如何稀有金属短缺正在影响绿色技术的未来

在全球推动减少温室气体排放的同时，具有讽刺意味的是，一些能源或资源节约技术之所以没有得到充分利用，仅仅是因为我们没有足够的原材料来制造它们。2009年，当他们试图做出这种转变时，诸如此类的公司通用电气(General Electric)他们大声疾呼:他们将无法获得足够的稀土来制造新的灯泡。

对新的和更好的技术在移动 - 从智能手机到电动汽车- 用于特殊金属是稀缺由于双方地质学和政治的需求不断增长。超薄，廉价的太阳能电池板需要碲，它构成了地壳的很少0.0000001％，成为三次罕见超过黄金。高性能电池需要锂，其仅容易地从在安第斯山海水池萃取。铂金，需要作为在把氢转化为能量的燃料电池的催化剂，来自几乎全部来自南非。

研究人员和产业工人都震惊地醒来这些狡猾的供应链造成的问题在2011年,当“稀土”——的平均价格包括铽和铕,用于荧光灯;和钕,使用强大的磁铁,帮助驱动风力涡轮机和电动引擎——增长了750%。问题在于，控制着全球97%稀土生产的中国，一直在限制贸易。双方达成了解决方案，价格冲击消退，但稀土和其它所谓“关键元素”未来供应问题的威胁仍隐约可见。

希望的解决方案

这就是为什么美国能源部艾姆斯实验室成立了关键材料研究所。该研究所于6月成立，9月进行了正式剪彩。它的任务是预测接下来哪些材料会出现问题，努力改善供应链，并尝试发明一开始就不需要那么多关键元素的替代材料。该研究所是世界上为数不多的试图解决关键元素问题的组织之一，像美国物理学会这样的组织一直在呼吁关注多年。那正在加速欧洲的举措屈指可数的一个 - “这是欧洲的一个热门话题，现在，”奥利弗·维达尔，一个叫ERA-MIN欧盟委员会项目的协调员。

“这是真的急了，”研究所所长亚历克斯国王说。“我们今天面临的真正挑战 - 我们需要的解决方案的明天，而不是之后的那一天。”

尽管成本高和金属，能源技术至关重要的高要求，很少的这金属回收：在2009年，据估计，稀土金属的不到1％被回收。Ruediger Kuehr，在波恩举行的解决电子废弃物问题（STEP）计划的负责人说，4900万吨的电子垃圾每年生产，从手机到冰箱。这，或许是10％被回收。这是荒谬的，以简单地抛出这么多有价值的材料了，迪让峰Apelian，马萨诸塞州的伍斯特金属加工研究所的创始所长说，“有一些像32吨黄金在世界上所有的手机，” Apelian说。“目前在我们的城市垃圾填埋场一个巨大的金矿。”

从现代技术中提取金属是一件痛苦的事情，因为它们被少量地整合到越来越复杂的设备中。一个2000年左右的手机使用了大约24种元素;现代智能手机使用60多个。金说:“我们让事情变得更困难了。”他说，尽管在科技领域中，稀土的浓度相对较高，但从化学角度来说，在简单的岩石中把它们与周围的物质分开要比在复杂的手机中更容易。

Umicore负责回收费用

但这是可能的。总部位于布鲁塞尔的公司Umicore在回收利用技术的关键金属的前列，国王说。在其位于Hoboken的，比利时站点，公司每年回收大约35万吨的电子废物，包括光伏电池和计算机电路板，以回收金属，包括碲。2011年，优美科开始了一个合资企业从可充电镍氢电池回收稀土（有关于稀土的一节AAA电池克）在其网站安特卫普，在与法国Solvay公司的合作伙伴关系。同样地，日本的汽车制造公司本田宣布今年三月该公司已经制定了自己的金属氢化物电池回收计划，该公司计划用2011年在日本地震和海啸中受损的汽车来测试这种电池。关键材料研究所(Critical Materials Institute)正在开发一种方法，将旧磁铁熔化到液态镁中，以过滤出稀土元素。“说到回收利用，一切皆有可能，”Kuehr说。“这是一个是否经济的问题。”

之一在电子垃圾回收最难的步骤简单地获得电池或其他关键金属富组件从较大的装置或机器的。这是一个琐碎的，但复杂的任务，往往交给低工资工人的地方，如中国和尼日利亚。在中国南方的贵屿地区，例如，超过10万人的工作拆开电子垃圾，沸腾起来的电路板，以去除塑料再浸提金属与酸，要冒很大的风险的环境和自己。不受控制的燃烧导致受污染的地下水，并一项研究发现铅含量升高居住在贵屿儿童。日本是在努力，这些过程，使他们可以通过机器的经济和安全进行自动化的前列，国王说。

Apelian说，比技术更重要的是政策和教育。在一项对美国从塑料到金属等约20种产品回收率的研究中，回收率最高的是主要用于汽车的铅酸电池。它们的回收率是98%，而铝罐的回收率只有50%。阿佩利安说，原因是政府对铅的担忧，给了汽车公司自身回收电池的经济刺激。

举证责任，Apelian说，必须被提上了生产厂家回收和再利用自己的产品，所以他们使他们更容易重新使用或在首位掰开：“我们需要生产恢复这几乎是不可存在的“。

展望未来回收

从长远来看，稀土元素的需求预计将趋于平稳，回收或许是其最佳出路。例如，随着荧光灯最终被更小的led取代，对铽和铕的需求可能会减弱。但对于其他元素，比如钕，这不是唯一的解决方案。“现在我们需要为你的智能手机耳机添加少量的钕，”King说。“但对于高性能风力涡轮机需要大约两吨。”

对于需求预计会增加的稀土元素，一种选择是开矿。美国物理学会2011年的一份报告指出，中国目前在稀土开采中占据主导地位，部分原因是土地复垦的环境标准更加宽松，使其成本更低。但其他地方也有资源。据金说，全世界大约有450个潜在的稀土矿正在被研究。有一些是相当高级的。加州帕斯山(Mountain Pass)稀土矿部门在2002年被中国淘汰后，今年重新开业。

尽管生产能力一些初步的失望，王认为，合资企业将取得成​​功。同样，韦尔德山矿在澳大利亚的稀土正在加快。这些努力，除其他外，在过去两年减少中国生产的份额从97％的约90％，金说。

当处理的材料只有少量使用时，很难发展规模经济。例如，2009年全球对碲的需求仅为200吨。所有这些都是铜矿或金矿开采的副产品。虽然碲极贵，每公斤145美元，但这一小笔钱很难给这些矿业公司的利润表带来一丝波动。金说:“他们必须被带进制作过程，又踢又叫。”

另一个选择是提高采矿过程的效率。至于稀土，金说，矿业公司基本上是把岩石磨碎，扔到水里，然后在里面吹泡泡:含有稀土的矿物往往会漂浮起来，可以从顶部被刮走。但金说，这只捕获了铁矿石中65%的稀土元素。他的研究所正在使用美国能源部的超级计算机寻找可能与元素结合并帮助它们漂浮的分子。金说:“如果我们能发明一种仙尘洒到水中，使其从65%降至75%，就能立即提高稀土产量，而无需开新矿。”他希望这一策略能在一两年内取得成功。

最后一个办法是找那些不需要摆在首位这么多的关键要素替代材料。这是一个艰巨的任务。“在稀土是一种魔力，”金说，在其性能方面。他们是磁铁的关键因素，例如，因为这样他们缠斗铁强，但不羁的磁特性 - 没有任何其他因素似乎能够做到的任务。企图让更强大的磁铁，没有任何稀土研究工作被认为是一个长镜头。但是，王说，“我们可能不会让他们全力以赴，但我们可以得到最昂贵和最罕见[稀土]了。”

国王仍然是乐观的。他指出，与有限资源的斗争由来已久。大约2000年前的青铜器时代导致了铜的枯竭。作为回应，金说，古人回收青铜，寻找新的矿藏，并花了200年的时间优化可用但不太理想的替代品——铁——来做同样的工作。今天的解决方案都是一样的，尽管希望找到合适的替代品不会花那么长时间。金说:“这不会再花费我们200年的时间。”“我们要拍两张。”

这个故事最初出现在耶鲁环境360博客。金块摄维塔利Korovin通过上面。