En la primavera de 1949, tres exploradores armados con contadores Geiger partieron en busca de tesoros en las áridas montañas del sur de Nevada y el sureste de California.

En el siglo anterior, esas montañas produjeron oro, plata, cobre y cobalto. Pero los hombres estaban buscando un tipo diferente de tesoro: uranio. El mundo estaba saliendo de la Segunda Guerra Mundial y entrando a toda velocidad en la Guerra Fría. Estados Unidos necesitaba uranio para construir su arsenal de armas nucleares. La minería de fuentes locales se convirtió en un asunto de seguridad nacional.

Después de semanas de búsqueda, el trío dio con lo que pensaron que era terreno rentable. Sus instrumentos detectaron una radiactividad intensa en vetas de mineral de color marrón rojizo expuestas en un afloramiento rocoso dentro de la Cordillera Clark de California. Pero en lugar de uranio, el material marrón rojizo resultó ser bastnaesita, un mineral que contiene flúor, carbono y 17 elementos curiosos conocidos colectivamente como tierras raras. Rastros de torio radiactivo, también en el mineral, habían hecho sonar los contadores Geiger.

A pesar de lo decepcionante que debe haber sido, la bastnaesita aún tenía valor, y los buscadores vendieron su reclamo a Molybdenum Corporation of America, más tarde llamada Molycorp. La empresa estaba interesada en extraer las tierras raras. A mediados del siglo XX, los elementos de tierras raras comenzaron a ser útiles en una variedad de formas: el cerio, por ejemplo, fue la base de un polvo para pulir vidrio y el europio dio luminiscencia a las pantallas de televisión en color y lámparas fluorescentes inventadas recientemente.

Durante las próximas décadas, el sitio, más tarde denominado mina Mountain Pass, fue la principal fuente mundial de elementos de tierras raras, hasta que dos presiones se volvieron demasiado. A fines de la década de 1980, China extraía intensamente sus propias tierras raras y las vendía a precios más bajos. Y una serie de derrames de desechos tóxicos en Mountain Pass detuvo la producción en la mina en apuros en 2002.

Pero ese no fue el final de la historia. La revolución de la tecnología verde del siglo XXI atrajo una nueva atención a Mountain Pass, que luego reabrió y sigue siendo la única mina de tierras raras de EE. UU.

Las tierras raras ahora son parte integral de la fabricación de muchas tecnologías neutrales en carbono, además de una gran cantidad de herramientas que mueven el mundo moderno. Estos elementos son los componentes básicos de imanes permanentes pequeños y supereficientes que mantienen los teléfonos inteligentes zumbando, las turbinas eólicas girando, los vehículos eléctricos haciendo zoom y más.

El viaje de las tierras raras de la mina al imán Estos son los pasos que extraen los elementos de tierras raras del suelo y los introducen en nuestros productos de alta tecnología. Si bien los Estados Unidos extraen y concentran tierras raras, los pasos posteriores necesarios para hacer imanes actualmente se realizan en el extranjero. 1. Extraer minerales de tierras raras 2. Concentrar minerales de tierras raras extraídos 3. Separar las tierras raras 4. Proceso para fabricar metales y aleaciones. 5. Fabricación en imanes permanentes, motores, sensores, actuadores, vehículos eléctricos y electrónica de consumo

La minería de fuentes estadounidenses de elementos de tierras raras, declaró la administración del presidente Joe Biden en febrero de 2021, es un asunto de seguridad nacional.

Las tierras raras en realidad no son raras en la Tierra, pero tienden a estar dispersas por toda la corteza en bajas concentraciones. Y el mineral solo vale relativamente poco sin el procesamiento complejo, a menudo peligroso para el medio ambiente, que implica convertir el mineral en una forma utilizable, dice Julie Klinger, geógrafa de la Universidad de Delaware en Newark. Como resultado, la industria minera de tierras raras está luchando con un legado de problemas ambientales.

Las tierras raras se extraen excavando grandes pozos abiertos en el suelo, lo que puede contaminar el medio ambiente y alterar los ecosistemas. Cuando está mal regulada, la minería puede producir estanques de aguas residuales llenos de ácidos, metales pesados ​​y material radiactivo que podrían filtrarse a las aguas subterráneas. Procesar el mineral en bruto en una forma útil para fabricar imanes y otra tecnología es un esfuerzo prolongado que requiere grandes cantidades de agua y productos químicos potencialmente tóxicos, y produce desechos voluminosos.

“Necesitamos elementos de tierras raras... para ayudarnos con la transición hacia un futuro seguro para el clima”, dice Michele Bustamante, investigadora de sustentabilidad del Consejo de Defensa de los Recursos Naturales en Washington, DC Sin embargo, “todo lo que hacemos cuando estamos minando es ambientalmente impactante”, dice Bustamante.

Pero hay formas de reducir la huella de la minería, dice Thomas Lograsso, metalúrgico del Laboratorio Nacional Ames en Iowa y director del Instituto de Materiales Críticos, un centro de investigación del Departamento de Energía. Los investigadores están investigando todo, desde reducir la cantidad de desechos producidos durante el procesamiento del mineral hasta mejorar la eficiencia de la separación de elementos de tierras raras, lo que también puede reducir la cantidad de desechos tóxicos. Los científicos también están probando alternativas a la minería, como reciclar tierras raras de productos electrónicos viejos o recuperarlas de desechos de carbón.

Gran parte de esta investigación se realiza en asociación con la industria minera, cuya aceptación es clave, dice Lograsso. Las empresas mineras deben estar dispuestas a invertir para realizar cambios. “Queremos asegurarnos de que la ciencia y las innovaciones que hacemos estén impulsadas por las necesidades de la industria, para que no estemos aquí desarrollando soluciones que nadie realmente quiere”, dice.

Klinger dice que es cautelosamente optimista de que la industria minera de tierras raras puede volverse menos contaminante y más sostenible, si tales soluciones se adoptan ampliamente. “Muchas ganancias provienen de la fruta madura”, dice ella. Incluso las actualizaciones básicas de hardware para mejorar el aislamiento pueden reducir el combustible necesario para alcanzar las altas temperaturas necesarias para algunos procesos. "Haces lo que puedes]."

El impacto ambiental de la minería de tierras raras

Entre los picos irregulares de la cordillera Clark de California y la frontera de Nevada se encuentra un valle amplio, llano y reluciente conocido como el lago seco Ivanpah. Hace unos 8.000 años, el valle tenía agua todo el año. Hoy, como muchas de estas playas en el desierto de Mojave, el lago es efímero y aparece solo después de una lluvia intensa e inundaciones repentinas. Es un lugar hermoso y austero, hogar de tortugas del desierto en peligro de extinción y plantas raras del desierto como el algodoncillo de Mojave.

Aproximadamente desde 1984 hasta 1998, el lago seco Ivanpah también fue un corral de retención de aguas residuales canalizadas desde Mountain Pass. Las aguas residuales eran un subproducto del procesamiento químico para concentrar los elementos de tierras raras en la roca extraída, haciéndola más comercializable para las empresas que luego podrían extraer esos elementos para fabricar productos específicos. A través de una tubería enterrada, la mina enviaba aguas residuales a estanques de evaporación a unos 23 kilómetros de distancia, dentro y alrededor del lecho seco del lago.

¿Dónde se extraen las tierras raras?

Un pequeño número de países actualmente extraen elementos de tierras raras (mostrado). Pero se han identificado recursos de tierras raras en muchos otros lugares, incluidos Vietnam, Turquía y Groenlandia.

Ubicaciones de minería de tierras raras

1. Paso de montaña, California (EE. UU.) 2. Araxá (Brasil) 3. Lovozero (Rusia) 4. Khibiny (Rusia) 5. Bayan Obo (China) 6. Weishan (China) 7. Maoniuping (China)

8. Longan (China) 9. Birmania del Norte 10. Península de Tailandia (Tailandia) 11. Chavara (India) 12. Karonge (Burundi) 13. Mandena (Madagascar) 14.Monte Weld (Australia)

El oleoducto se rompió repetidamente a lo largo de los años. Al menos 60 derrames separados arrojaron al valle unas 2000 toneladas métricas de aguas residuales que contenían torio radiactivo. Los funcionarios federales temían que los residentes locales y los visitantes de la cercana Reserva Nacional de Mojave pudieran estar en riesgo de exposición a ese torio, lo que podría conducir a un mayor riesgo de cáncer de pulmón, páncreas y otros.

Unocal Corporation, que había adquirido Molycorp en 1977, recibió la orden de limpiar el derrame en 1997 y la empresa pagó más de $1,4 millones en multas y acuerdos. El procesamiento químico del mineral en bruto se detuvo. Las operaciones mineras se detuvieron poco después.

A medio mundo de distancia, se estaba desarrollando otro desastre ambiental. La gran mayoría, entre el 80 y el 90 por ciento, de los elementos de tierras raras en el mercado desde la década de 1990 provienen de China. Solo un sitio, la enorme mina Bayan Obo en Mongolia Interior, representó el 45 por ciento de la producción de tierras raras en 2019.

Bayan Obo abarca unas 4.800 hectáreas, aproximadamente la mitad del tamaño del complejo Walt Disney World de Florida. También es uno de los lugares más contaminados de la Tierra. Limpiar la tierra para excavar en busca de mineral significaba eliminar la vegetación en un área que ya era propensa a la desertificación, lo que permitió que el desierto de Gobi se desplazara hacia el sur.

En 2010, los funcionarios de la cercana ciudad de Baotou notaron que los desechos de la mina, o relaves, que contenían radiactivos, arsénico y flúor, se vertían en tierras de cultivo y en los suministros de agua locales, así como en el cercano río Amarillo. El aire estaba contaminado por humos y polvo tóxico que reducía la visibilidad. Los residentes se quejaron de náuseas, mareos, migrañas y artritis. Algunos tenían lesiones en la piel y dientes descoloridos, signos de exposición prolongada al arsénico; otros exhibieron signos de huesos quebradizos, indicaciones de fluorosis esquelética, dice Klinger.

La industria de tierras raras del país estaba causando “graves daños al medio ambiente ecológico”, escribió el Consejo de Estado de China en 2010. La liberación de metales pesados ​​y otros contaminantes durante la minería condujo a “la destrucción de la vegetación y la contaminación de las aguas superficiales, las aguas subterráneas y las tierras de cultivo. ” La "minería excesiva de tierras raras", escribió el consejo, provocó deslizamientos de tierra y ríos obstruidos.

Enfrentada a estos crecientes desastres ambientales, así como a los temores de que estaba agotando sus recursos de tierras raras demasiado rápido, China redujo sus exportaciones de elementos en 2010 en un 40 por ciento. Los nuevos límites dispararon los precios y generaron preocupación en todo el mundo de que China tenía un control demasiado estricto sobre estos elementos imprescindibles. Eso, a su vez, provocó inversiones en minería de tierras raras en otros lugares.

En 2010, había pocos otros lugares que extrajeran tierras raras, con una producción mínima de India, Brasil y Malasia. Una nueva mina en la remota Australia Occidental entró en funcionamiento en 2011, propiedad de la empresa minera Lynas. La empresa excavó en la lava fosilizada conservada dentro de un antiguo volcán llamado Mount Weld.

Informe especial: Metales preciosos Las tierras raras hacen posibles los teléfonos inteligentes y otras tecnologías, pero plantean grandes desafíos. Lea más de esta serie: Cómo las propiedades ocultas de los elementos de tierras raras hacen posible la tecnología moderna Reciclar elementos de tierras raras es difícil. La ciencia está tratando de hacerlo más fácil Los elementos de tierras raras podrían extraerse de los residuos de carbón

Mount Weld no tuvo el mismo tipo de impacto ambiental visto en China: su ubicación era demasiado remota y la mina era solo una fracción del tamaño de Bayan Obo, según Saleem Ali, planificador ambiental de la Universidad de Delaware. . Mientras tanto, Estados Unidos estaba ansioso por volver a tener su propia fuente de tierras raras, y Mountain Pass seguía siendo la mejor perspectiva.

La mina Mountain Pass se revive

Después del desastre de Ivanpah Dry Lake, la mina Mountain Pass volvió a cambiar de manos. Chevron lo compró en 2005, pero no reanudó sus operaciones. Luego, en 2008, una empresa recién formada llamada Molycorp Minerals compró la mina con planes ambiciosos para crear una cadena completa de suministro de tierras raras en los Estados Unidos.

El objetivo no era solo extraer y procesar el mineral, sino también separar los elementos deseables e incluso convertirlos en imanes. Actualmente, las separaciones y la fabricación de imanes se realizan en el extranjero, principalmente en China. La empresa también propuso un plan para evitar el vertido de aguas residuales en los frágiles hábitats cercanos. Molycorp reanudó la minería e introdujo un proceso de "relaves secos", un método para exprimir el 85 por ciento del agua de sus desechos mineros, formando una pasta espesa. Luego, la empresa almacenaría el residuo pastoso e inmovilizado en pozos revestidos en su propio terreno y reciclaría el agua nuevamente en la instalación.

Desafortunadamente, Molycorp "fue una debacle épica" desde una perspectiva comercial, dice Matt Sloustcher, vicepresidente senior de comunicaciones y políticas de MP Materials, actual propietario de la mina Mountain Pass. La mala gestión finalmente llevó a Molycorp a declararse en bancarrota del Capítulo 11 en 2015. MP Materials compró la mina en 2017 y reanudó la minería ese mismo año. Para 2022, la mina Mountain Pass producía el 15 por ciento de las tierras raras del mundo.

MP Materials también tiene una agenda ambiciosa con planes para crear una cadena de suministro completa. Y la empresa está decidida a no repetir los errores de sus predecesores. “Tenemos un depósito increíble de clase mundial, un potencial sin explotar”, dice Michael Rosenthal, director de operaciones de MP Materials. “Queremos apoyar una cadena de suministro robusta y diversa en los EE. UU., ser el campeón del magnetismo en los EE. UU.”

Los desafíos de separar las tierras raras

En una calurosa mañana de agosto, Sloustcher se encuentra al borde de la mina Mountain Pass, un agujero gigante en el suelo, de 800 metros de ancho y hasta 183 metros de profundidad, lo suficientemente grande como para ser visible desde el espacio. Es una vista impresionante y un buen punto de vista desde el cual describir una visión para el futuro. Señala los diversos edificios: donde se tritura y muele el mineral, donde las rocas molidas se tratan químicamente para desprender la mayor cantidad posible de material de tierras no raras, y donde se exprime el agua de esos desechos y estos se colocan en estanques revestidos.

El resultado final es un mineral de óxido de tierras raras altamente concentrado, que aún no está cerca de la etapa de fabricación de imanes. Pero la compañía tiene un plan de tres etapas "para restaurar el suministro completo de tierras raras a los Estados Unidos", desde "la mina hasta el imán", dice Rosenthal. La etapa 1, iniciada en 2017, consistía en reiniciar la extracción, trituración y concentración del mineral. La etapa 2 culminará con la separación química de los elementos de tierras raras. Y la etapa 3 será la producción de imanes, dice.

Fuentes de elementos de tierras raras a lo largo del tiempo A mediados del siglo XX, la mina US Mountain Pass era la principal fuente mundial de óxidos de tierras raras. China comenzó a dominar la producción mundial en la década de 1990. En la última década, el regreso de Mountain Pass junto con la apertura de Mount Weld en Australia y la producción en Myanmar, Brasil y otros lugares han comenzado a cambiar ese equilibrio. Producción mundial de tierras raras

Desde que entró en funcionamiento en 2017, MP Materials ha enviado su mineral concentrado a China para los siguientes pasos, incluido el arduo y peligroso proceso de separar los elementos entre sí. Pero en noviembre, la compañía anunció a los inversionistas que había comenzado los pasos preliminares para la etapa 2, un "gran hito" en el camino hacia la realización de sus ambiciones de mina a imán.

Con inversiones del Departamento de Defensa de EE. UU., la empresa está construyendo dos instalaciones de separación. Una planta extraerá elementos de tierras raras más livianos, aquellos con números atómicos más pequeños, incluidos el neodimio y el praseodimio, los cuales son ingredientes clave en los imanes permanentes que alimentan los vehículos eléctricos y muchos productos electrónicos de consumo. MP Materials tiene una subvención adicional del DOD para diseñar y construir una segunda planta de procesamiento para separar los elementos de tierras raras más pesados, como el disprosio, también un ingrediente en los imanes, y el itrio, que se usa para fabricar superconductores y láseres.

Al igual que la etapa 2, la etapa 3 ya está en marcha. En 2022, la compañía inició la construcción en Fort Worth, Texas, de una instalación para producir imanes de neodimio. Y firmó un acuerdo con General Motors para suministrar esos imanes para motores de vehículos eléctricos.

Pero separar los elementos viene con su propio conjunto de preocupaciones ambientales.

El proceso es difícil y conduce a una gran cantidad de residuos. Los elementos de tierras raras son extremadamente similares químicamente, lo que significa que tienden a permanecer juntos. Forzarlos a separarse requiere múltiples pasos secuenciales y una variedad de poderosos solventes para separarlos uno por uno. El hidróxido de sodio cáustico hace que el cerio se caiga de la mezcla, por ejemplo. Otros pasos involucran soluciones que contienen moléculas orgánicas llamadas ligandos, que tienen una poderosa sed de átomos metálicos. Los ligandos pueden unirse selectivamente a elementos de tierras raras particulares y sacarlos de la mezcla.

Pero uno de los mayores problemas que afectan a este proceso de extracción es su ineficiencia, dice Santa Jansone-Popova, química orgánica del Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee. La recolección de estos metales es lenta e imperfecta, y las empresas tienen que pasar por muchos pasos de extracción para obtener una cantidad suficientemente comercializable de los elementos. Con los métodos químicos actuales, “se necesitan muchas, muchas, muchas etapas para lograr la separación deseada”, dice Jansone-Popova. Eso hace que todo el proceso sea “más complejo, más costoso y produce más desechos”.

Bajo la égida del Instituto de Materiales Críticos del DOE, Jansone-Popova y sus colegas han estado buscando una manera de hacer que el proceso sea más eficiente, eliminando muchos de esos pasos. En 2022, los investigadores identificaron un ligando que, según dicen, es mucho más eficiente para enganchar ciertas tierras raras que los ligandos que ahora se usan en la industria. Los socios de la industria están a bordo para probar el nuevo proceso este año, dice ella.

Además de las preocupaciones sobre los metales pesados ​​y otros materiales tóxicos en los desechos, existen preocupaciones persistentes sobre los impactos potenciales de la radiactividad en la salud humana. El problema es que todavía hay evidencia epidemiológica limitada del impacto de la minería de tierras raras en la salud humana y ambiental, según Ali, y gran parte de esa evidencia está relacionada con la toxicidad de metales pesados ​​como el arsénico. Tampoco está claro, dice, qué parte de las preocupaciones sobre los desechos radiactivos están respaldadas científicamente, debido a la baja concentración de elementos radiactivos en las tierras raras extraídas.

Sin embargo, tales preocupaciones atraen la atención internacional. En 2019, estallaron protestas en Malasia por lo que los activistas llamaron “una montaña de desechos tóxicos”, alrededor de 1,5 millones de toneladas métricas, producidas por una instalación de separación de tierras raras cerca de la ciudad malaya de Kuantan. La instalación es propiedad de Lynas, que envía su mineral de tierras raras desde Mount Weld de Australia al sitio. Para disolver las tierras raras, el mineral se cuece con ácido sulfúrico y luego se diluye con agua. El residuo que queda puede contener trazas de torio radiactivo.

Lynas no tenía un almacenamiento permanente para los desechos, sino que los amontonaba en las colinas cerca de Kuantan. Pero la alarma sobre la radiactividad potencial en esas colinas puede ser exagerada, dicen los expertos. Lynas informa que los trabajadores en el sitio están expuestos a menos de 1,05 milisieverts por año, muy por debajo del umbral de exposición a la radiación para trabajadores de 20 milisieverts establecido por la Agencia Internacional de Energía Atómica.

“Hay mucha información errónea sobre subproductos como el torio… El torio del procesamiento de tierras raras es en realidad radiación de muy bajo nivel”, dice Ali. “Como alguien que ha sido un ambientalista comprometido, siento en este momento que no hay mucha toma de decisiones basada en la ciencia sobre estas cosas”.

Dadas las preocupaciones sobre la nueva minería, los grupos de expertos ambientales como el Instituto de Recursos Mundiales han estado pidiendo más reciclaje de los materiales de tierras raras existentes para reducir la necesidad de nueva minería y procesamiento.

“El camino hacia el futuro tiene que ver con aprovechar al máximo lo que sacamos de la tierra”, dice Bustamante, del NRDC. “En última instancia, la mayor palanca de cambio no está en la minería en sí, sino en la fabricación y en lo que hacemos con esos materiales al final de su vida útil”.

Eso significa utilizar los recursos extraídos de la manera más eficiente posible, pero también reciclar tierras raras a partir de materiales ya existentes. Obtener más de estos materiales puede reducir los impactos ambientales generales de la minería en sí, agrega.

Ese es un objetivo que vale la pena, pero el reciclaje no es una panacea, dice Ali. Por un lado, no hay suficientes baterías usadas cargadas de tierras raras y otros materiales disponibles en este momento para reciclar. "Será necesaria algo de minería, [porque] en este momento no tenemos las existencias". Y ese problema de suministro, agrega, solo crecerá a medida que aumente la demanda.