Harvinaiset maametallit pyörittävät maailmaa - Kemia-lehti

Harvinaisetmaametallitpyörittävät maailmaaModerni yhteiskuntaei tule toimeen ilmanmaametalleja. Arvoaineistauhkaa kuitenkintulla huutava pula,sillä niiden tuotantoahallitseva Kiina onvääntänyt vientihanatlähes kiinni.Jarmo Wallenius2000-luvulla ihmiskunta on – paljoltiomaa syytään – ajautunut vaikeuk-HopeanhohtoisetREEmetallitovatkietoneet kokomaailman pauloihinsa.Ilmanniitä modernitietoyhteiskuntalamaantuisi.James Cameronin Avatar-elokuvassaeletään 22. vuosisadan puoliväliä. AlphaCentaurin kaksoistähtien PolyphemusplaneetanPandora-kuuhun lähetetty siirtokuntaetsii kuun kamarasta arvokasta,harvinaista metallia nimeltä unobtanium.20 miljoonaa dollaria kilolta maksavallaaineella on poikkeuksellisia magneettisiaja suprajohtavia ominaisuuksia.Ihmiskunnan ei onneksi tarvitse lähteäjahtaamaan ”tavoittamattomia” alkuaineita4,37 valovuoden päähän. Harvinaisiamaametalleja (rare earth element,REE) on sekä jalkojemme alla että rikastettuinajokapäiväisessä käytössämme.Moderni informaatioyhteiskunta eipyörisi ilman harvinaisia maametalleja.Autot eivät rullaisi maanteillä, digitaalinendata ei tallentuisi tietokoneenkovalevylle eikä siirtyisi nopeasti optisiakuituja pitkin. Teletekniikka, viihde-elektroniikkaja oraalla oleva vihreäteknologia olisivat pulassa ilman REEaineitaja -yhdisteitä. Niitä tarvitsevatmyös energiantuotanto ja lentokoneteollisuus.REE-aineita on luonnehdittu 21. vuosisadanöljyksi ja niiden etsintää uudenMaailman tunnetut REE-varannotovat noin 110 miljoonaa tonnia,jotka jakautuvat seuraavasti:ValtioProsenttiosuusKiina lähes 50IVY-maat 17Yhdysvallat 12Intia 3Australia 2Muut maat yhteensä yli 16Lähde: USGS Mineral Commodity Summaries2011 / Critical Materials Strategyvuosisadan kultakuumeeksi. Etsintämyös tuottaa tuloksia, sillä prometiumialukuun ottamatta harvinaisia maametallejalöytyy luonnosta paljon. Yleisintä eliceriumia on maankuoressa yhtä paljonkuin kuparia ja harvinaisintakin, tuliumia,200 kertaa enemmän kuin kultaa.Harvinaisiksi REE-aineita nimitetäänsiksi, että ne esiintyvät hyvin pieninä pitoisuuksina,eivät koskaan yksinään, jajopa 200 erilaisessa mineraalityypissä.Harvinaiset maametallit eivät kykenehelposti rikastumaan maankuoressa malmeiksi,ja niiden eristäminen toisistaanon vaikeaa. Kaikki tämä tekee kaivostoiminnastakallista ja hankalaa.HuolestuttavaKiina-ilmiö12 KEMIA 1/2012

Seitsemäntoistasäihkyvää ainettaHarvinaiset maametallit ovat harmaitaja hopeanvärisiä, kiiltäviä, pehmeitä,taipuisia ja helposti muokattaviareaktiivisia alkuaineita, joilla on poikkeuksellisiakemiallisia ja fysikaalisiaominaisuuksia.Harvinaisiin maametalleihin kuuluujaksollisen järjestelmän kolmannenryhmän 17 alkuainetta: skandium(järjestysluku 21) ja yttrium (39) sekäkaikki 15 lantanoidia (57–71) eli lantaani,cerium, praseodyymi, neodyymi,prometium, samarium, europium,gadolinium, terbium, dysprosium,holmium, erbium, tulium, ytterbiumja lutetium.Aineet skandiumista samariumiinluetaan raskaisiin (HREE) ja aineetsiin päästämällä Kiinan hallitsemaanREE-markkinoita lähes yksinään. Kiinanosuus maailman tämänhetkisestä135 000 tonnin vuosituotannosta on 97prosenttia.europiumista lutetiumiin kevyisiinmaametalleihin (LREE).Kolme kaupallisesti tärkeintä mineraalia,joista REE-aineita saadaan,ovat monatsiitti, bastnäsiitti ja ioniadsorptiosavi.Monatsiitti ja bastnäsiittiovat kevyiden LREE-aineiden lähteitä.Ioniadsorptiosavesta taas löytyyraskaampia HREE-metalleja.Uloimpien elektronien samanlaisenjärjestyksen vuoksi harvinaisetmaametallit voivat korvata toisiaankiderakenteissa. Elektronikuorten samankaltainenluonne antaa niille yhteneviäominaisuuksia, joita ovat esimerkiksielektropositiivisuus ja poikkeuksellisetmagneettiset ja optisetominaisuudet.Lisäksi Kiinalla on hallussaan puoletkaikista tunnetuista harvinaisten maametallienreserveistä. Valtaosa maannykyisestä REE-tuotannosta on peräisinKeski-Mongoliassa sijaitsevastaBaotoun kaivoksesta.Vielä 1980-luvulla maailman silloisesta60 000 tonnin vuosituotannosta tuliKiinasta vain reilu neljäsosa. Idän jättiläinenalkoi kuitenkin kehittää strategiaansatarjoamalla REE-metalleja niinedullisesti, että jopa Yhdysvallat joutuikannattavuussyistä sulkemaan parhaankaivoksensa vuonna 2001.Viime vuonna Mountain Passin kaivosKaliforniassa päätettiin tosin käynnistääuudelleen, kun Kiina oli viime vuosikymmenenpuolivälistä lähtien systemaattisestivähentänyt REE-metallejasisältävien mineraalien vientiä. Nyt Kiinahaluaa jalostaa ne arvokkaiksi lopputuotteiksiitse.Todelliseen pulaan jouduttiin, kun Kiinavuonna 2010 pudotti vientinsä 24 000tonniin. Kysyntä maailmalla on reilustisuurempi. Jo vuonna 2007 harvinaisiamaametalleja käytettiin erilaisten tuotteidenvalmistukseen 100 000 tonnia, kertooYalen yliopiston tutkijoiden raportti.Määrän arvioidaan kaksinkertaistuvanvuoteen 2015 mennessä.Kun REE-aineiden käyttökohteidenlukumäärä lisäksi kasvaa nopeasti, harvinaistenmaametallien hinnat ovat moninkertaistuneetmuutamassa vuodessa.Pebby Greb/USDA ARSHarvinaisten maametallien oksideja ryhmäkuvassa. Takana keskellä tumma praseodyymi, siitä myötäpäivään cerium,lantaani, neodyymi, samarium ja vasemmassa yläkulmassa suomalaisen Johan Gadolinin kunniaksi nimetty gadolinium.1/2012 KEMIA13

ScanstockphotoJoidenkin hinta on kausiluontoisesti jopasatakertaistunut.Pakon edessä käyntiin on polkaistu satakuntauutta kaivosprojektia eri puolillamaailmaa Grönlannista ja KanadastaBrasiliaan ja Etelä-Afrikkaan, Tansaniastaja Australiasta Malesiaan ja Vietnamiin.Otollista aluetta uusille löydöilleon myös Suomi ja muu Fennoskandia,sillä täälläkin on samanlaista vanhaa prekambristakilpeä.Uuden kaivoksen käyntiin saaminenvie kuitenkin kymmenisen vuotta. Toimintaahidastavat muun muassa tiukentuvatympäristölait. Kiinan ongelmanaMitä meillä olisiilman REE-aineita?Ei ainakaan iPodeja,ei tabletteja, läppäreitäeikä taulutelevisioita.on jo nyt myös laiton kaivostoiminta.Kierrätystä ja korvaaviatuotteita”Kiinan vienninrajoitustoimilla on sekätaloudellisia että poliittisia vaikuttimia”,korostaa professori Raimo Väyrynen,joka luennoi aiheesta tammikuisilla Tekniikanpäivillä. Rajoitukset ovat olleet iskuerityisesti Japanille, jonne Kiina syksyllä2010 kielsi REE-oksidien laivauksenkokonaan kalastusalusselkkauksenjälkeen.Väyrysen mukaan maailman kaup-Maametallit ovatmonessa mukana• Skandium (Sc) Alumiiniyhdisteinäpelimailoissa, polkupyörissä jalentokoneissa. Luonnollistamassaelohopealampun valoa.• Yttrium (Y) Lasereissa, suprajohteissa,laseissa, energiansäästölampuissa,loisteaineena tv-kuvaputkessa,kuituoptiikassa.• Lantaani (La) Kameran linsseissä,hiilikaarilampuissa, akuissa, krakkauskatalyyteissä.• Cerium (Ce) Hiontajauheena.Antamassa kellertävää väriä laseihinja keraamisiin kohteisiin.• Praseodyymi (Pr) REE-magneeteissa,lasereissa, magnesiumseoksenalentokoneen moottoreissa.• Neodyymi (Nd) Magneeteissa,tietokoneen kovalevyissä, tuuliturbiineissa,hybridiautoissa, korvakuulokkeissa,taulutietokoneissa jaMP3-soittimissa. Aseteknologissasovelluksissa, kuten ohjuksissa,lasertähtäimissä, helikopterin roottoreissa.Antamassa violettia väriälaseihin ja keraamisiin kohteisiin.• Prometium (Pm) Atomiparistoissa,kelloissa ja sydämentahdistajissa.• Samarium (Sm) Magneeteissa,lasereissa ja laseissa.• Europium (Eu) Loisteaineena tvkuvanpunaisen värin aikaansaamiseen.Energiansäästölampuissa jaoptisissa kuiduissa.• Gadolinium (Gd) Magneeteissa,tietokoneiden muisteissa, lasereissa,röntgenputkissa ja MR- ja NMRkuvantamislaitteissa,tulevaisuudenjääkaappien jäähdytystekniikassa.• Terbium (Tb) Loisteaineena loistejaenergiansäästölampuissa,magneeteissa.• Dysprosium (Dy) Magneeteissa,lasereissa, aseteknologisissasovelluksissa.• Holmium (Ho) Voimakkaissa teollisuusmagneeteissa,lasereissa jalaseissa.• Erbium (Er) Vahvistimena kuituoptisissasovelluksissa.• Tulium (Tm) Säädettävissä röntgenlaitteissa.• Ytterbium (Yb) Infrapunalasereissa,aseteknologisissa sovelluksissa.• Lutetium (Lu) PET-laitteistoissa,linsseissä ja laseissa, öljyteollisuudenkatalyyteissä.14 KEMIA 1/2012

ScanstockphotoJapanilainen Honda esitteli uudenhybridiautonsa vuonna 2011. Jokaisenauton akkuun tarvitaan kymmenkuntakiloa harvinaisia maametalleja.Rokokooajan löytöEnsimmäiset REE-metallit löydettiinharvinaisista oksidimineraaleistavuonna 1787 Ytterbyn kylästä Tukholmansaaristosta, vain kivenheiton päässänykyisten ruotsinlaivojen reitiltä.Aivan ensimmäistä mineraalia kutsuttiinaluksi ytterbiitiksi, mutta vuonna1800 se sai uudeksi nimekseen gadoliniittiTurun akatemian professorinJohan Gadolinin mukaan. Hän oli jovuonna 1789 onnistunut eristämäänluutnantti Carl Axel Arrheniuksenlöytämästä mineraalista tuntemattomanalkuaineen, yttriumin, oksidia.Vuonna 1803 Ruotsin Bastnäsistälöytyi tavallisinta REE-ainetta, ceriumia,joka 25. yleisin alkuaine. Runsaassasadassa vuodessa kyettiin eristämäänkaikki luonnossa esiintyvät 16pajärjestö WTO on tuominnut Kiinanvienninrajoitustoimet laittomina. ”Kiinaon torjunut väitteet, mutta ei toisaaltaole sulkenut pois mahdollisuutta muuttaapolitiikkaansa. Tilanne elää.”Muun muassa Venäjä on lupautunuttarpeen tullen huolehtimaan SaksanREE-kysynnästä.Japanilaiset ovat jo kehittämässä omiaratkaisujaan. Hitachi ja Toyota ovat alkaneetkierrättää harvinaisia maametalleja,joita arvioidaan löytyvän elektroniikkatuotteista,kovalevyjen magneeteista, ilmanvaihtojärjestelmienmoottoreista jahybridiautojen akuista 300 000 tonninverran.Sekä Japanissa että Yhdysvalloissaetsitään aktiivisesti myös REE-magneettienkorvaajia. Voimakkaisiin magneetteihinhupenee vuosittain viidennesharvinaisten maametallien kulutuksesta.REE-magneetteja onkin yritetty doupatamuilla aineilla. Lisäksi perinteisiä, alumiinista,nikkelistä, raudasta ja koboltistavalmistettuja kestomagneetteja on pyrittyparantamaan muun muassa sintrauksenkeinoin. Toistaiseksi tulokset ovattosin jääneet heikoiksi.Uutta valoa tilanteeseen tuo Tokionyliopiston tutkijoiden viime kesänä julkaisematutkimus. Tyynenmeren pohjaaporanneet geologit löysivät muutamanneliökilometrin alueelta REE-esiintymiä,REE-metallia. Viimeisinä löytyiväteuropium vuonna 1901 ja lutetiumvuonna 1908.Fennoskandialla on ollut tärkeä rooliREE-metallien historiassa. REE-aineitatuotettiin myös kaupallisesti ensimmäiseksiRuotsissa ja Norjassa. Niidenkaivosten monatsiitti-mineraalistalöytyi lantaani- ja yttriumoksideja, joitakäytettiin vuonna 1884 aloitetussahehkulamppujen valmistuksessa.Toden teolla harvinaisia maametallejaryhdyttiin kuitenkin etsimäänja hyödyntämään vasta 1950-luvulla.REE-aineiden varsinainen kaupallinenkäyttö on jaettu kolmeen aikakauteen:monatsiitin aikaan 1950–1965, amerikkalaisenMountain Passin aikaan1965–1995 ja Kiinan aikaan 1995–.jotka ovat kaksi kertaa suurempia kuinKiinan tunnetut varannot. Japanilaistenmukaan merten pohjassa saattaa olla jopatuhat kertaa enemmän REE-aineitakuin mantereiden maankuoressa.Kirjoittaja on fyysikko ja tiedetoimittaja.jarmowallenius@hotmail.com1/2012 KEMIA15