稀有金属短缺如何影响绿色技术的未来
Vitaly Korovin通过Shutterstock拍摄的金块照片
随着全球减少温室气体排放的努力，讽刺的是，一些节能或资源节约技术没有得到充分利用，仅仅因为我们没有足够的原材料来生产它们。当他们在2009年试图做出这样的转变时，像通用电气臭名昭著：他们将无法获得足够的稀土来制造新的灯泡。
向新的和更好的技术转移——从智能手机到电动汽车--这意味着由于地质和政治原因，对稀有金属的需求不断增加。薄而便宜的太阳能电池板需要碲，碲只占地壳的0.0000001%，比黄金稀有三倍。高性能电池需要锂，而锂只能很容易地从安第斯山脉的盐水池中提取。铂几乎完全来自南非，是将氢转化为能源的燃料电池所需的催化剂。
2011年，包括铽和铕在内的“稀土”用于荧光灯泡的平均价格上涨，研究人员和行业工人都震惊于这些不可靠的供应链所造成的问题；钕，用于驱动风力涡轮机和电动发动机的强力磁铁，一年内增长高达750%。问题在于，控制着全球97%稀土产量的中国，已经开始限制贸易。双方达成了解决方案，价格冲击也逐渐消退，但稀土和其他所谓“关键元素”未来供应问题的威胁依然隐约可见。
有希望的解决办法
这就是为什么能源部艾姆斯实验室的关键材料研究所成立的原因。该学院于6月开业，正式的剪彩仪式在9月举行。它的任务是预测哪些材料将成为下一个问题，努力改善供应链，并尝试发明不需要那么多关键元素的替代材料。该研究所是世界上为数不多的试图解决关键元素问题的组织之一，这些组织包括美国物理学会一直在提醒人们注意多年来。”这是目前欧洲的一个热门话题，”欧盟委员会ERA-MIN项目协调员奥利维尔·维达尔（Olivier Vidal）说，ERA-MIN是欧洲正在兴起的少数几个倡议之一。
研究所所长亚历克斯·金说：“这真的很紧急。”我们今天面临着真正的挑战——我们需要的是明天的解决方案，而不是后天。”
尽管能源技术的关键金属成本高、需求量大，但这方面的需求却很少金属是可回收的：2009年，估计回收的稀土金属不到1%。波恩解决电子废物问题（StEP）倡议负责人Ruediger Kuehr说，4900万吨电子废弃物从手机到冰箱，每年都会生产。其中，大约10%是回收的。马萨诸塞州伍斯特市金属加工研究所的创始主任迪兰·阿佩利安说：“简单地扔掉这么多有价值的材料是荒谬的。”“世界上所有的手机里都有大约32吨黄金，”阿佩利安说在我们的城市垃圾填埋场里有一座巨大的金矿。”
从现代技术中提取金属是一件痛苦的事情，因为它们被少量地整合到越来越复杂的设备中。一款2000年左右的手机使用了大约24种元素;现代智能手机使用60多个。金说:“我们让自己的处境更加困难。他说，尽管在技术上稀土的浓度相对较高，但从化学角度来说，在简单的岩石中分离它们比在复杂的手机中更容易。
Umicore负责回收费用
但这是可能的。总部设在布鲁塞尔的公司优美科在关键金属回收技术方面处于领先地位，金说。在比利时霍博肯，该公司每年回收约35万吨电子垃圾，包括光伏电池和计算机电路板，以回收包括碲在内的金属。2011年，Umicore创业与法国Solvay公司合作，在安特卫普工厂回收可充电金属氢化物电池中的稀土（AAA电池中约有一克稀土）。同样，日本汽车公司本田今年三月宣布该公司已经开发了自己的金属氢化物电池内部回收计划——该公司计划使用2011年日本地震和海啸中受损的汽车进行测试。关键材料研究所（Critical Materials Institute）正在开发一种方法，将旧磁铁融化在液态镁中，以提取稀土。”说到回收，任何事情都是可能的这是一个是否经济的问题。”
电子垃圾回收中最困难的步骤之一就是从大型设备或机器中取出电池或其他富含金属的关键部件。这是一项卑微但复杂的任务，通常交给中国或尼日利亚等地的低薪工人。例如，在中国南部的贵屿地区，有超过10万人在工作中分解电子垃圾，煮沸电路板以去除塑料，然后用酸浸出金属，这对环境和他们自己都有很大的风险。不受控制的燃烧会导致地下水受到污染，以及一项研究发现铅水平升高住在贵屿的孩子们。King说，日本在自动化这些过程的努力中处于领先地位，因此机器可以经济安全地完成这些过程。
阿佩利安说，比技术更重要的是政策和教育。在一项对美国大约20种产品（从塑料到金属）回收率的研究中，回收率最高的是主要用于汽车的铅酸电池。它们的回收率为98%，而铝罐的回收率约为50%。阿佩利安说，原因是政府担心铅，给汽车公司一个财政激励，让他们自己回收电池。
阿佩利安说，制造商有责任回收和再利用他们自己的产品，因此他们首先要让产品更容易重复使用或分解：“我们需要为回收而生产。这几乎是不存在的。”
超越回收
从长远来看，对于那些需求有望趋于稳定的要素来说，回收或许是最好的前进之路。例如，随着荧光灯泡最终被更小的LED取代，对铽和铕的需求可能会逐渐减少。但对于其他元素，如钕，这并不是唯一的解决方案。”“现在我们需要为你的智能手机耳塞添加微量的钕，”金说但对于一个高性能的风力涡轮机，你需要大约两吨。”
对于需求预计会增加的元素，一个选择是开新的矿山。2011年美国物理学会（American Physical Society）的一份报告指出，中国目前主导着稀土开采，部分原因是土地复垦方面更宽松的环境标准使其更便宜。但其他地方也有资源。据金说，全世界正在寻找大约450个潜在的稀土矿。有几个相当先进。加利福尼亚州山口煤矿的稀土部门在2002年被中国淘汰后，今年重新开业。
尽管最初在生产能力方面有些令人失望，金认为这家合资企业会成功。同样，澳大利亚的Mount Weld稀土矿也在增加。金说，在过去一两年中，这些努力使中国的生产份额从97%降至90%左右。
在处理少量使用的材料时，很难发展规模经济。例如，2009年全球对碲的需求量仅为200公吨。所有这些都是铜矿或金矿开采的副产品。尽管碲的价值极高，每公斤145美元，但这些微量碲在这些矿业公司的利润表上几乎看不到一点。”他们必须被拖进生产线，又踢又叫，”金说。
另一个选择是提高挖掘过程的效率。金说，对于稀土，矿业公司基本上是把岩石磨碎，扔到水里，然后在里面吹气泡:含稀土的矿物往往会浮在水面上，可以从顶部被撇去。但金说，这只捕获了矿石中约65%的稀土。他的研究所现在正在使用能源部的超级计算机来寻找可能与元素结合并帮助它们漂浮的分子。金说:“如果我们能发明一种仙尘，撒在水中，使其含量从65%提高到75%，就能立即提高稀土产量，而无需开矿。”他希望这一策略能在一两年内取得成功。
最后一种方法是找到一开始不需要那么多关键元素的替代材料。这是一项艰巨的任务。”“稀土是一种魔力，”金说，就其性质而言。例如，它们是磁铁的关键成分，因为它们对铁的强而不规则的磁性进行了争论——这是其他元素似乎无法完成的任务。试图制造不含任何稀土的更强磁铁的研究工作被认为是遥不可及的。但是，金说，“我们可能不能把它们全部弄出来，但我们可以把最昂贵和最稀有的（稀土）弄出来。”
金仍然乐观。他指出，与有限资源的斗争可以追溯到很久以前。大约2000年前的青铜时代导致铜供应枯竭。作为回应，金说，古人回收了青铜，寻找新的矿场，花了200年的时间优化了可用性更高但不太理想的替代品——铁——来做同样的工作。如今的解决方案都是一样的，但希望找到合适的替代品不会花费太长时间。”“我们再也不用花200年了，”金说我们为两个人射击。”
