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¿Qué pasará cuando se acaben las materias primas?

Las reservas de algunos minerales de tierras raras que se utilizan en la electrónica, los equipos médicos y las energías renovables podrían agotarse en menos de 100 años.

Los minerales de tierras raras son recursos naturales que no se pueden recrear ni reemplazar. Algunos están presentes solo en cantidades muy pequeñas en la corteza terrestre. Fueron creados cuando las condiciones extremas de calor y presión producidas por la evolución de una estrella unieron los átomos para crear elementos. Cuando el núcleo de una estrella colapsa, explota como una supernova.

Se acumularon con el tiempo a medida que las estrellas explotaban y los elementos caían a la Tierra. “Los planetas como la Tierra están hechos de los remanentes de estrellas viejas y muertas y el producto de explosiones estelares como supernovas, todos gravitando juntos; la Tierra y todo lo que hay en ella, incluidos nosotros mismos, están hechos de polvo de estrellas ”, dice Elisabeth Ratcliffe de la Royal Society of Chemistry.

Hay cinco minerales de tierras muy raras que se utilizan en tecnología que damos por sentado en la actualidad. Son tantalio, plata, litio, galio e indio.

Algunos minerales solo están presentes en cantidades muy pequeñas. Muchos se utilizan en los dispositivos electrónicos actuales, como los teléfonos inteligentes y, cada vez más, en productos de energía renovable como los paneles solares y las baterías para vehículos eléctricos (EV). “Se crean geológicamente y no hay nada que podamos hacer, por el momento, en el laboratorio para recrearlos. Las reservas actuales para muchos de estos elementos en este momento son bastante limitadas ”, explica Ratcliffe.

El tantalio (Ta) se encuentra en minerales de tantalita, principalmente columbita-tantalita. Fue descubierto en el siglo XVIII, pero la minería industrial solo comenzó en la década de 1920. El heavy metal es extremadamente duro. Tiene un alto punto de fusión de 3.017 ° C y una alta resistencia a la corrosión que es la misma que la del vidrio. Puede resistir el ataque químico hasta 150 ° C, es estable a temperatura ambiente y también es extremadamente dúctil: se puede estirar en un alambre delgado, resistente y flexible. También se puede enrollar en una placa muy delgada en su estado frío sin necesidad de recocido, un tratamiento térmico que puede alterar las propiedades químicas de un material para hacerlo viable.

Hoy en día, su capacidad de almacenamiento de energía se utiliza en condensadores electrónicos en computadoras y teléfonos móviles. Tiene una baja tasa de fallas, por lo que se utiliza en electrónica automotriz y aeroespacial, energía atómica y turbinas eólicas. No reacciona con los fluidos del cuerpo, por lo que se puede utilizar en implantes médicos, incluidos implantes óseos y marcapasos. La plata (Ag) también se utiliza en pequeños componentes electrónicos. “Es naturalmente antibacteriano, por lo que se ha propuesto su uso en apósitos para heridas”, dice Ratcliffe. El litio (Li) es un metal suave y liviano. Tiene un punto de fusión bajo y un punto de ebullición alto. Es omnipresente en las baterías para dispositivos electrónicos, desde computadoras portátiles hasta teléfonos, pero se estima que ocupa solo el 0,0007 por ciento de la corteza terrestre.

Sus capacidades de almacenamiento de energía y su peso ligero lo han convertido en la opción dominante para la tecnología de baterías en los vehículos eléctricos. Forbes informa que entre 2019 y 2025, la demanda de litio se quintuplicará para llegar a 1,3 millones de toneladas de carbonato de litio equivalente.

También se ha descubierto que el litio se dirige al sistema nervioso central, fortaleciendo las conexiones nerviosas para estimular la liberación de sustancias químicas que equilibran el estado de ánimo en el tratamiento de los trastornos bipolares y la depresión. La investigación médica utiliza litio y galio (Ga) en algunos tratamientos contra el cáncer en los que los átomos de metal en las moléculas de un fármaco se pueden utilizar como catalizador en la síntesis de un fármaco para medir la reacción.

En forma líquida, el galio también se utiliza para pantallas, pantallas y paneles solares. El metal tiene un punto de fusión bajo pero un punto de ebullición alto (2.204 ° C). Se utiliza en compuestos de arseniuro de galio (GaAs) y nitruro de galio (GaN) en semiconductores, por sus propiedades de transferencia de calor y enfriamiento.


El indio (In) es transparente, conduce la electricidad y se adhiere bien al vidrio. Se utiliza en pantallas de panel plano, LED de alto brillo y tecnologías fotovoltaicas, incluidos los paneles solares.


El galio y el indio se extraen de minerales de bauxita, zinc, estaño y plata. Los impactos ambientales de la minería y el costo de producción pueden limitar la disponibilidad de estos recursos y el potencial para extraerlos, dice David Merriman de Roskill, una consultora de investigación de la industria. Además del agua y la energía que se utilizan en la extracción de los depósitos, los procesos químicos para extraer metales puros del mineral metálico son intensivos en carbono.

Si bien nadie extrae elementos raros a gran escala, algunos minerales se extraen mediante el reciclaje. Los cables eléctricos, por ejemplo, se pueden dividir en chips de cobre y chips de plástico para su reciclaje. El oro y los metales como el aluminio se pueden reciclar y reutilizar de forma eficaz, pero los elementos más raros no se reciclan. La Royal Society of Chemistry aboga por "reducir, reutilizar, reciclar" .


Aunque el reciclaje incurre en un costo en términos de uso de energía y emisiones de gases de efecto invernadero, aún es menor que para la minería inicial. “Podemos comenzar usando menos, luego extender la vida útil de los productos y el reciclaje es en realidad el último recurso”, dice Ratcliffe. “Todo tiene un costo energético, por lo que tendremos que hacer dos cosas: disminuir el consumo y disminuir nuestra dependencia de algunos de estos elementos mediante el uso de otros, pero es importante recordar las propiedades especiales que tienen, que es la razón por la que estamos usando estos elementos en primer lugar ".

La escasez y el costo de extraer estos elementos de tierras raras está impulsando un tramo de investigación sobre alternativas.


Una de las principales áreas de investigación es el grafeno. Este carbono es una sola capa de átomos dispuestos en una red hexagonal. La sustancia fuerte, liviana y delgada conduce la electricidad, es un conductor térmico y es transparente.

Para las pantallas táctiles, por ejemplo, tiene muchas de las mismas propiedades conductoras que el indio, aunque actualmente no se puede producir en láminas suficientes para su uso en grandes áreas.



Un equipo de investigadores del University College London y la Academia de Ciencias de China utilizó películas laminadas de grafeno para diseñar un supercondensador que cargará los vehículos eléctricos rápidamente y con mayores densidades de potencia que las tecnologías convencionales de carga rápida.


El proyecto utilizó películas laminadas de grafeno y aumentó la densidad de energía al alterar el tamaño de los poros de las membranas para que coincida con el tamaño de los iones de electrolito. El resultado fue un aumento en la densidad de energía volumétrica de 5-8 vatios-hora por litro (Wh / L) a 88,1Wh / L. El supercondensador también superó a una batería convencional al retener el 97,8 por ciento de la capacidad de energía después de 5.000 ciclos.


Se propone que dicho supercondensador podría combinarse con baterías de litio en vehículos eléctricos para almacenar una gran cantidad de energía en un sistema compacto para una carga rápida y salida controlada. La adopción se basa en cantidades suficientes de grafeno a precio comercial, lo que actualmente no es factible.


Una alternativa a las baterías de iones de litio son las baterías de litio-azufre. Pueden contener hasta cinco veces más energía, lo que reduce el peso de la batería, y serían más baratos de producir ya que el azufre está más disponible.


El problema para los desarrolladores es que las baterías se degradan rápidamente con cada ciclo de carga. Un equipo internacional dirigido por investigadores de la Universidad de Monash en Australia ha alterado el equilibrio de carbono y aglutinante para permitir que el azufre tenga más espacio para adaptarse a los cambios en la estructura durante la carga, lo que alivia el estrés y le permite mantener su integridad. Se ha aprobado una patente para el proceso de fabricación y el Dr. Mahdokht Shaibani del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de Monash espera disponibilidad comercial en cuatro años. Oxis Energy, con sede en Abingdon, está probando prototipos en aviones eléctricos y en automóviles y redes solares en Australia.

Fuente: eandt.theiet


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