الأرض النادرة: ما هي، وأين توجد، ولماذا هي قلب التكنولوجيا الحديثة (المتنازع عليه)

الأتربة النادرة على جدول العناصر

على الرغم من أن سكانديوم وإيتريوم ليسا لانثانيدات من وجهة نظر التكوين الإلكتروني، إلا أنهما مدرجان في مجموعة الأتربة النادرة لأنهما يتواجدان بشكل شائع في نفس الرواسب المعدنية مثل اللانثانيدات ولهما خصائص كيميائية مماثلة تجعل فصلهما معقدًا.

السمة الكيميائية المشتركة بين اللانثانيدات هي الامتلاء التدريجي للمستوى الفرعي الإلكتروني 4f، مما يمنحها خصائص مغناطيسية وبصرية وتحفيزية فريدة ومتشابهة جدًا. وهذا التشابه الكيميائي على وجه التحديد يجعل من الصعب للغاية فصلها عن بعضها البعض أثناء عملية التكرير، مما يتطلب عمليات كيميائية معقدة (مثل استخلاص المذيبات أو التبادل الأيوني) باهظة الثمن ولها تأثير بيئي كبير.

غالبًا ما يتم تقسيم الأتربة النادرة إلى مجموعتين فرعيتين بناءً على وزنها الذري:

• الأتربة النادرة الخفيفة (Light REE - LREE): من اللانثانوم (La) إلى السماريوم (Sm) [تتضمن أيضًا في بعض الأحيان اليوروبيوم والجادولينيوم]. بشكل عام أكثر وفرة وأقل تكلفة.
• العناصر الأرضية النادرة الثقيلة (REE - HREE): من اليوروبيوم (Eu) أو الجادولينيوم (Gd) إلى اللوتيتيوم (Lu)، بالإضافة إلى الإيتريوم (Y). عادة ما تكون أقل وفرة، وأكثر صعوبة في الاستخراج، وبالتالي أكثر قيمة وأهمية من الناحية الاستراتيجية، خاصة بالنسبة للتطبيقات عالية الأداء (مثل المغناطيس المقاوم للحرارة العالية).

جدول الأرض النادرة

القائمة الكاملة لـ 17 من العناصر الأرضية النادرة

فيما يلي قائمة بالعناصر السبعة عشر التي تعتبر من العناصر الأرضية النادرة، مع رمزها الكيميائي وعددها الذري:

1. سكانديوم (علوم، 21)
2. الإيتريوم (ص, 39)
3. اللانثانوم (لا، 57)
4. السيريوم (م، 58)
5. البراسيوديميوم (العلاقات، 59)
6. النيوديميوم (ND، 60)
7. البروميثيوم (Pm, 61) - ملاحظة: البروميثيوم نادر للغاية ومشع، وله تطبيقات محدودة للغاية.
8. سماريوم (ن، 62)
9. اليوروبيوم (الاتحاد الأوروبي، 63)
10. الجادولينيوم (جي دي، 64)
11. تيربيوم (سل، 65)
12. الديسبروسيوم (دي، 66)
13. الهولميوم (هو، 67)
14. الإربيوم (إير، 68)
15. ثوليوس (تيم، 69)
16. الإيتربيوم (يب، 70)
17. لوتيتيوس (لو، 71)

منجم للأرض النادرة في جنوب أفريقيا

أين يتم استخراج وإنتاج العناصر الأرضية النادرة؟ جغرافية المورد الاستراتيجي

كما ذكرنا سابقًا، تتوزع العناصر الأرضية النادرة جيولوجيًا في أجزاء كثيرة من العالم. ومع ذلك، فإن الرواسب القابلة للاستغلال اقتصاديا، وقبل كل شيء، القدرة على معالجتها وصقلها، مركزة بشكل كبير.

• الصين: المسيطر بلا منازع: لعقود من الزمن، لم تهيمن الصين على التعدين فحسب، بل سيطرت بشكل أكبر على المراحل اللاحقة من فصل وتكرير وإنتاج المعادن الأرضية النادرة والسبائك. وفي الوقت الحالي، تشير التقديرات إلى أن الصين تسيطر على حوالي 60-70% من الاستخراج العالمي وأكثر من 85-90% من طاقة التكرير العالمية. وتنبع هذه الهيمنة من مجموعة من العوامل: الرواسب الغنية (مثل بيان أوبو)، والعمالة الرخيصة، والأنظمة البيئية الأقل صرامة تاريخيا (على الرغم من أنها أصبحت الآن معززة)، واستثمارات الدولة الاستراتيجية الطويلة الأجل.
• الولايات المتحدة: تمتلك الولايات المتحدة احتياطيات كبيرة، مثل تلك الموجودة في منجم ماونتن باس في كاليفورنيا. وبعد فترة من الإغلاق، استأنف هذا المنجم نشاط التعدين، ولكن لفترة طويلة كان عليه إرسال المركزات المعدنية إلى الصين للتكرير النهائي. هناك جهود كبيرة جارية لإعادة بناء سلسلة توريد كاملة على الأراضي الأمريكية، لكنها عملية طويلة ومكلفة.
• أستراليا: أستراليا هي منتج رئيسي آخر، ولها مناجم مثل ماونت ويلد. وهنا أيضًا، غالبًا ما تتم معالجة المواد المستخرجة في مكان آخر، خاصة في ماليزيا (حيث يعمل مصنع شركة Lynas Corporation) أو في الصين. وتتطلع أستراليا أيضًا إلى تطوير قدرات التكرير المحلية.
• ميانمار (بورما): أصبحت في السنوات الأخيرة منتجًا كبيرًا، وخاصة للعناصر الأرضية النادرة الثقيلة، والتي يتم استخراجها غالبًا باستخدام أساليب سيئة التنظيم ولها تأثير بيئي قوي، وموجهة بشكل أساسي إلى السوق الصينية.
• بلدان أخرى: توجد أيضًا رواسب و/أو أنشطة تعدين طفيفة أو محتملة في روسيا والهند وفيتنام والبرازيل وكندا وغرينلاند وبعض الدول الأفريقية. الاتحاد الأوروبي، على الرغم من ارتفاع الطلب، لديه ما يقرب من الصفر من الإنتاج الداخلي ولكنه يحاول بنشاط تنويع مصادر العرض وتعزيز مشاريع الاستخراج وإعادة التدوير الداخلية (على سبيل المثال في السويد).

وهذا التركيز الجغرافي، وخاصة في مرحلة التكرير الحرجة، يجعل سلسلة التوريد العالمية للأتربة النادرة معرضة بشدة للاضطرابات أو القرارات السياسية أو التوترات الجيوسياسية، مما يمنح الصين نفوذاً استراتيجياً كبيراً.

لماذا تعتبر العناصر الأرضية النادرة مهمة جدًا؟ التطبيقات الرئيسية

إن الخصائص الفريدة للأتربة النادرة (المغناطيسية، المضيئة، الحفزية) تجعلها غير قابلة للاستبدال أو يصعب استبدالها في مجموعة واسعة من التطبيقات التكنولوجية الحديثة، والتي يعد الكثير منها حاسمًا لتحديات القرن الحادي والعشرين:

1. تحول الطاقة والتنقل الكهربائي:
   • المغناطيس الدائم عالي الأداء: ربما يكون هذا هو التطبيق الأكثر أهمية. تشكل السبائك التي تحتوي على النيوديميوم والبراسيوديميوم والديسبروسيوم والتيربيوم (ندفيب - نيوديميوم-حديد-بورون) أقوى المغناطيسات المعروفة. وهي ضرورية من أجل:
     • محركات المركبات الكهربائية (EV): تمكين محركات أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأكثر كفاءة.
     • مولدات توربينات الرياح (خاصة البحرية): تسمح ببناء مولدات الدفع المباشر، وهي أكثر كفاءة وتتطلب صيانة أقل.
   • البطاريات: يستخدم اللانثانوم في بعض بطاريات NiMH (نيكل-ميتال هيدريد)، على الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون هي المهيمنة في السيارات الكهربائية اليوم.
   • خلايا الوقود: يمكن استخدام السيريوم والكيانات الأرضية الأخرى كمحفزات أو مكونات.
2. الالكترونيات الاستهلاكية:
   • الشاشات (الهاتف الذكي، التلفزيون، الكمبيوتر المحمول): يُستخدم اليوروبيوم (لللون الأحمر)، والتيربيوم (لللون الأخضر)، والسيريوم/اللانثانم في الفوسفورات التي تنتج الألوان النابضة بالحياة للشاشات الحديثة (LED، وOLED).
   • محرك الأقراص الثابتة (HDD): يُستخدم مغناطيس النيوديميوم في المحركات التي تقوم بتدوير الأقراص وتحريك رؤوس القراءة/الكتابة.
   • مكبرات الصوت وسماعات الرأس: تتيح المغناطيسات القوية الحصول على صوت عالي الجودة في الأجهزة الصغيرة الحجم.
   • الألياف الضوئية: يُستخدم الإربيوم في مكبرات الصوت الضوئية التي تعزز الإشارات في مساحات طويلة من الألياف الضوئية الضرورية للإنترنت.
   • الزجاج البصري والعدسات: يعمل اللانثانوم والسيريوم وغيرها من العناصر الأرضية النادرة على تحسين الخصائص البصرية للزجاج (مثل معامل الانكسار وامتصاص الأشعة فوق البنفسجية).
3. الصناعة والحفز:
   • المحفزات لتكرير البترول: تُستخدم المركبات المعتمدة على اللانثانوم والسيريوم (في التكسير الحفزي بالطبقة المميعة - FCC) لتكسير جزيئات الهيدروكربون الثقيلة إلى جزيئات أخف وأكثر فائدة مثل البنزين. يعد هذا أحد أكبر التطبيقات من حيث الحجم.
   • المحولات الحفازة للسيارات: يساعد السيريوم على تقليل الانبعاثات الضارة (ثاني أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين والهيدروكربونات غير المحترقة).
   • تلميع الزجاج: أكسيد السيريوم هو عامل التلميع الأكثر فعالية للزجاج الدقيق والعدسات والشاشات.
4. الدفاع والفضاء:
   • أنظمة توجيه الصواريخ: المغناطيس والمكونات الإلكترونية المتقدمة.
   • الليزر: يتم استخدام النيوديميوم (ليزر Nd:YAG)، والإربيوم، والهولميوم، والثوليوم لإنشاء أشعة ليزر ذات أطوال موجية محددة لتحديد المدى وتحديد الأهداف والاتصالات.
   • الرادار والسونار: مكونات متقدمة تستخدم الخصائص الفريدة للكيانات الأرضية.
   • المحركات النفاثة: تعمل السبائك الخاصة التي تحتوي على الإيتريوم على تحسين مقاومة درجات الحرارة المرتفعة.
5. التطبيقات الطبية:
   • التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI): يستخدم الجادولينيوم كعامل تباين لتحسين رؤية الأنسجة والأعضاء.
   • الليزر الطبي: التطبيقات الجراحية والعلاجية.
   • الأشعة السينية: شاشات مكثفة.

نبات كالغوري للأرض النادرة من Lynas

التحديات البيئية والجيوسياسية

تصاحب الأهمية الاستراتيجية للأتربة النادرة تحديات كبيرة:

• الأثر البيئي: إن استخراج، وفوق كل شيء، تكرير، للأتربة النادرة هي عمليات كثيفة الطاقة والكيميائية. ويمكنها توليد كميات كبيرة من المخلفات، والتي غالبًا ما تحتوي على عناصر مشعة مثل الثوريوم واليورانيوم (الموجود بشكل طبيعي في معادن العناصر الأرضية النادرة)، واستخدام الأحماض والمذيبات التي يمكن أن تلوث التربة والمياه إذا لم تتم إدارتها بشكل صحيح. وهذا هو أحد الأسباب التي دفعت العديد من الدول الغربية إلى خفض الإنتاج أو إيقافه في الماضي، ويجعل من الصعب إطلاق عمليات جديدة مع تلبية المعايير البيئية الصارمة.
• الاعتماد الجيوسياسي: إن تركيز الإنتاج والتكرير في الصين يخلق نقطة ضعف للدول المستوردة. لقد أثبتت الصين بالفعل في الماضي (على سبيل المثال في عام 2010 مع اليابان) أنها تستطيع استخدام القيود المفروضة على تصدير العناصر الأرضية النادرة كأداة للضغط السياسي. وهذا يدفع الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي واليابان وأستراليا وغيرها إلى الاستثمار بكثافة من أجل:
  • تنويع مصادر التوريد (فتح مناجم جديدة أو دعم المشاريع في الدول الصديقة).
  • إعادة بناء قدرات التكرير المحلية.
  • تشجيع إعادة تدوير العناصر الأرضية النادرة من المنتجات المنتهية صلاحيتها (معقدة من الناحية الفنية ولكنها حاسمة).
  • استثمر في البحث للعثور على مواد أو تقنيات بديلة تتطلب استخدامًا أقل.

تعتبر الأتربة النادرة مثالًا رئيسيًا على كيف أصبحت العناصر الكيميائية التي تبدو غامضة غير مرئية ولكنها ركائز أساسية لحضارتنا التكنولوجية. من الهواتف الذكية التي نحتفظ بها في جيوبنا إلى توربينات الرياح التي تولد الطاقة النظيفة، وحتى أنظمة الدفاع المتقدمة، فإن وجودها منتشر على نطاق واسع.

إن اسمها "نادر" هو تسمية خاطئة من وجهة نظر جيولوجية، لأنها أكثر انتشارا مما قد يتصور المرء، لكنه يصف جيدا أهميتها الاقتصادية والاستراتيجية، المستمدة من تعقيد عملية الإنتاج وتركيزها الجغرافي. يتطلب الابتكار التكنولوجي والتقدم التكنولوجي إدارة إمداداتها مع الاستمرارية الدقيقة وكذلك احترام البيئة البشرية والطبيعية التي يتم استخراجها منها. وهو أمر غير مؤكد دائمًا في الوقت الحالي.

مقالة الأرض النادرة: ما هي، وأين توجد، ولماذا هي القلب (المتنازع عليه) للتكنولوجيا الحديثة تأتي من السيناريوهات الاقتصادية .