¡Elementos en peligro! Understand article

Cuando se habla de recursos finitos, a menudo no se tienen en cuenta los propios elementos químicos. Tenga más información sobre los elementos en peligro.

Tabla periódica de los elementos en peligro
isak55, Shutterstock.com

Oímos hablar mucho de los peligros de daño muy reales que pueden tener los niveles crecientes de ciertas sustancias químicas en nuestro planeta, por ejemplo, los altos niveles de CO2 en la atmósfera o el plástico en los océanos. Sin embargo, rara vez oímos hablar de cómo la disminución de la disponibilidad de algunas sustancias químicas podría alterar nuestras vidas. Quizá le sorprenda saber que muchos elementos fundamentales para nuestra sociedad tecnológica escasean.

Los elementos son las sustancias químicas más simples y, por lo general, no se pueden generar sintéticamente (al menos no en cantidades significativas). Son un recurso finito y, una vez que hayamos agotado el suministro existente en nuestro planeta, actualmente no hay forma realista de obtener más. Estudios recientes sobre  fuentes de elementos en la corteza terrestre han encontrado que hasta 35 elementos están «en peligro».

Una versión de la tabla periódica que destaca los elementos que corren el riesgo de agotarse.
Elementos en peligro: esta versión de la tabla periódica destaca los elementos que corren el riesgo de agotarse, desde suministro abundante (verde) hasta amenaza grave (rojo).
EuChemS, CC-BY-ND

En este artículo, explicamos por qué se considera que algunos elementos están en peligro, consideramos algunas de las tecnologías que se basan en las propiedades de estos elementos y pretendemos dar alguna esperanza para el futuro.

¿Por qué nos estamos quedando sin nada?

Algunos elementos importantes que necesitamos para diversas aplicaciones empiezan a escasear por varias razones.

Razón de la criticidadElementos de ejemploUsos
Poca abundancia en la corteza terrestreHelioEscáneres de resonancia magnética, criogénicos
Reto / extracción costosaElementos de tierras rarasCADA dispositivo electrónico, aplicaciones energía renovable
Extracción peligrosaLantanoCoches híbridos, petróleo refinado
Deterioro del medio ambiente de la minaTodos los minerales extraídos, por ejemplo, itrio y escandioMUCHOS propósitos
Solo obtenido como subproducto.GalioSemiconductores utilizados en microcircuitos
Vulnerable a la pérdida de suministro y a la minería conflictivaCobalto y elementos de tierras rarasBaterías ion litio
A medical MRI Scanner
Un escáner de resonancia magnética médico
Jan Ainali/Wikimedia, CC-BY-3.0

Poca abundancia

Un ejemplo de un elemento de baja abundancia es el helio. El helio es el segundo elemento más abundante en el universo visible, ya que se crea en las estrellas mediante fusión nuclear desde hace miles de millones de años. Sin embargo, es un ejemplo de un elemento de baja abundancia en la Tierra debido a su baja densidad y su naturaleza inerte, con suministros que empiezan a escasear. El helio líquido tiene muchos usos importantes, como en escáneres de resonancia magnética.

Desafío de extracción

El resto de elementos en peligro son metales que se obtienen mediante la extracción y procesamiento de minerales. Un ejemplo son los elementos de las tierras raras (ETR), que son metales de transición ubicados principalmente en la serie de los lantánidos. En todos los aparatos electrónicos hay uno o varios ETR, y la mayoría de las personas en los países desarrollados ahora tienen varios aparatos electrónicos, con 10 millones de teléfonos nuevos comprados cada mes solo en la UE.[1] Los ETR no se encuentran en altas concentraciones en los minerales, por lo que es difícil y caro obtenerlos en grandes cantidades.

Una infografía que muestra todos los elementos incluidos en un teléfono inteligente
Elementos dentro de un teléfono móvil
Copyright: Compound Interest 2014, CC BY-NC-ND 4.0

Incluso la reducción de las emisiones de carbono tiene un lado más oscuro. Las tecnologías para las energías renovables utilizan a menudo ETR además de otros metales. El neodimio, praseodimio y disprosio se utilizan en los generadores de electricidad de las turbinas eólicas. Además, el indio y el galio (que no son ETR pero que también son difíciles de extraer) se utilizan como dopantes para modificar las propiedades de los semiconductores, que se utilizan ampliamente en la fabricación de paneles solares.

A medida que aumenta la demanda mundial de alternativas a los combustibles fósiles, se prevé que también aumente la demanda de estos metales.

La energía solar fotovoltaica [Recuadro 1 de la información complementaria] requiere 13 t de indio y 4 t de galio por gigavatio (GW). Para la energía eólica, actualmente se requieren 200 t de neodimio y 13 t de disprosio por GW.[2] Se espera que la demanda de estos elementos aumente hasta un 700% y un 2600% para el neodimio y el disprosio, respectivamente, en los próximos 25 años.[3]

Gráfico que muestra la demanda prevista de seis metales utilizados en las tecnologías renovables en los Países Bajos.
De Metal demand for renewable electricity generation in the Netherlands, Ministerio de Infraestructura y gestión del agua, Ámsterdam, 2017

Extracción peligrosa

El mineral monacita contiene lantano, pero también los elementos radiactivos torio y uranio. El lantano es un componente clave en las actuales baterías de automóviles híbridos (con un promedio de 15 kg por automóvil [4]) [Recuadro 2] y se utiliza en catalizadores para el refinado del petróleo. Como el mineral es radiactivo, la extracción de monacita es intrínsecamente peligrosa y costosa, y el almacenamiento, transporte y eliminación de materiales de desecho son todos más costosos.

Deterioro medioambiental de la minería

Vista aérea de una mina de oro a cielo abierto
Mina de oro Sunrise Dam, Australia Calistemon/Wikimedia, CC BY-SA 4.0

La extracción de minerales suele ser perjudicial para el medio ambiente, ya que a menudo implica la eliminación de vegetación y árboles, la erosión de las rocas y la contaminación de los suministros de agua locales. Históricamente, esto era particularmente problemático en el caso de los ETR ya que se practicaba la minería de ETR no regulada para mantener los precios bajos, y los líquidos contaminados utilizados para extraer los ETR se almacenaban en piscinas abiertas, de las cuales pueden filtrarse al suministro de agua cuando se producen deslizamientos de tierra. Esto ocurría anteriormente con todos los ETR, sin embargo, una regulación más estricta en los últimos años ha reducido este problema.

Obtenido solo como subproducto

No hay minas de galio porque la concentración de galio en los minerales es muy baja. El galio se obtiene como un subproducto de la fundición del aluminio [Recuadro 3] y del zinc y se usa para fabricar semiconductores, que se emplean en muchos dispositivos electrónicos, con un uso de galio 10 veces mayor en los teléfonos inteligentes actuales en comparación con los modelos más antiguos.[5] Si se quiere más galio, hay que fundir más aluminio o zinc, lo cual libera CO2 (760 megatoneladas / año para el aluminio [6, 7]) y también provocaría la caída de los precios del aluminio y el zinc, lo cual causaría problemas económicos.

Vulnerable a la pérdida de suministro

Muchos ETR se producen predominantemente en determinadas partes del mundo. Esto puede generar problemas de suministro si hay inestabilidad política o el país productor decide limitar la oferta. La escasez da lugar a subidas de precios, y estos cambios rápidos provocan el caos en el mundo de la tecnología y las finanzas.

Mapa mundial que muestra el porcentaje de cada sustancia crítica que produjo cada país en 2017.
Reproducido de la Ref. [8].

También está la cuestión de los recursos conflictivos: materiales que a menudo dependen de mano de obra infantil o esclava, o condiciones y técnicas mineras peligrosas no reguladas. Los beneficios también pueden utilizarse para financiar conflictos brutales. Se sabe que el cobalto, una parte importante de la mayoría de las baterías de iones de litio [Recuadro 4], junto con el tantalio y el tungsteno, son recursos conflictivos. Los gobiernos están empezando a imponer leyes más estrictas a las empresas de tecnología, con «pasaportes de materiales» para reducir la conflictividad de la minería.

¿Seguro que hay alguna esperanza?

Uno de los principales objetivos de la ciencia es encontrar soluciones a los desafíos actuales, ¡y eso es lo que está haciendo! Podemos reducir, reutilizar, reciclar, sustituir, mejorar la fabricación o encontrar nuevas fuentes.

No lo actualices; ¡durará más de lo que piensas!

Una de las primeras cosas que podemos hacer es reducir el consumo innecesario. Los anunciantes nos condicionan a querer el último dispositivo, pero su modelo actual puede durar fácilmente más de unos pocos años. Si te dejas llevar por el «último grito tecnológico» interior, no tires el viejo ni lo olvides en un cajón.

  • Dona lo que todavía funciona. Hay muchas organizaciones benéficas que aceptan tecnología «antigua» que funcione.
  • Envíalos a una planta de reciclaje o al fabricante (muchos tienen programas de reciclaje y / o intercambio).

Universal recycling logo
Logotipo de reciclaje universal

¿Se te acaba algo? ¡Recicla!

Reciclaje:

  1. Evita que el planeta se quede sin materias primas
  2. Reduce la necesidad de minería perjudicial para el medio ambiente.

3. Puede suceder en cualquier lugar

4. Puede generar puestos de trabajo locales

Algunos elementos se reciclan ampliamente, como el wolframio, que se utiliza en la fabricación de herramientas de minería y construcción. Sin embargo, este no es el caso de la mayoría de los elementos en estado crítico, el 77% de los cuales solo se reciclan el 10% de las veces.[8] A menudo, esto se debe a que el elemento se utiliza en el producto en cantidades mínimas y no es fácil de recuperar. La suma total de estas pequeñas cantidades, según una estimación del 2018, ascienden a aproximadamente 1.200 millones de toneladas de desechos electrónicos (que contienen ETR y metales preciosos) que no se reciclan y, en cambio, entran en los vertederos.[9]

El interior de un moderno teléfono inteligente
Los dispositivos electrónicos como los teléfonos inteligentes son conjuntos complejos de componentes individuales, lo que hace que el reciclaje sea más difícil.
Preechar Bowonkitwanchai, Shutterstock.com

Se están haciendo esfuerzos para aumentar el reciclaje de estos elementos críticos, sin embargo, este es un proceso costoso. Se requiere urgentemente un cambio de actitud en el mundo respecto al reciclaje de estos materiales.

¿Se pueden utilizar otros elementos?

An electric car recharging.
Recarga de coches eléctricos
Christopher Ziemnowicz/Wikimedia, public domain

La investigación actual se centra en cómo sustituir con elementos que no están en la lista de críticos, como el paso a utilizar baterías de litio-hierro-fosfato en lugar de níquel-cobalto-aluminio [Recuadro 2] para los coches eléctricos. Sin embargo, muchos elementos críticos no son fáciles de sustituir debido a sus propiedades únicas.

Nuevas fuentes

Se necesitan nuevas fuentes y hay varias en desarrollo:

•  Procesamiento de carbón [10] antes de su utilización. En el carbón se encuentran pequeñas cantidades de ETR que pueden extraerse mediante técnicas de intercambio iónico.

• Explotación de vertederos urbanos.[11] Actualmente no es rentable porque las concentraciones de cada metal en los vertederos son demasiado bajas, pero con el tiempo debería ser más viable.

•  Fito minería.[12]  Se sabe que algunas plantas son híper acumuladoras, que concentran en sus células los metales obtenidos del suelo. Cuando se plantan en un suelo que contiene minerales o residuos metálicos, las plantas absorben los metales, que luego pueden extraerse.

Sin embargo, la opción más barata sigue siendo la minería, y las empresas están realizando estudios en el fondo del océano para ver si se pueden explotar más recursos. Sin embargo, la explotación minera de los fondos marinos[13] explotación minera de los fondos marinos

Eros 433, asteroide pedregoso en una órbita cercana a la Tierra
NASA/NEAR Project (JHU/APL)/Wikimedia, Public Domain

Si todo lo demás falla, ¿podríamos extraer elementos de los asteroides?

Posiblemente. Los asteroides son trozos de roca rica en minerales que podrían extraerse. La minería de asteroides[14] puede parecer una ciencia ficción descabellada, sin embargo, hay empresas que buscan hacer precisamente esto. La NASA incluso buscó la posibilidad en el presupuesto federal de 2018  de  los EE. UU. Sin embargo, esto sería muy caro.

Sumario

En definitiva, todavía no estamos en una etapa de pánico mundial por la pérdida o la disminución del suministro de elementos específicos, sin embargo, podríamos estar mucho más cerca de lo que nos gustaría admitir. Un buen punto de partida es intentar reducir el consumo innecesario, cuidar el planeta y seguir aprendiendo.


References

[1] Un artículo sobre los elementos en peligro escrito por David Cole-Hamilton para el 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]Un artículo sobre metales raros de la Tierra y los coches híbridos del Kidela Capital Group: https://www.mining.com/rare-earth-metals-and-hybrid-cars/

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

[6] Artículo sobre la carrera de la industria del aluminio hacia cero carbono: 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. Comisión de la UE, Bruselas.

[9] Artículo de agro minería de Forbes: https://www.forbes.com/sites/aminmirkouei/2021/05/04/a-sustainable-way-to-mine-rare-earth-elements-from-old-tech-devices-agromining-explained/

[10] Un artículo de Science alert sobre la extracción de elementos de tierras raras a partir de residuos de carbón: 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 artículo en el sitio web de la University of Queensland sobre Fito minería: https://smi.uq.edu.au/leaders-energy-transition-sustainable-source-critical-metals-phytomining

[13]Un artículo en Nature sobre la explotación de los fondos marinos: https://www.nature.com/articles/d41586-019-02242-y

[14] Un artículo sobre la minería de asteroides en Interesting Engineering: https://interestingengineering.com/asteroid-mining-to-shape-the-future-of-our-wealth

Resources

Author(s)

Jonny Furze es asistente postdoctoral de divulgación y embajador en CTIM* de primaria y secundaria en Bristol ChemLabS, University of Bristol, Reino Unido (RU).

(*): Ciencias, tecnología, ingeniería y matemáticas

Tim Harrison es director de divulgación y comunicador científico residente en Bristol ChemLabS, University of Bristol, RU. Es un colaborador habitual de Science at School.




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