Il paradosso delle Terre Rare: indispensabili per la green economy ma poco sostenibili

Diciassette elementi chimici della tavola periodica – scandio, ittrio e i lantanidi – oggi presenti praticamente in ogni oggetto elettronico (e in tanti altri) della nostra quotidianità. Le terre rare rappresentano non solo una materia prima molto ricercata e utilizzata nei dispositivi elettronici e tecnologici dell’era contemporanea – comunicazioni, i trasporti, l’energia e persino la medicina –  ma un vero e proprio nodo ecologico, economico e geopolitico dei nostri tempi visto che la loro estrazione non è affatto esente da problemi di inquinamento e di contese internazionali. Basti pensare che nel film, Don’t look up con Leonardo DiCaprio, i poteri forti vedono nell’imminente precipitazione di una cometa sulla terra, non la devastazione del Pianeta ma una grande opportunità di accaparramento di questi metalli tecnologici.

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Che cosa sono le terre rare

Secondo la definizione della IUPAC, le terre rare (in inglese rare-earth elements o rare–earth metals) sono un gruppo di 17 elementi chimici della tavola periodica, precisamente scandio, ittrio e i lantanoidi. Vengono abbreviate in RE (Rare Earths), REE (Rare Earth Elements) o REM (Rare Earth Metals) e vengono anche suddivise in leggere (LREE, dal lantanio al promezio), medie (MREE, dal samario all’olmio) e pesanti (HREE, dall’erbio al lutezio). Il termine deriva dai minerali dai quali vennero isolati per la prima volta, che erano “ossidi non comuni” trovati nel minerale nero itterbite (noto anche come gadolinite) estratto da una miniera nel villaggio di Ytterby, in Svezia nel  1787 da Carl Axel Arrhenius.

L’elenco

Ecco di seguito l’elenco delle terre rare con il numero atomico corrispondente e la sigla.

• 21     Sc      Scandio
• 39     Y        Ittrio
• 57     La      Lantanio
• 58     Ce     Cerio Da Cerere, dea romana della fertilità.
• 59     Pr      Praseodimio
• 60     Nd     Neodimio
• 61     Pm    Promezio
• 62     Sm    Samario
• 63     Eu     Europio
• 64     Gd     Gadolinio
• 65     Tb     Terbio
• 66     Dy     Disprosio
• 67     Ho     Olmio
• 68     Er      Erbio
• 69     Tm    Tulio
• 70     Yb     Itterbio
• 71     Lu      Lutezio

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Terre rare, un po’ storia

In realtà, a parte il promezio che è molto instabile, gli elementi delle terre rare si trovano in concentrazioni piuttosto elevate in tutta la crosta terrestre. Dopo la scoperta dell’itterbite, poi analizzata da Johan Gadolin, professore dell’Università di Turku che trovò un ossido sconosciuto che chiamò “ytteria”, Anders Gustav Ekeberg isolò il berillio dalla gadolinite ma non riuscì a riconoscere gli altri elementi contenuti nel minerale.

Nel 1794, un minerale proveniente da Bastnäs vicino a Riddarhyttan, in Svezia, che si pensava fosse un minerale di ferro e tungsteno, fu riesaminato da Jöns Jacob Berzelius e Wilhelm Hisinger. Nel 1803 essi ottennero un ossido bianco che chiamarono “ceria” mentre Martin Heinrich Klaproth scoprì indipendentemente lo stesso ossido, che chiamò “ochroia”. Insomma, dopo circa 15 anni, nel 1803 erano quindi note solo due terre rare, l’ittrio e il cerio, e ci vollero 30 anni ai ricercatori per determinare gli altri elementi contenuti in quei minerali (la loro separazione era molto difficile a causa delle loro proprietà chimiche molto simili). Dal 1839 fino ai primi anni del Novecento vennero quindi separati e scoperti tutti gli altri elementi. Oggi, le principali fonti di terre rare sono i minerali bastnasite, monazite e loparite e le argille lateritiche che si trovano in abbondanza sulla terra ma sono più difficili da estrarre rispetto alle equivalenti fonti dei metalli di transizione e per questo piuttosto costose. Ecco perché il loro uso industriale è stato molto limitato in passato almeno fino agli anni 50 e 60, quando con innovative tecniche di separazione –  come lo scambio ionico, la cristallizzazione frazionata e l’estrazione liquido-liquido – il loro uso ha subito un’accelerazione sorprendente.

Perché le Terre Rare sono così importanti e ricercate?

Ma a cosa servono le terre rare e perché sono così ricercate? Le loro caratteristiche “tecnologiche” sono tantissime: dal punto di vista chimico, presentano elevate capacità di conduzione e magnetiche e per questo vengono impiegate in molti campi. Le terre rare si trovano in tantissimi oggetti perché sono superconduttori; magneti; alliganti in numerose leghe metalliche; catalizzatori; componenti di veicoli ibridi; applicazioni di optoelettronica (ad esempio laser Nd:YAG); fibre ottiche; risonatori a microonde. Inoltre, gli ossidi delle terre rare sono mescolati al tungsteno per migliorare le sue proprietà alle alte temperature per saldature, rimpiazzando il torio che può risultare pericoloso da lavorare.

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Terre rare e ambiente

L’insostenibilità ambientale (e sociale) del processo di estrazione delle terre rare è davvero un problema di dimensioni enormi. L’estrazione di materia comporta infatti un elevato degrado ambientale, nonché rischi per la salute e contaminazione del suolo e delle acque. E ovviamente, in vari casi, c’è anche la questione del lavoro minorile e dello sfruttamento della manodopera a basso costo.

Ma se i movimenti ambientalisti chiedono a gran voce la chiusura di miniere e luoghi estrattivi causa di inquinamento di aria, acqua e terra circostanti, è pur vero che l’economia mondiale è ormai legata a doppia mandata all’alta tecnologia. In pratica sarebbe necessario che l’estrazione dei REE non fosse più indispensabile per l’era tecnologica contemporanea. Le alternative però sono davvero poche, almeno al momento.

Per diminuire la dipendenza dalle Terre rare ci sarebbero la diversificazione delle fonti, la riduzione del loro impiego, il riciclo. E se la prima opzione è già in atto, per quanto riguarda la riduzione dell’impiego e la sostituzione si fa affidamento alla comunità scientifica che al momento non ha dato grandi alternative o almeno non alternative che darebbero le stesse prestazioni con l’utilizzo di meno elementi.

Una soluzione ampiamente caldeggiata è quella del riciclo che però non risolverebbe immediatamente il problema, dato che al momento solo l’1% dei RAEE viene riciclato. Resta il fatto che la questione Terre rare rappresenta uno dei nodi più controversi della transizione ecologica, poiché questi materiali sono indispensabili ma creano un vero e proprio paradosso: inquinamento per l’estrazione di prodotti poco inquinanti e necessari per la green economy.

Le possibili alternative

Oggi vengono studiate varie alternative di estrazione, come quelle plant-based o microbial-based, che attraverso biotecnologie o tecnologie biogeochimiche permettono di estrarre senza i rischi ambientali attuali.

Si tratta di metodi che di sicuro avrebbero una buona resa in termini di costi energetici e di sostanze chimiche nocive ma che non sono ancora in grado di sostituire la tecnologia attuale. Altre soluzioni vengono dall’economia circolare. Di recente, infatti, si investe in tecnologie per cercare di recuperare le terre rare da fonti secondarie, siano esse il recupero degli scarti da altri impianti minerari, oppure il riciclo dei materiali già sul mercato. La soluzione migliore sembrerebbe oggi quella del riciclo: riutilizzare le terre rare presenti nei dispositivi dismessi. Questo permetterebbe di ridurne l’impatto ambientale, ma anche di risolvere il problema della dispersione di questi elementi nell’ambiente a fine utilizzo. La ricerca avanza, quindi, su tutti i fronti, sia nel miglioramento dei metodi estrattivi sia in nanotecnologie, anidride carbonica supercritica o grafene: oggi però viene recuperato dai rifiuti solo l’1% delle terre rare.

Lavorazione delle terre rare in Cina – Foto Shutterstock

La questione geopolitica e il monopolio cinese

Tutte le terre rare pesanti del mondo (come il disprosio) provengono da depositi cinesi come quello di Bayan Obo, anche se miniere illegali di terre rare sono comuni nella Cina rurale e sono note per rilasciare rifiuti tossici nelle risorse idriche. Per evitare carenze e il monopolio cinese sono state cercate altre fonti di terre rare, specialmente in Sudafrica, Brasile, Vietnam, Canada e Stati Uniti. Una miniera di terre rare in California è stata riaperta nel 2012, mentre altri siti importanti sono quelli canadesi di Thor Lake nei Territori del Nord-Ovest e del Quebec. In linea di massima, la maggior parte della fornitura attuale di ittrio si origina da depositi di argille della Cina meridionale e forniscono concentrati contenenti circa il 65% di ossido di ittrio.

Ovviamente, l’interesse per i REE è cresciuto insieme all’evoluzione tecnologica e alla transizione energetica ma la dipendenza mondiale da questi materiali porta con sé varie criticità legate ai processi estrattivi e produttivi che rientrano, ad oggi, in una sorta di “quasi monopolio” cinese, cresciuto fino alla crisi del 2010, quando le economie più avanzate hanno iniziato a cercare alternative all’import dei REE dalla Cina. Se infatti, verso la fine del secolo scorso anche l’America vantava una sorta di bacino di estrazione e produzione, le miniere in California vennero chiuse quando i prezzi cinesi si dimostrarono molto più convenienti, ma questo diede il via al processo che portò al monopolio cinese: i paesi delegarono infatti l’attività di estrazione e produzione di Terre rare, a causa delle criticità ambientali e sociali e delle regolamentazioni vigenti nei vari paesi, ottenendo ciò che il loro mercato di prodotti finiti richiede, senza inquinare il loro stesso territorio. Dal canto suo, la Cina poteva contare sul supporto governativo alla ricerca (è anche tra i maggiori investitori nella ricerca di rinnovabili), la protezione delle risorse di REE e la produzione non regolata e il basso costo di produzione rispetto a quello esteri.

Dal 2011 cominciarono ad arrivare restrizioni sia per ragioni ambientali sia di predominio e la Cina comincia a restringere le esportazioni, con una legge che permette anche di limitare l’esportazione di terre rare nei confronti di quei paesi che minacciano gli interessi della nazione. Di fatto, oggi la produzione di REE è in mano a quattro paesi con Cina (58%) e Stati Uniti (16%) che ne rappresentano la maggioranza produttiva. E tanti Paesi, tra cui l’Unione europea stanno cercando alternative per diminuire la dipendenza da queste materie prime e soprattutto dai paesi produttori.

Di fatti, se gli USA puntano sulla Energy Resource Governance Initiative che prevede il coinvolgimento di Europa e Giappone; in Europa sono attivi alcuni programmi per il riciclo e la ricerca di alternative tra cui e EXMAMA (Exploring new magnetic materials from first-principles).

Unione Europea in cerca di soluzioni

Per quanto riguarda l’Unione Europea, in particolare, la dipendenza dalla Cina per le Terre rare e altre materie prime è molto evidente e l’adozione del Green Deal europeo e della transizione ecologica spinge verso un’emancipazione da questo legame. Nonché verso un’emancipazione possibile dal largo utilizzo di Ree, tanto che non mancano esperienze di privati e consorzi che puntano su tecnologie senza Terre rare come l’Emobility senza Terre Rare.

La strategia europea, negli ultimi anni, mira quindi a una certa indipendenza che è evidente anche con l’Erma – Alleanza europea per le materie prime – che punta al rafforzamento e diversificazione dell’approvvigionamento interno ed esterno dell’UE sulle Terre Rare, cercando progetti sul suolo europeo che possano essere operativi per il 2025. Tuttavia, le difficoltà di recupero e riciclo di questi materiali si scontrano con gli obiettivi per un’economia circolare che rientrano in Agenda 2030 e nel Green Deal. Inoltre, comunità e associazioni ambientaliste si schierano in modo sostenuto contro progetti di siti minerari che potrebbero compromettere gli ecosistemi e gli habitat di specie protette e sede di siti archeologici. In pratica, anche se le strategie, gli studi e i conflitti ambientali e sociali intorno alle terre rare sono tanti e di vari tipi , la questione non appare affatto facile da dirimere.

Maria Enza Giannetto