

Gli usi delle REE sono molteplici e cambiano continuamente in relazione alle nuove scoperte tecnologiche. Ad esempio, il neodimio veniva inizialmente utilizzato per colorare il vetro, oggi invece è un ingrediente fondamentale per la costruzione di magneti permanenti, utilizzati all’interno di computer, stampanti, sensori di vario genere e orologi. Altre REE che oggi vengono utilizzate per la fabbricazione di magneti sono il promezio, il samario e il disprosio. Le terre rare vengono comunemente utilizzate anche come catalizzatori (lantanio e cerio), nell’industria della ceramica e del vetro (cerio, lantanio, ittrio), nella metallurgia (scandio ed ittrio), nella produzione di batterie (lantanio, cerio, e neodimio) e per realizzare i superconduttori (ittrio).

Le terre rare assumono un ruolo cruciale anche nella lotta al cambiamento climatico e alla salvaguardia ambientale: la costruzione di tecnologie in grado di diminuire il consumo di energia e le emissioni di gas serra, come ad esempio lampadine a led, auto elettriche, pale eoliche e marmitte catalitiche, richiedono l’utilizzo di REE. I lantanoidi sono fondamentali per la costruzione di molte tecnologie di uso comune (come schermi, hard disk, smartphone, fibre ottiche), di dispositivi medici (materiali per eseguire le risonanze magnetiche, laser, agenti di contrasto) e tecnologie militari (sistemi di guida, materiali speciali come il terfenol-D, sensori e batterie). Il loro impiego ha permesso non solo un avanzamento tecnologico imponente, ma ha portato ad una forte riduzione delle dimensioni dei nostri dispositivi che, in altri tempi, erano molto più ingombranti di oggi.

Chimica, fisica e geologia delle REE

Le REE vengono comunemente divise in tre gruppi principali: le REE leggere (LREE), pesanti (HREE) e medie (MREE). Tale suddivisione è basata sulla configurazione elettronica degli elementi: le terre rare che sulla tavola periodica degli elementi sono comprese tra il lantanio e il promezio sono classificate come LREE; samario, europio e gadolinio sono MREE; mentre gli elementi tra terbio e lutezio sono considerati HREE, a cui si aggiunge anche l’ittrio e lo scandio.

Il gruppo dei lantanoidi mostra una caratteristica chimica peculiare: normalmente ogni elemento è costituito da un nucleo (formato da protoni e neutroni) attorno al quale esistono diversi orbitali che ospitano gli elettroni. Spostandosi verso destra nella tavola periodica, tra un elemento e l’altro aumenta il numero di protoni e, di conseguenza, anche il numero di elettroni che vengono aggiunti negli orbitali più esterni. Ai lantanidi questa “regola” non piace ed ospitano i nuovi elettroni in orbitali più interni (orbitale 4-f). Gli orbitali più esterni delle REE rimangono quindi sempre uguali, mentre variano quelli più interni che non hanno molta influenza nel determinare le proprietà chimiche dell’elemento. Grazie a questo fenomeno, chiamato “contrazione lantanidica“, le terre rare mostrano un comportamento chimico molto simile.

Da un punto di vista fisico i lantanoidi mostrano delle caratteristiche molto diverse, e per questo utilizzati in una vasta gamma di applicazioni. Ad esempio, gadolinio, disprosio, neodimio, erbio e samario hanno proprietà tipiche che li rendono perfetti per la fabbricazione di magneti. Altri elementi invece sono più adatti alla costruzione di laser o all’interno di batterie ricaricabili. Ogni singolo elemento delle REE possiede le sue peculiari caratteristiche fisiche (elettriche, magnetiche o termiche) che lo rendono spesso fondamentale per la fabbricazione di specifiche tecnologie.

Le REE non si trovano in natura nel loro stato nativo, ma sono contenute all’interno di specifici minerali come la monazite e la bastnaesite. A loro volta questi minerali possono essere trovati all’interno di rocce come graniti, pegmatiti e carbonatiti che si formano grazie ai processi tipici della tettonica a placche. Le carbonatiti, ad esempio, sono prodotte dall’attività vulcanica legata allo sviluppo di una nuova rift zone continentale, ovvero zone in cui la litosfera di un continente si sta pian piano assottigliando per dar vita ad un nuovo oceano.

In generale i depositi di lantanoidi possono formarsi grazie a processi primari, dovuti a fenomeni magmatici o idrotermali, o secondari, ovvero processi erosivi che attaccano la roccia in cui sono presenti le REE, trasportandole lontano dal loro luogo di formazione, costituendo così nuovi depositi. Capire quali processi e di conseguenza quali rocce possono ospitare le terre rare è molto importante per scoprire nuovi giacimenti economicamente sfruttabili.

TERRE RARE DOVE SI TROVANO?

La produzione globale di terre rare nel mondo è sostenuta da diversi paesi, ma a partire dal 2000 gran parte di esse sono estratte in Cina. Nella figura sottostante si può notare come l’interesse verso questi elementi nacque nel 1960 quando si scoprì che l’europio fornisce una forte luminescenza se eccitato da elettroni, caratteristica che lo rese il candidato ideale per lo sviluppo delle prime televisioni a colori. Gli Stati Uniti furono i più grandi produttori di REE fino al 1985 quando la Cina monopolizzò il mercato dei lantanoidi sia nel campo della produzione e della lavorazione, sia nel campo della ricerca e sviluppo. Anche se la Cina fornisce il 97% di tutte le REE, oggi le varie nazioni stanno investendo nella ricerca di nuovi giacimenti economicamente sfruttabili e di nuove tecnologie utili al riciclo.

Molti paesi quali l’Africa possiedono diversi giacimenti (terre rare Africa): uno nella riserva di Pilanesberg e l’altro sfruttato dalla miniera di Steenkampskraal. Quest’ultima è stata utilizzata per l’estrazione di torio e lantanoidi dal 1952 al 1963 dalla società mineraria Angalo American. In questa miniera si estrae soprattutto la monazite che contiene il 45% in peso di ossidi di REE, tracce di oro, torio, uranio e rame.

Tra i primi paesi a riconoscere il valore delle REE e a sfruttare in modo massiccio alcuni depositi furono gli Stati Uniti. Il giacimento di “Mountain Pass”, scoperto nel 1949, ha permesso al paese di essere tra i principali produttori di REE fino al 1985, quando la Cina ottenne il monopolio sul mercato delle REE.

Terre rare Cina

Circa l’88% delle REE cinesi sono localizzate nelle regioni di Sichuan, Jiangxi e Baotou; mentre il restante 11% è diffuso in tutto lo stato. La miniera di Bayan Obo, localizzata nella regione della Mongolia Interna, contiene da sola l’83% delle terre rare. I minerali che vengono utilizzati per l’estrazione sono la monazite e la bastnaesite da cui si ricavano principalmente cerio, lantanio e neodimio. Questa miniera è stata scoperta nel 1920 ed ha cominciato l’estrazione di REE nel 1950. Oggi la produzione primaria vede l’estrazione di minerali di ferro e, secondariamente, minerali delle terre rare.

Un’altra zona di interesse è quella di Mianning, nella provincia di Sichuan, dove sono stati identificati cinque potenziali depositi all’interno di rocce carbonatitiche. Le miniere nella regione di Sichuan estraggono principalmente lantanio, cerio, promezio e neodimio.

Anche se le terre rare più comuni sono quelle leggere (LREE), la Cina estrae anche grandi quantità di HREE. Questo avviene grazie a depositi lateritici (un particolare tipo di suolo che si forma in regioni tropicali) che contengono molte risorse, tra le quali HREE. Alcuni di questi depositi potrebbero esaurirsi già nel 2025, lasciando la nazione con un solo deposito di HREE. La ricerca scientifica sulle REE nel paese è molto evoluta e vengono continuamente scoperti nuovi giacimenti di lantanoidi soprattutto nelle province di Yunnan, Guizhou e Sichuan.

Terre rare in Europa

Attualmente nel continente europeo non si estrae in modo massiccio nessuna delle terre rare, anche se esistono diversi depositi potenzialmente sfruttabili. Sulla base del tipo di rocce, della loro età e del contesto geologico, è stato possibile identificare diverse zone del continente particolarmente ricche di REE. La presenza di questo tipo di elementi è associata a particolari ambienti geologici in cui la tettonica distensiva (assottigliamento della crosta terrestre) è associata alla risalita di fluidi dal mantello che producono la formazione di rocce carbonatitiche e alcaline. In Europa questo assetto geologico è presente in Groenlandia, nella così detta Gardar Province, e in Svezia dove, nella miniera di Ytterby, sono state scoperte per la prima volta molte delle REE (terre rare Svezia: nell’immagine sotto è possibile vedere una targa che attesta la scoperta di alcuni elementi proprio nella miniera di Ytterby).

Nel continente europeo sono stati individuati almeno cento punti di interesse per lo sfruttamento di questa risorsa, alcuni dei quali localizzati nella penisola italiana (come mostrato nella figura in basso “terre rare in Europa”). Le terre rare in Italia sono associate a rocce carbonatitiche, alcaline e peralcaline, che affiorano in ristrette zone nelle località di San Venanzo, Polino, Cupaello e a ridosso del Monte Vulture. Inoltre, le sabbie delle spiagge del comune di Nettuno (Lazio) contengono minerali delle terre rare come la perrierite, arrivata sulla costa a seguito dell’erosione delle rocce che contengono questo minerale.

Altre rocce che possono essere fonte di REE sono le bauxiti che affiorano in molte regioni del Mediterraneo tra cui Italia, Grecia, Francia e Ungheria. Le terre rare in Sardegna, Puglia e Campania possono essere estratte dagli scarti di lavorazione della bauxite che viene utilizzata principalmente per la produzione di alluminio.

Dal punto di vista geopolitico riveste un ruolo chiave il tema “terre rare Ucraina”. Quest’ultimo è un paese abbastanza ricco di terre rare economicamente sfruttabili. Tra i giacimenti più ricchi di REE c’è quello di Novopoltavske nella regione di Zaporizhzhia, quello di Mazurivske e di Azovske nella Repubblica Popolare di Donetsk e il deposito di Yastrubetske nella regione di Žytomyr. Nonostante la grande estensione di quest’ultimo, si stima che i minerali utili all’estrazione di REE siano localizzati a 500 metri di profondità. Questo rende molto difficile lo sviluppo di questo giacimento, anche se potrebbe risultare un investimento proficuo non solo per l’Ucraina ma anche per l’Unione Europea.

IMPATTO AMBIENTALE E RICICLO

Nonostante le terre rare sono necessarie per la costruzione di dispositivi tecnologici di uso comune (come ad esempio smartphone, schermi LCD, turbine eoliche e pannelli solari), bisogna tener conto del loro impatto ambientale. Durante tutto il processo produttivo delle REE, oltre al massiccio consumo di acqua, elettricità ed acidi, vengono prodotte molte sostanze di scarto che possono rappresentare un’importante fonte di inquinamento per gli ecosistemi terrestri. Tuttavia, è bene quantificare l’uso di energia, il consumo di risorse e l’effetto sul riscaldamento globale che hanno le terre rare durante tutto il loro ciclo di vita, dall’estrazione al consumo finale.

Non tutte le REE hanno lo stesso impatto sull’ambiente, in quanto ci sono molti fattori che influenzano il consumo di risorse e l’emissione di gas clima alteranti. Uno studio, condotto sul processo di estrazione dalla miniera di Bayan Obo in China, ha cercato di definire l’impatto delle REE, tenendo in considerazione diversi fattori quali la massa di lantanoidi estraibili dal minerale di partenza, i materiali e l’energia consumata in ogni step del processo produttivo ma anche il prezzo, che tende ad amplificare l’impatto delle REE meno comuni all’interno dei giacimenti.

Dalla figura sopra si può notare che l’impatto maggiore è dato dalla produzione di scandio, europio, terbio e disprosio. Tuttavia, altri modelli che tengono conto soltanto della massa di REE estraibile associano un maggiore impatto ambientale a scandio e ittrio. La misura di CO2 equivalente, nell’asse delle ordinate, tiene conto dell’effetto serra prodotto non solo dall’anidride carbonica ma anche da tutti gli altri gas serra come metano, protossido d’azoto ecc…

Il processo di estrazione della monazite e della bastnasite produce sostanze di scarto che possono essere disperse nell’ambiente e provocare gravi danni agli animali e all’uomo. Inoltre, considerando il monopolio della Cina sulla produzione dei lantanoidi, è sicuramente da prendere in considerazione l’opzione del riciclo delle terre rare. Nonostante i nostri dispositivi elettronici possano rappresentare delle piccole miniere da cui ricavare le REE, soltanto l’1% di queste vengono recuperate. Inoltre, il riciclo permetterebbe la mitigazione del problema del “bilanciamento”: le REE che vengono maggiormente prodotte sono il lantanio e il cerio , ma quelle per cui esiste una maggior richiesta sono il neodimio e il disprosio. Il riciclo di quest’ultimi elementi permetterebbe un maggior approvvigionamento delle REE più difficili da produrre.

Le motivazioni alla base dello scarso riciclo sono molteplici: la quantità di lantanoidi all’interno dei dispositivi è esigua (qualche milligrammo) e le attuali tecnologie non permettono di recuperare facilmente queste piccole quantità; mancano gli incentivi economici; i sistemi volti al recupero dei dispositivi sono poco sviluppati e il design dei dispositivi rende difficoltoso separare tali elementi.

Un riciclo più efficiente delle terre rare è sicuramente auspicabile sia dal punto di vista ambientale che economico. Tuttavia, sono necessari molti altri studi per rendere economicamente sostenibili i meccanismi di riciclo e recupero delle REE dai nostri dispositivi elettronici ormai obsoleti.

Le terre rare sono sicuramente una risorsa importantissima, soprattutto per la costruzione di tecnologie sempre più performanti ed avanzate. L’impatto ambientale legato alla loro estrazione non può essere ignorato ma, attraverso il riciclo e politiche volte alla salvaguardia ambientale, è possibile utilizzare questa risorsa in modo responsabile. La salvaguardia dell’ambiente e la lotta al cambiamento climatico passano anche da questi elementi chimici che, se utilizzati responsabilmente, possono essere dei validi alleati.