Σύνταξη άρθρου: Κωνσταντίνος Μιαρίτης

Επιμέλεια άρθρου: Κωνσταντίνος Ουρανός

 

Τα τελευταία χρόνια οι χρήσεις των σπάνιων γαιών βρίσκονται παντού γύρω μας χωρίς όμως να γνωρίζουμε περί τίνος ακριβώς πρόκειται ή την αξία τους. Παραλλήλως, καθημερινά αυξάνεται η ζήτηση για αυτές στη βιομηχανία και πληθαίνουν οι αναφορές στον Τύπο για αυτές. Οι σπάνιες γαίες είναι μια ομάδα χημικών στοιχείων και στερεών, κατά επέκταση υλικών, που παρουσιάζουν συγκεκριμένες ιδιότητες και χρήσεις. Πάμε να τις δούμε αναλυτικά.

Χημεία

Οι σπάνιες γαίες στον περιοδικό πίνακα. Περιοδικός πίνακας χημικών στοιχείων, παράρτημα σχολικού βιβλίου Χημεία Γ’ λυκείου, ομάδα προσανατολισμού θετικών σπουδών και σπουδών υγείας, Ινστιτούτο Τεχνολογίας Υπολογιστών και Εκδόσεων《Διόφαντος》

Οι σπάνιες γαίες αποτελούνται από 16 χημικά στοιχεία. Τα 15 της ομάδας των λανθανίδων με ατομικούς αριθμούς από το 57 έως το 71 και το χημικό στοιχείο Ύτριο με ατομικό αριθμό 39. Πρόκειται για μια ομάδα μετάλλων με παραπλήσιες χημικές και φυσικές ιδιότητες και συμπεριφορές. Οι λανθανίδες (La) βρίσκονται στην 3η ομάδα και 6η περίοδο του περιοδικού πίνακα και το Ύτριο (Υ) στην 3η ομάδα και την 5η περίοδο. Στις λανθανίδες περιλαμβάνονται τα εξής χημικά στοιχεία κατά αύξοντα ατομικό αριθμό La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, και Lu. Κοινό χαρακτηριστικό των σπάνιων γαιών είναι ότι πρόκειται για χημικά στοιχεία που σε οξειδωτική κατάσταση εμφανίζουν τρισθενή χαρακτήρα, με εξαίρεση το Eu που μπορεί να εμφανίζεται και ως δισθενές και το Ce που μπορεί να εμφανίζεται ως τετρασθενές.

Στην παγκόσμια βιβλιογραφία οι σπάνιες γαίες συχνά κατηγοριοποιούνται σε δυο ομάδες, τις ελαφριές σπάνιες γαίες και τις βαριές. Ο διαχωρισμός τους έγινε με βάση το ατομικό τους βάρος και το γεγονός ότι τα στοιχεία κάθε ομάδας συναντώνται όλα σχεδόν πάντα μαζί. Οι ελαφριές σπάνιες γαίες ή LREE (Light Rare Earth Elements) περιλαμβάνουν τα χημικά στοιχεία Λανθάνιο (La), Δημήτριο (Ce), Πρασινοδύμιο (Pr), Νεοδύμιο (Nd), Προμήθειο (Pm), Σαμάριο (Sm), Ευρώπιο (Eu) και Γαδολίνιο (Gd). Οι βαριές σπάνιες γαίες ή HREE (Heavy Rare Earth Elements) περιλαμβάνουν τα χημικά στοιχεία Τέρβιο (Tb), Δυσπρόσιο (Dy), Όλμιο (Ho), Έρβιο (Er), Θούλιο (Tm), Υττέρβιο (Yb), Λουτήτιο (Lu) καθώς και το Ύτριο (Y), το οποίο παρά το μικρό ατομικό του βάρος μοιράζεται πιο πολλές ομοιότητες με τις HREE.

 

Γεωλογία

Επιφανειακή εμφάνιση πετρώματος ενός τύπου κοιτάσματος που δυνητικά φέρει μεταλλοφορεία σπάνιων γαιών, Λαύριο Αττικής

Παρά την ονομασία τους δεν είναι τόσο σπάνιες, αφού συμμετέχουν σε μεγάλο ποσοστό στη σύσταση του φλοιού της Γης. Μάλιστα έρευνες έχουν δείξει ότι περνούν σε ποσοστό εμφάνισης και γνωστότερα μέταλλα όπως ο χρυσός (Au), ο λευκόχρυσος (Pt), ο άργυρος (Ag), ο χαλκός (Cu), ο μόλυβδος (Pb), ο ψευδάργυρος (Zn), ο κασσίτερος (Sn) ή το νικέλιο (Ni). Σπάνιες θεωρούνται εξαιτίας των λιγοστών εμφανίσεων στην επιφάνεια που μπορούν να είναι εκμεταλλεύσιμες και τις χαμηλές συγκεντρώσεις τους σε αυτά τα κοιτάσματα. Οι σπάνιες γαίες βρίσκονται ως συστατικό σε περίπου 250 ορυκτά από όπου και εξάγονται. Τα κυριότερα/σημαντικότερα ορυκτά που συναντώνται είναι ο μπαστναισίτης [(La, Ce, Y)CO3F] (πηγή LREE), ο μοναζίτης [(Ce,La,Th)PO4], ο ξενοτίμης (YPO4) (πηγή Y και HREE), ο απατίτης [Ca5(PO4)3(F,Cl,OH)] και άλλα.

Οι σπάνιες γαίες παγκοσμίως βρίσκονται σε συγκεκριμένους τύπους κοιτασμάτων. Τα κοιτάσματα αυτά μπορεί να είναι πρωτογενή ή δευτερογενή. Δηλαδή να σχηματίστηκαν σε ένα γεωλογικό επεισόδιο ή το πρωτογενές κοίτασμα να υπέστη δευτερογενή διαφοροποίηση. Σε κάθε περίπτωση οι σπάνιες γαίες συναντώνται σε κοιτάσματα που ο σχηματισμός τους συνέβη σε βάθος εκατοντάδων χιλιομέτρων από την επιφάνεια της θάλασσας και σε πετρώματα στα οποία αναδύθηκε ρευστό μανδυακό υλικό (μάγμα) ή υδροθερμικά διαλύματα (ρευστά ποικίλης χημικής σύστασης με μεγάλο ποσοστό νερού) και μέσω ρωγμών και ασυνεχειών του πετρώματος κυκλοφόρησαν τα ρευστά και αντέδρασαν σχηματίζοντας κοιτάσματα που περιέχουν σπάνιες γαίες. Δε συμμετέχουν όλα τα υδροθερμικά διαλύματα ή όλα τα μάγματα στον σχηματισμό κοιτασμάτων σπάνιων γαιών αλλά κάποια συγκεκριμένης χημικής σύστασης.

 

Εξόρυξη και Περιβάλλον

Αυτή τη στιγμή, η μεγαλύτερη εκμετάλλευση και εξόρυξη γίνεται στα κοιτάσματα της Κίνας που κυριαρχεί παγκοσμίως, ενώ μικρότερης κλίμακας κοιτάσματα υπάρχουν σε Βραζιλία, Αυστραλία, Ινδία, Ρωσία, Η.Π.Α. και Καναδά. Όπως και κάθε εξορυκτική δραστηριότητα, έτσι και η εξόρυξη σπάνιων γαιών προκαλεί αποδεδειγμένα προβλήματα τόσο στο περιβάλλον, όσο και στην υγεία. Τα παραπροϊόντα των εξορύξεων προκαλούν ρύπανση του τοπικού περιβάλλοντος και διατάραξη των οικοσυστημάτων. Οι εργάτες σε αυτά τα ορυχεία από την μακροχρόνια έκθεση στα χημικά αυτά στοιχεία, που κάποια είναι και ραδιενεργά, έχουν εμφανίσει πολλά προβλήματα υγείας, με σημαντικότερα τον καρκίνο και τα αναπνευστικά προβλήματα, με τα τελευταία να προκαλούνται από την μακροχρόνια εισπνοή σκόνης σπάνιων γαιών.

 

Ανακύκλωση σπανίων γαιών

Παρά την ολοένα και μεγαλύτερη επέκταση στην εξόρυξη σπάνιων γαιών, ανήσυχη παρουσιάζεται η παγκόσμια επιστημονική και όχι μόνο κοινότητα από τα διαθέσιμα εκμεταλλεύσιμα αποθέματα. Για να αποφευχθεί ένα τέτοιο πρόβλημα χώρες και οργανισμοί έχουν ξεκινήσει μια προσπάθεια ανακύκλωσης των σπάνιων γαιών. Αυτό συνοψίζεται στην εξής λογική. Συλλέγουν χρησιμοποιημένα προϊόντα που περιέχουν ήδη σπάνιες γαίες και τις εξάγουν από εκεί. Για παράδειγμα στο Βέλγιο εξάγουν σπάνιες γαίες από μπαταρίες λιθίου, ενώ στη Γερμανία από υγρούς καταλύτες. Παράλληλα ερευνητικά κέντρα και χώρες που έχουν τεράστια κατανάλωση πρωτογενούς υλικού σπάνιων γαιών, όπως οι Η.Π.Α. πραγματοποιούν έρευνες για την εύρεση αντικαταστατών στους οποίους θα έχουν προσβασιμότητα και θα βρίσκονται σε αφθονία.

 

Εφαρμογές

Η πρώτη καταγεγραμμένη εφαρμογή των σπάνιων γαιών χρονολογείται τη δεκαετία του 1890 στην Βιέννη της Αυστρίας, όπου κατασκευάστηκαν για πρώτη φορά καλύμματα για λάμπες με ένα νέο υλικό που περιείχε σπάνιες γαίες. Σήμερα οι σπάνιες γαίες χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα βιομηχανικών και τεχνολογικών εφαρμογών. Από τις πιο συνηθισμένες συσκευές που συναντάμε καθημερινά, όπως οι τηλεοράσεις, τα «έξυπνα» κινητά τηλέφωνα (smartphones) και οι υπολογιστές, μέχρι στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτριες, βιοκαύσιμα), την ιατρική (μαγνητικοί και αξονικοί τομογράφοι, ακτινογράφοι, λέιζερ και ακτινοθεραπείες κατά του καρκίνου), τη βιομηχανία (κράματα μετάλλων, καταλύτες, ισχυροί μαγνήτες, παραγωγή πλαστικών, κεραμικών, υαλικών) και την τεχνολογία (οπτικές ίνες, ραντάρ, λέιζερ, μπαταρίες πυρηνικής ενέργειας, ηλεκτρικά αυτοκίνητα και ποδήλατα) και άλλα.

Αντικείμενα από την καθημερινότητα (συσκευές) που περιέχουν ως συστατικά σπάνιες γαίες

 

Οι σπάνιες γαίες στην καθημερινότητά μας

Όπως προαναφέρθηκε, τις σπάνιες γαίες τις συναντάμε σε αντικείμενα που χρησιμοποιούμε και οι περισσότεροι έχουμε στην κατοχή μας χωρίς να το γνωρίζουμε. Η μεγαλύτερη απορρόφηση γίνεται από την βιομηχανία γυαλιού. Ως εκ τούτου οι σπάνιες γαίες αποτελούν συστατικό φακών φωτογραφικών μηχανών, βρίσκονται σε φωτογραφικούς φακούς κινητών καθώς και στα ηχεία, τα μικρόφωνα και τις οθόνες, αλλά και γενικότερα σε οθόνες, τις γνωστές τηλεοράσεις, τύπου Plasma, LCD, LED, HDD και άλλες. Επίσης απαντώνται σε εξαρτήματα υπολογιστών όπως στα ψυκτικά ανεμιστηράκια, τους σκληρούς δίσκους και τους επεξεργαστές, καθώς και σε περιφερειακά προϊόντα όπως οι σαρωτές, «σκάνερ», στο τμήμα της μονάδας σάρωσης.

 

Πηγές

Skarpelis N. (2007). The Lavrion deposit (SE Attica, Greece): geology, mineralogy and minor elements chemistry. Neues Jahrbuch für Mineralogie – Abhandlungen. Vol. 183/3. p. 227-249.

Dushyantha N. et al. (2020). The story of rare earth elements (REEs): Occurrences, global distribution, genesis, geology, mineralogy and global production. Ore Geology Reviews. Vol. 122.

Van Gosen B. et al. (2017). Rare-Earth Elements, Chapter O of Critical Mineral Resources of the United States—Economic and Environmental Geology and Prospects for Future Supply. U.S. Geological Survey, Reston, Virginia.

Σκαρπέλης Ν. (2002, 2006). Εισαγωγή στην Κοιτασματολογία. Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών.

 

 

Ηλ. Ταχ.: [email protected]

Στέλλα Κυρίκου

Γεωλόγος – Παλαιοντολόγος

 

Ηλ. Ταχ.: [email protected]

Οδυσσέας Αρχοντίκης

Γεωλόγος-Γεωπεριβαλλοντολόγος με μεταπτυχιακή ειδίκευση στην Παλαιοντολογία-Παλαιοκλιματολογία