Abandonar los combustibles fósiles y adoptar tecnologías con menos emisiones de carbono son nuestras mejores bazas para mantener a raya la amenaza acelerada del cambio climático. El acceso a las llamadas tierras raras, ingredientes clave de muchas de estas tecnologías, determinará en parte qué países cumplirán sus objetivos de reducción de emisiones o de aumento de la proporción de electricidad generada a partir de fuentes alternativas a los combustibles fósiles. Pero algunas naciones, entre ellas Estados Unidos, están cada vez más preocupadas por si el suministro de esos elementos se mantendrá estable.
Según la Agencia Internacional de la Energía, se espera que la demanda de tierras raras alcance de tres a siete veces los niveles actuales en 2040; la demanda de otros minerales críticos, como el litio, podría multiplicarse por 40. Cumplir el Acuerdo de París de 2016, por el que las naciones firmantes están obligadas a reducir las emisiones para limitar el aumento de la temperatura global, requeriría que la oferta mundial de minerales se cuadruplicara en el mismo plazo. Al ritmo actual, el suministro va camino de apenas duplicarse.
La obtención de tierras raras comienza con la obtención de materiales básicos, lo que puede hacerse, a grandes rasgos, de tres maneras: extracción primaria, es decir, directamente de la tierra; recuperación de fuentes secundarias, como los aparatos electrónicos al final de su vida útil; y extracción de fuentes no convencionales, incluidos los residuos industriales como las cenizas de carbón y los productos de desecho de las minas. Pero China domina tanto el mercado —en 2021 controlaba el 60% de la producción mundial— que otros países están en desventaja. Después de que China anunciara restricciones a la exportación de galio, germanio y grafito en 2023, los países se apresuraron a buscar fuentes alternativas en previsión de futuras restricciones.
La extracción primaria en EE UU es limitada; solo una mina activa, la Mina e Instalación de Procesamiento de Tierras Raras de Mountain Pass, en California, produce tierras raras en el país. Abrir nuevas minas puede llevar décadas. Por ello, tanto los científicos como las empresas intentan aumentar el acceso y mejorar la sostenibilidad explorando fuentes secundarias o no convencionales.
Todas menos una de las 17 tierras raras figuran en una lista de 50 «materiales críticos» designados en 2022, lo que significa que son económicamente importantes pero vulnerables a la interrupción del suministro. Las 17, tales como el praseodimio (utilizado en los motores de los aviones), el gadolinio (utilizado en las imágenes por resonancia magnética) y el neodimio (utilizado en los discos duros de los ordenadores), incluyen la «serie de los lantánidos» (los 15 elementos con números atómicos del 57 al 71, cerca de la parte inferior de la tabla periódica), así como dos elementos químicamente similares. El término «raras» en la denominación «tierras raras» no se refiere a la cantidad disponible, sino a su amplia dispersión: es difícil encontrar una cantidad económicamente significativa en un solo lugar.
Una fuente no convencional de elementos de tierras raras son las cenizas de carbón, los residuos sólidos de la combustión del carbón en las centrales eléctricas. Históricamente, las cenizas de carbón se han mezclado a menudo con agua para formar una pasta que se almacena en estanques (también llamados embalses de superficie). Estas cenizas, que contienen elevadas concentraciones de tierras raras, podrían ser una importante fuente doméstica de estos materiales en las antiguas ciudades carboneras de EE UU, que se enfrentan a problemas debido al cierre de las centrales. Hay más de mil estanques de cenizas de carbón en Estados Unidos, la mayoría repartidas por el este del país. Una de las mayores instalaciones, Plant Barry, en el condado de Mobile (Alabama), contiene más de 21 millones de toneladas de cenizas repartidas en 600 acres.
Estos estanques no son inocuos: según la Agencia de Protección del Medio Ambiente de EE UU (EPA, por sus siglas en inglés), una gestión inadecuada de los mismos puede comprometer las vías fluviales, las aguas subterráneas, el agua potable y el aire a través de contaminantes como el mercurio, el cadmio y el arsénico. Un documento presentado por Earthjustice, una organización de derecho medioambiental sin ánimo de lucro, y Earthworks, una organización sin ánimo de lucro centrada en la prevención de los efectos destructivos de la extracción de petróleo, gas y minerales, en respuesta a una solicitud de información del Departamento de Energía de EE UU (DOE, por sus siglas en inglés) en 2023, señalaba que «el 91% de las centrales eléctricas que almacenan residuos de la combustión de carbón (RCC) contaminan las aguas subterráneas subyacentes hasta niveles que superan las normas federales sobre agua potable«. Los estanques también pueden desestabilizarse durante fenómenos meteorológicos extremos, y la inundación resultante de material contaminado puede destruir la fauna, dañar propiedades y amenazar la salud y la seguridad de la comunidad.
Una nueva empresa, Rivalia Chemical, cree que el peligro para la salud que suponen los estanques de cenizas puede resolverse reutilizando las cenizas para crear un suministro nacional de tierras raras. Laura Stoy, la ingeniera medioambiental que fundó Rivalia en 2021, afirma estar motivada tanto por las preocupaciones medioambientales como por el potencial de revitalización económica.
Stoy comenzó a desarrollar la tecnología insignia de Rivalia durante la escuela de posgrado en el Instituto de Tecnología de Georgia, y ahora está trabajando para escalarla dentro del programa Chain Reaction Innovations en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE. En 2019, Georgia Tech apoyó a la empresa emergente en la presentación de una patente (actualmente pendiente) para su tecnología, de la que Rivalia posee una licencia exclusiva.
Esa tecnología extrae tierras raras de las cenizas de carbón, dejando una solución rica en esos elementos y un sólido residual que contiene hierro y otros metales. Mediante pasos secuenciales de calentamiento y enfriamiento, las tierras raras se transfieren a un líquido iónico (una sal en estado líquido) a través de un mecanismo de intercambio de protones. Las técnicas de reducción basadas en ácidos y la lixiviación basada en sales pueden reducir la cantidad de hierro en la solución final, tras lo cual las tierras raras deben separarse más para producir metales puros u óxidos. Rivalia puede vender los productos primarios a empresas que se encargan de los pasos de procesamiento posteriores o a fabricantes que utilizan tierras raras, y vender los sólidos residuales a productores de hormigón. Stoy afirma que los esfuerzos de Rivalia producirán materiales que podrían utilizarse en productos más limpios y fuentes de energía alternativas. Además, podrían ayudar a reducir la huella de carbono de la producción de hormigón reutilizando los residuos sólidos como sustitutos del cemento Portland, un importante ingrediente del hormigón que genera muchas emisiones.
Rivalia prefiere trabajar con residuos existentes en lugar de con carbón que aún no se ha quemado. Este planteamiento es arriesgado; la extracción a partir de recursos no convencionales puede costar más que la minería, dadas las bajas concentraciones de tierras raras y la mayor concentración inicial de contaminantes tóxicos.
Aun así, según Stoy, se trata de una jugada estratégica ante la necesidad de diversificar el suministro. También es una oportunidad para aprovechar un material ampliamente disponible con pocos usos alternativos y un valor económico significativo; el valor de las tierras raras en las reservas de cenizas de carbón de EE UU se estimó anteriormente (según los precios de 2013) en 4.300 millones de dólares —unos 3.922 millones de euros, al cambio actual— y es probable que haya crecido desde entonces. Como empresa emergente bastante reciente, aún se encuentra en fase de I+D y actualmente se centra en reducir los costes de extracción.
“Quiero ser un actor dentro de un gran ecosistema en el que haya mucha gente que produzca tierras raras. Esa es la mejor perspectiva para todos”.
La carrera por producir tierras raras internamente en Estados Unidos es, al menos en parte, un intento de averiguar cómo hacerlo de forma económica; sin embargo, es poco probable que las empresas consigan que los costes de producción sean lo bastante bajos como para ser competitivos solo por su precio. Los expertos esperan que los consumidores estén dispuestos a pagar un coste extra, absorbiendo en parte el aumento de los costes.
«Esperemos que haya un mercado para un material de producción nacional que se produzca de forma respetuosa con el medio ambiente y con los trabajadores que producen el material», afirma Evan Granite, director del programa de mineral de carbón de la Oficina de Energía Fósil y Gestión del Carbono del DOE.
Los organismos reguladores han empezado a abordar el problema de las cenizas de carbón, por lo que las empresas emergentes que esperen utilizar este material tendrán que seguir de cerca la evolución de la situación. La EPA empezó a regular la gestión de los estanques de cenizas de carbón en 2015, tras los destructivos vertidos de 2008 y 2014. Una actualización recientemente propuesta de la norma de 2015 obliga a cubrir o excavar los estanques inactivos más antiguos que antes estaban exentos.
A raíz de la normativa de 2015, Earthjustice afirmó que cerrar los estanques tapándolos in situ es insuficiente si se encuentran a menos de metro y medio de las aguas subterráneas, y que en tales casos solo la excavación completa evitará daños futuros. Cualquiera de las dos opciones —tapado o excavación— dificultaría el acceso de empresas como Rivalia a las cenizas de carbón. Stoy considera que esta es una razón para actuar con decisión.
Stoy teme que se creen sin querer nuevos mercados para los subproductos del carbón, lo que podría poner en peligro las ambiciones de energía limpia del país. Irónicamente, si las empresas dejaran de utilizar carbón, las fuentes de Rivalia acabarían agotándose. Sin embargo, la empresa no está preocupada por el momento: incluso en ausencia de nueva producción, EE UU tiene ahora 2.000 millones de toneladas métricas de cenizas, y parece probable que muchos otros países sigan quemando carbón en un futuro previsible.
La gestión de todas esas cenizas tendrá que hacerse con cuidado, dice Lisa Evans, asesora principal del programa de energía limpia de Earthjustice. Evans afirma que, incluso en el caso de las empresas motivadas por las esperanzas de limpieza, es necesaria una supervisión reglamentaria adicional para garantizar que se deshacen de los subproductos de forma adecuada. «Lo que he comprobado en tantos años de observar cómo se comportan las industrias es que no hacen nada que no estén obligadas a hacer«, afirma, y añade que el gobierno también debería garantizar que las comunidades reciban una notificación adecuada de las actividades de extracción cercanas.
Otra fuente no convencional de materiales críticos son los residuos mineros. Según Evans, de Earthjustice, la EPA aún no los regula, a pesar de que son similares a las cenizas de carbón en cuanto a los riesgos medioambientales que plantean.
Phoenix Tailings es una empresa de Massachusetts que extrae tierras raras de las minas. Dos de los fundadores de Phoenix, que crecieron en comunidades afectadas por la minería, dicen que les motiva su experiencia personal, además de la creciente demanda de tierras raras.
Además de las cuatro tierras raras más utilizadas en los imanes (neodimio, praseodimio, disprosio y terbio), Phoenix recupera metales para baterías, metales del grupo del platino, hierros bajos en carbono y otros materiales en lo que denomina un «enfoque de porfolio» que mejora la viabilidad económica. Al igual que Rivalia, Phoenix reutiliza los materiales residuales en hormigón y otros agregados. Esto proporciona un almacenamiento a largo plazo para los materiales carbonosos, reduciendo el impacto medioambiental al atraparlos y evitar que acaben en el suministro de agua.
Phoenix trabaja para modernizar la extracción, reduciendo la cantidad de energía, equipos y financiación necesarios, afirma el cofundador Anthony Balladon. «Desarrollamos productos químicos adaptados a las tierras raras, en lugar de tratar de abrirnos paso por la fuerza a través de ellas», explica.
Tras obtener un concentrado de óxido que contiene las tierras raras, Phoenix utiliza técnicas de separación para extraer los productos finales deseados. A continuación, se reducen a productos metálicos y aleaciones mediante electrólisis de sales fundidas de haluros mixtos, lo que reduce las necesidades energéticas entre un 35% y un 45%. Según Tomás Villalón, director de Tecnología, el proceso de Phoenix reduce la cantidad de material que se pierde inadvertidamente entre las fases de procesamiento y mejora la pureza del producto final. Los fundadores de Phoenix también destacan la sostenibilidad del proceso de la empresa, que, según afirman, no utiliza materiales peligrosos y no genera emisiones directas de carbono. La empresa produce actualmente metales de tierras raras para clientes comerciales y espera producir más de 3.000 toneladas de metales de tierras raras terminados al año para 2026.
Villalón calcula que Phoenix estará ocupada durante mucho tiempo: cada año se crean al menos 10.000 millones de toneladas de estériles de mina procedentes de nuevas actividades.
Algunas empresas apuntan a los materiales reciclados en lugar de los residuos de carbón como fuente de tierras raras recuperables. Noveon Magnetics (antigua Urban Mining) extrae materiales críticos de imanes comerciales desechados —de motores o dispositivos médicos, por ejemplo, o de unidades de almacenamiento utilizadas por centros de datos— o retirados de la cadena de suministro por defectos de fabricación u obsolescencia. A partir de estos materiales, Noveon fabrica nuevos imanes de neodimio-boro sinterizados, componentes críticos de los generadores de las turbinas eólicas y de los motores de los vehículos eléctricos.
Según las previsiones del DOE, la demanda estadounidense de estos imanes de tierras raras se cuadruplicará con creces de aquí a 2050. Esto se debe en parte a la mejora de las tecnologías industriales, afirma el director comercial de Noveon, Peter Afiuny. «Bombas industriales, compresores, sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado… el 50% de nuestro consumo eléctrico se debe a estos motores. Si queremos alcanzar la neutralidad de carbono, tenemos que mejorar esos sistemas y hacerlos más eficientes», afirma.
Fuera de China hay menos de 10 fabricantes de imanes activos; Noveon es el único en Estados Unidos. Afiuny afirma que adquiere todos sus materiales en el país.
La empresa produce un nuevo tipo de imán de alto rendimiento, al que denomina «EcoFlux», que utiliza menos material que las versiones convencionales, afirma Afiuny. Aunque es difícil que los imanes reciclados funcionen tan bien como los productos no reciclados, Afiuny afirma que Noveon lo ha conseguido combinando una tecnología propia que mejora la composición y las propiedades de los materiales magnéticos con su tecnología patentada de imán a imán, que puede reciclar hasta el 99,5% de los materiales de origen. Añade que Noveon tiene múltiples clientes y produce a escala comercial en sus instalaciones de Texas. Dice que la empresa tiene previsto producir 10.000 toneladas anualmente en un plazo de cinco años.
Estos nuevos imanes son útiles al mismo tipo de clientes de los que se obtuvieron los materiales, como empresas que utilizan motores para alimentar productos electrónicos de consumo y productos médicos o de automoción. El resultado es un bucle de reutilización.
¿Pueden estas fuentes alternativas sustituir a las importaciones actuales? En un reciente artículo publicado en la revista The Bridge de la Academia Nacional de Ingeniería, los investigadores del DOE calculan que, para algunos materiales críticos como el germanio, las cenizas de carbón pueden satisfacer la demanda estadounidense durante casi 4.000 años, pero para la mayoría de los materiales, el suministro durará menos de 20 años (y para el níquel, sólo un poco más de un año).
Se necesitan nuevas fuentes adicionales, afirma Granite: «Se van a necesitar muchos materiales de desecho diferentes y fuentes no tradicionales para satisfacer la demanda a largo plazo, porque prevemos una demanda creciente de muchos de estos metales críticos«.
Los investigadores sugieren que podría considerarse una gama mucho más amplia de fuentes de residuos, incluidos el «lodo rojo», creado durante la producción de aluminio, y las «aguas producidas», resultantes de la producción de petróleo, así como materiales procedentes del fondo oceánico o incluso del espacio exterior.
Entre 2015 y 2021, el DOE concedió al menos 27 millones de dólares (unos 24,6 millones de euros) a proyectos relacionados con la extracción de tierras raras a partir de recursos convencionales y no convencionales. En 2022 y 2023, el Gobierno estadounidense anunció al menos mil millones de dólares (en torno a 912 millones de euros) de financiación disponible para apoyar trabajos afines, incluidas cantidades significativas de la Ley de Infraestructura Bipartidista. Otras agencias también han anunciado su apoyo a las empresas que trabajan para ayudar a impulsar el suministro de materiales críticos de la nación, lo que indica una renovada sensación de urgencia para un tema que lleva mucho tiempo en la agenda política. Rivalia, Phoenix y Noveon se han beneficiado de ayudas públicas, lo que sugiere que el Gobierno está dispuesto a apostar por empresas de distintos tamaños y en distintas fases de progreso.
Estas asignaciones de fondos a menudo revelan las prioridades de la administración emisora; el enfoque bajo el expresidente Donald Trump, por ejemplo, fue la independencia de China, mientras que el apoyo de la administración Biden a la producción nacional de tierras raras parece más vinculado a su impulso para una mayor adopción de vehículos eléctricos. Independientemente de la motivación, todas las partes parecen alineadas en cuanto a la importancia de las tierras raras.
«Es algo que cuenta con un amplio apoyo bipartidista», afirma Stoy, de Rivalia. «Creo que está muy seguro desde el punto de vista de la financiación de la investigación. El Gobierno está interesado en ello y va a financiarlo durante mucho tiempo».
A medida que se intensifique la carrera por lograr la autosuficiencia en tierras raras y materiales críticos, es probable que EE UU siga ampliando tanto el número de organizaciones implicadas como la diversidad de fuentes potenciales.
A pesar de la creciente competencia, Stoy afirma que hay sitio para todos. «Quiero ser un actor dentro de un gran ecosistema en el que haya mucha gente que produzca tierras raras», afirma. «Esa es la mejor perspectiva para todos».
Fuente: MIT