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17-12-2013 : Informe

La falta de algunos materiales especiales es un obstáculo para las tecnologías verdes

La falta de metales llamados "tierras raras", ampliamente utilizados, tanto en baterías de coches eléctricos como en paneles solares e incluso turbinas eólicas, dificulta la expansión de las tecnologías energéticas renovables. Los investigadores trabajan ahora para encontrar alternativas a estos elementos o bien alternativas a su reciclaje.

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En vista del esfuerzo global por reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, parece una ironía que muchas energías o tecnologías eficientes no se utilicen como solución simplemente porque no se dispone de suficientes materias primas para hacerlo.

Por ejemplo, según Alex King, director del nuevo Critical Materials Institute, los parques eólicos tienen turbinas inactivas porque sus delicadas cajas de cambios están averiadas. Sin duda, se pueden arreglar, pero eso lleva tiempo y mientras tanto no se aprovecha la energía eólica. Ahora se pude construir una turbina eólica más fiable sin necesidad alguna de caja de cambios, señala King, pero se necesita un camión lleno de los llamados metales “tierras raras” para hacerlo, así que esta simplemente no es la solución. Igualmente, podríamos utilizar bombillas fluorescentes de nueva generación que resultan el doble de eficientes que las estándares actuales. Pero cuando el Departamento de Energía de los EE. UU. intentó hacer el cambio en 2009, compañías como General Electric pusieron el grito en el cielo: no podían conseguir tener suficientes tierras raras para fabricar las nuevas bombillas.

Rare earth metals recycling

Haruyoshi Yamaguchi/Bloomberg

La filial de Mitsubishi en Japón está obligada a reciclar estos trozos de elementos críticos.

El cambio hacia nuevas y mejores tecnologías -desde los teléfonos inteligentes hasta los coches eléctricos- representa una demanda cada vez mayor de metales exóticos que son escasos debido tanto a la geología como a la política. Los paneles solares, económicos y finos, necesitan telurio, que representa el escaso porcentaje del 0,0000001 de la corteza terrestre, lo cual lo convierte en un elemento tres veces más escaso que el oro. Las baterías de altas prestaciones necesitan litio, que solo se extrae fácilmente en las aguas saladas de los Andes. El platino, necesario como catalizador en las pilas de combustible para transformar el hidrógeno en energía, proviene casi exclusivamente de Sudáfrica.

En 2011, el precio medio de los metales “tierras raras” aumentó en un 750%.

Investigadores y trabajadores del mismo sector tropezaron con los problemas producidos por estas arriesgadas cadenas de subministro en 2011, cuando el precio medio de los elementos “tierras raras” -incluyendo el terbio y el europio, usados en las bombillas fluorescentes, y el neodimio, utilizado en los potentes imanes que ayudan a mover las turbinas eólicas y los motores eléctricos- se disparó hasta alcanzar el 750% en un año. El problema fue que China, que controlaba el 97% de la producción mundial de tierras raras, recortó su comercio. Se negoció una solución y disminuyó la subida del precio, pero la amenaza de futuros problemas de subministro de tierras raras y otros “elementos críticos”, como así se conocen, persiste.

Es por ello que se creó el Critical Materials Institute, situado en el Laboratorio Ames del Departamento de Energía. Empezó su actividad en junio, aunque la inauguración oficial fue en septiembre. La misión de este instituto es prever qué materiales son susceptibles de llegar a ser un problema, trabajar para mejorar las cadenas de subministro e intentar inventar materiales alternativos que no necesiten tantos elementos críticos como base. El instituto es uno de las pocas organizaciones mundiales que intenta tratar el problema de los elementos críticos, sobre el cual organizaciones como la Sociedad Física Americana han estado llamando la atención durante años. “Actualmente es un tema candente en Europa”, comenta Olivier Vidal, coordinador del proyecto de la Comisión Europea llamado ERA-MIN, una de las pocas iniciativas europeas actualmente en auge.

“Es realmente urgente”, comenta King. “Estamos ante grandes retos; necesitamos soluciones ahora, no mañana.”

A pesar del alto coste y gran demanda de metales críticos para las tecnologías energéticas, se recicla una cantidad muy pequeña de este metal: en 2009, se calcula que se recuperó menos del uno por ciento de los metales tierra rara. Ruediger Kuehr, jefe de Solving the E-waste Problem (StEP), una iniciativa que apareció en Bonn, comenta que se producen 49 millones de toneladas de residuos electrónicos cada año, desde teléfonos móviles hasta neveras. De esta cantidad, quizás se recicla el 10%. Es ridículo limitarse a perder tanto material valioso, dice Diran Apelian, director fundador del Metal Processing Institute in Worcester, Massachusetts. “Hay algo así como 32 toneladas de oro en todos los teléfonos móviles del mundo”, comenta Apelian. “Tenemos una enorme mina de oro en nuestro vertedero urbano.”

Una compañía belga recicla ahora 350.000 toneladas de residuos electrónicos cada año, incluyendo células fotovoltaicas.

Separar los metales en los aparatos de tecnología moderna es pesado, ya que están incorporados en cantidades diminutas en dispositivos cada vez más complejos. Un móvil del año 2000 aproximadamente utilizaba unos 12 elementos; uno moderno usa más de 60. “Nos estamos complicando la vida”, comenta King. A pesar de las concentraciones relativamente elevadas de tierras raras en tecnología, comenta, de hecho es más fácil separarlos químicamente del material restante en simples piedras que en sofisticados teléfonos.

Pero es posible. Umicore, una compañía con base en Bruselas, es pionera en tecnologías de reciclaje en cuanto a metales críticos, comenta King. En su sede de Hoboken, Bélgica, la empresa recicla cada año cerca de 350.000 toneladas de residuos electrónicos, incluyendo células fotovoltaicas y placas de circuito electrónico para ordenadores, con el fin de recuperar metales, incluido el telurio. En 2011, Umicore inició su negocio de reciclaje de tierras raras de baterías de metal híbridas recargables (cada batería AAA contiene aproximadamente un gramo de tierras raras), en su sede de Amberes, en colaboración con la empresa francesa Solvay. Asimismo, la empresa automovilística japonesa Honda anunció este marzo que ha desarrollado su propio programa de reciclaje interno para baterías híbridas de metal, que la compañía prevé poner a prueba con los coches dañados por el tsunami y el terremoto de 2011 de Japón. El Critical Materials Institute está desarrollando un método que implica la fusión de imanes viejos en magnesio líquido para separar las tierras raras. “Cuando se trata de reciclaje, cualquier cosa es posible”, comenta Kuehr, “se trata de conocer su coste”.

Uno de los pasos más duros del reciclaje de residuos electrónicos es la separación de las baterías u otros componentes ricos en metales críticos del dispositivo o aparato que los contiene. Se trata de una tarea menor pero compleja, que a menudo se delega a los trabajadores peor remunerados en lugares como China o Nigeria. En el área de Guiyu, al de China, por ejemplo, más de 100.000 personas trabajan separando residuos electrónicos, calentando tarjetas de circuitos para retirar el plástico y después extraer los metales con ácido, con el gran riesgo que esta actividad conlleva tanto para ellos mismos como para el medio ambiente. La combustión descontrolada provoca la contaminación de aguas subterráneas. Un estudio encontró elevados niveles de plomo en los niños que viven en Guiyu. Japón se sitúa al frente en cuanto a esfuerzos para automatizar estos procesos para que se puedan hacer de forma económica y segura con la ayuda de máquinas, comenta King.

Uno de los investigadores señala que los fabricantes deben tener la responsabilidad de recuperar y reciclar sus propios productos debe recaer en los fabricantes.

Más importante que la tecnología, comenta Apelian, es la Política y la Educación. Un estudio de los EE. UU. señala que de entre cerca de 20 productos, desde plástico hasta metal, el producto que obtuvo un nivel más elevado de recuperación fueron las baterías de plomo ácido, que se utilizan principalmente en coches. Su recuperación es del 98%, comparado con el 50% aproximadamente de latas de aluminio. El motivo, según Apelian, es que el gobierno, preocupado por el plomo, ofrece a las compañías automovilísticas un incentivo financiero para que reciclen las baterías.

La responsabilidad, señala Apelian, debe recaer en los fabricantes, que han de recuperar y reciclar sus propios productos, de modo que estos sean más fáciles de reutilizar o de separar por piezas. “Necesitamos fabricar para recuperar. Eso es prácticamente inexistente.”

El reciclaje es quizás el mejor camino que deben seguir estos elementos cuya demanda se espera que se estabilice a la larga. La demanda por terbio y europio, por ejemplo, probablemente acabe desapareciendo de la misma manera que se reemplazan las bombillas fluorescentes por ledes mucho más pequeños. Pero en el caso de otros elementos, como el neodimio, esta no puede ser la única solución. “Actualmente necesitamos cantidades diminutas de neodimio, para los auriculares de los smartphones”, afirma King. “Pero para una turbina eólica de gran rendimiento necesitamos cerca de dos toneladas.”

Para aquellos elementos cuya demanda se espera ver incrementada, una opción es abrir nuevas minas. Actualmente China domina la explotación minera de tierras raras -en parte, según un informe de la Sociedad Americana de Física de 2011, porque los estándares medioambientales, menos exigentes, sobre la recuperación de tierras abaratan su coste. Pero existen recursos en otras partes. Hay cerca de 450 minas de tierra rara potenciales que se están estudiando en todo el mundo, según King. Algunas están bastante avanzadas. La división de tierra rara de la mina Mountain Pass en California se abrió de nuevo este año, después de que China la alejara del negocio en 2002. A pesar de algunas decepciones iniciales por la capacidad de producción, King piensa que será un éxito. Asimismo, la mina Mount Weld para tierras raras en Australia se está reactivando. Estos esfuerzos, entre otros, han reducido el porcentaje de producción de China del 97% al 90% aproximadamente en el último o últimos dos años, comenta King.

Uno de los enfoques es encontrar materiales alternativos que no necesiten tantos elementos críticos.

Puede resultar difícil desarrollar economías de escala cuando se trata con materiales que solo se utilizan en cantidades ínfimas. La demanda global por telurio en 2009, por ejemplo, fue solo de 200 toneladas métricas. Toda esta cantidad provenía de la minería del oro y del cobre como un producto derivado. A pesar de que el telurio es muy valioso, a 145 dólares el kilo, las pequeñísimas cantidades tienen un impacto prácticamente nulo en los beneficios de estas compañías mineras. “Deben ser llevados a la producción contra su voluntad”, comenta King.

Otra opción es hacer más eficientes los procesos de minería. Para las tierras raras, comenta King, las compañías mineras básicamente pulverizan la piedra, la meten en agua y soplan burbujas a través: los minerales de tierras raras tienden a flotar y se pueden extraer de la superficie. Pero con esta técnica solo se captura el 65% de las tierras raras en un mineral, señala King. Su instituto utiliza ahora superordenadores del Departamento de Energía de EE.UU. para la búsqueda de moléculas que puedan capturar los elementos y ayudarles a flotar. “Si pudiéramos inventar unos polvos mágicos para esparcir en el agua y conseguir que ese 65% ascienda a un 75%, la producción de tierra rara aumentará instantáneamente sin necesidad de abrir una nueva mina”, comenta King. Según él, esta estrategia será todo un éxito en uno o dos años.

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Una aproximación final es encontrar materiales alternativos que no necesiten tantos elementos críticos como base. Es una tarea difícil. “Las tierras raras son algo mágico”, señala King, en términos de propiedades. Son un ingrediente fundamental en imanes, por ejemplo, por la manera cómo actúan con las propiedades magnéticas del hierro, fuertes pero rebeldes -algo que ningún otro elemento parece capaz de hacer. Los esfuerzos en investigación para intentar hacer todavía más fuertes los imanes sin utilizar ninguna tierra rara se consideran poco prometedores. Pero, comenta King: “No los debemos descartar todos, aunque sí los más raros y caros [tierras raras].”

King es optimista. Comenta que la lucha con los recursos limitados retrocede. La Edad de Bronce, unos 2.000 años atrás, provocó que se agotaran los suministros de cobre. Como respuesta a ello, King dice que los antiguos reciclaron bronce, buscaron nuevas minas y estuvieron 200 años mejorando alternativas menos ideales pero más disponibles -hierro- para hacer el mismo trabajo. Las soluciones actuales son las mismas, aunque se espera que no se tardará tanto en encontrar sustitutos adecuados. “No nos llevará 200 años de nuevo,” dice King. “Nuestra meta son dos.”

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Nicola Jones

ACERCA DE LA AUTORA
Nicola Jones es una periodista freelance residente en Pemberton, British Columbia, en las afueras de Vancouver. Con conocimientos de química y oceanografía, escribe sobre las ciencias de la física, en gran parte para el periódico Nature. También ha colaborado con medios como Scientific American, Globe and Mail y New Scientist y ejerce de periodista científica residente de la Universidad de British Columbia (University of British Columbia).