一臺巨大的風力渦輪機——能夠將微風轉化為 200 萬瓦的電力——擁有 40 米長的玻璃纖維葉片，塔高 90 米，重達數百噸，並且從根本上依賴於大約 300 公斤被稱為釹的柔軟銀色金屬——一種所謂的稀土。
這種元素構成了渦輪機中使用的磁鐵的基礎。“大型永磁體使發電機成為可能，”材料科學家、美國能源部 (DoE) 艾姆斯實驗室主任亞歷克斯·金解釋說。艾姆斯實驗室於 1940 年代開始作為曼哈頓計劃的一部分製造稀土磁鐵。磁鐵越強，發電機就越強大——而釹等稀土元素構成了最強大的永磁體的基礎。
在現代世界，稀土的應用遠不止於磁鐵。稀土跨越 17 種元素——從鑭到鎦，加上鈧和釔——它們被用於計算機、螢幕、超導體、煉油廠、混合動力或電動汽車、催化轉化器、緊湊型熒光燈泡、發光二極體、雷射器、揚聲器和麥克風、手機、核磁共振成像儀、電信、電池電極、先進武器系統、拋光玻璃，甚至用於執行汽車車窗的電動機。“五角大樓使用的任何軍事系統都包含稀土，”金指出，從艾布拉姆斯坦克到雷達系統。
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強大的吸引力
但是，在很大程度上，磁鐵推動了釹和鏑等稀土需求的增長——根據《科學》雜誌發表的一項分析，每年增長 15%。當然，磁鐵是發電的關鍵，而電是使用更清潔能源的關鍵——無論是風力渦輪機還是電動汽車。
在這些裝置的核心是當今最強大的磁鐵——釹、鐵和硼的混合物，可以產生高達 60 兆高斯-奧斯特（一種磁強度單位）的能量積。相比之下，典型的鐵磁體的能量積僅為 4 兆高斯-奧斯特，而冰箱磁體通常僅為 0.5 兆高斯-奧斯特。“磁鐵越強，磁鐵就可以越小，”通用電氣高溫合金和加工實驗室的經理 Luana Iorio 解釋說。
幸運的是，這些元素“既不稀有也不是土”，就像土壤一樣（儘管可以在那裡找到它們），金補充說。這個名字來源於它們在 18 世紀末在瑞典於特比附近發現的礦石中首次被發現時的稀缺性。不幸的是，“發現經濟上可提取的合理濃度是相當罕見的。”
目前的情況是，每年生產的 124,000 噸釹、鏑（這個名字的意思是“難以獲得”）和其他重要的稀土元素中，有 97% 來自一個地方：中國。“當對釹的需求開始上升時，部分原因是風力渦輪機和混合動力汽車，中國人是唯一剩下的供應商，”金說。而且，對稀土的需求持續超過供應，特別是由於中國實施了出口配額。
因此，目前正在尋找更好的稀土使用方法，以及更好的開採方法，也許更重要的是，清潔地分離稀土以供使用。
關鍵一環
在中國包頭市 190 公里外的黃河岸邊，巨大的廢料池給景觀留下了傷疤。從太空可見，內蒙古的白雲鄂博鐵礦是世界上最大的稀土來源地，而向其供應稀土的中國公司使用酸將它們從礦石中溶解出來，這些礦石通常還含有釷、鐳甚至鈾等放射性元素。用強酸進行密集的煮沸——由於元素在化學上非常相似而重複數千次——最終分離出釹、鏑或鈰。
如此困難的生產過程是美國不再開採稀土的原因之一。直到 1990 年代，美國還是稀土的主要供應商，主要來自加利福尼亞州山隘的一個礦場，該礦場由石油公司優尼科所有，該公司現在是雪佛龍的一部分。優尼科在 2002 年關閉了該礦場和加工廠，因為他們無法與中國在 1990 年代開始湧入市場的更純淨產品競爭。優尼科“認為不需要高純度產品，”化學家約翰·伯巴解釋說，他是 Molycorp 的首席技術官，該公司希望在山隘礦重新開始稀土生產。
此外，這些運營並不完全環保。“在 1990 年代，該工廠每分鐘將 850 加侖的廢水透過管道排入蒸發池，”伯巴指出。“由於他們使用的化學物質，這是一種糟糕的混合物。”此外，山隘的稀土與放射性釷混合在一起，需要特別小心地處理和處置。
由於它們的化學相似性，所有稀土元素都難以分離——而且它們永遠不會單獨存在。“稀土的挑戰在於它們總是同時出現，”通用電氣的 Iorio 解釋說。“將它們彼此分離需要加工成本。”
儘管如此，中國海洋石油總公司 (CNOOC) 還是想在 2005 年收購優尼科及其在加利福尼亞州的稀土資產，據伯巴稱，美國軍方阻止了這一舉動。現在 Molycorp 希望在 2012 年使用一種新工藝重新開始運營，這將需要 Molycorp 以 5 億美元的成本基本上重建整個運營。該工藝採用強酸和強鹼來分離稀土——即所謂的氯鹼溶劑萃取法——但它仍然不會產生純稀土；相反，它將產生鈰、鑭、鐠和釹的氧化物。
本質上，山隘將成為一家化工廠，從現場天然氣鍋爐中吸取電力和蒸汽。此外，該過程的廢水將被回收以生產重新開始該過程所需的強酸和強鹼——鹽酸和氫氧化鈉。“採礦只是我們運營的一小部分，”伯巴說，並指出採礦含有稀土的礦石僅佔他公司成本的 10%。“我們所做的大部分是先進化學。”
當然，仍然會有副產品——例如採礦和分離產生的殘留礦石或尾礦，以及化學過程產生的碳酸鈣、碳酸鎂和氫氧化鎂，以及討厭的釷。但是，氯鹼過程產生的主要鹽是氯化鈉（也稱為食鹽），它將被回收利用到該過程中，利用現場產生的一些蒸汽，並使用氯鹼裝置製造新的酸和鹼。“這是一個巨大的鹽水迴圈，”伯巴解釋說。“我們的用水量是該場地歷史上用水量的 10% 或更少。”
到明年，該場地希望每年生產 270 萬公斤稀土氧化物——使用液體離子交換工藝從礦石中分離元素。到 2015 年，他們希望達到全面生產，每年生產 1800 萬公斤各種稀土氧化物。“我們擁有超過 30 年的採礦能力，每年 4000 萬磅，”伯巴說。
但這僅佔目前全球市場的 6%，而全球市場仍在增長。美國政府問責辦公室估計，需要 7 到 15 年的時間才能找到新的稀土礦藏，建立加工基礎設施，並使它們可供製造商使用。“這不像出去淘金，”伯巴指出。“這種加工需要大量的化學加工。你必須有良好的基礎設施。”
地質學家在澳大利亞、加拿大、蒙古、越南甚至格陵蘭島都發現了礦藏，並且還在努力開始開採當今大量廢棄電子產品中的礦藏。“在二手產品中有很多稀土材料；從那個城市礦山中提取將是可行的，”艾姆斯實驗室的金爭辯道，該實驗室也有科學家正在研究更好的提取方法，例如從礦石或舊發電機中提取釹。“回收肯定會是解決這個問題的重要組成部分。”
但在可預見的未來，中國將繼續主導稀土生產——並且擁有世界上最大的儲量，幾乎是其北部和西部的鄰國（獨立國家聯合體，該組織是蘇聯解體後由前蘇聯共和國組成的）的兩倍，是美國儲量的三倍。中國是鏑的唯一生產國，鏑對於美國軍方和混合動力汽車製造商青睞的耐熱磁鐵至關重要。
材料擠壓
今年秋天，中國據報道因外交糾紛而切斷了對日本汽車製造商和其他使用者的稀土供應，世界開始意識到這種主導地位的危險。畢竟，到 2005 年，所有美國釹鐵硼磁鐵製造商（由通用汽車研究人員在 1980 年代初發明）都已關閉。但是，即使在中國展示其市場主導力量之前，許多科學研究人員一直在研究如何透過製造更好的磁性材料來減少稀土的使用——甚至完全不使用稀土。
磁性來自某些元素的原子核周圍軌道上的電子。當原子以某種方式排列時，就會產生強大的磁場。像鐵或釹這樣的磁性元素通常會以這種方式排列，從而產生永久磁場。
但是，透過調整這種排列——使用其他材料將其分隔開或將其嵌入到奈米級的晶格複合材料中（一奈米是十億分之一米）——科學家們可以潛在地成倍增加這些磁鐵的強度：磁鐵越強，您需要的磁鐵就越少。“大約 15 年來，一直有理論認為，如果你有一個非常受控的奈米結構磁鐵，你可以將它的強度提高一倍，”通用電氣的 Iorio 說。“如果你可以將強度提高一倍，你可以使用更小的磁鐵並獲得相同的效能——或者具有相同的大小並獲得更高的效能。”這也意味著通用電氣可以在金屬材料上花費更少；該公司目前每年花費約 40 億美元購買金屬和合金。
通用電氣獲得了美國能源部 ARPA-E 專案 220 萬美元的獎勵，用於開發散裝此類奈米複合材料磁鐵，以期將稀土元素的使用量減少 80%。挑戰在於使如此微小的微結構穩定——並在更大的、散裝的規模上可重複。但是，Iorio 說，在兩年內，“我們將擁有一個足夠大可以放在你手掌中的磁鐵。可以 [貼在] 你冰箱上的東西。”
2009年10月，美國能源部高階研究計劃署（ARPA-E）也向特拉華大學的物理學家喬治·哈吉帕納伊斯領導的團隊提供了440萬美元的資助，用於建立一種釹鐵硼磁體的奈米結構版本，該版本可以減少對釹的需求。其秘訣在於：將其與較軟的磁性材料混合，這些材料僅在暴露於磁場時才保持磁性。“釹鐵硼奈米粒子很難製造，因為它們非常活潑，”哈吉帕納伊斯說，此外，它們也很難在給定的奈米結構中對齊。“很難獲得對齊的磁性材料，”他補充說。“我的挑戰是製造更大數量的這些奈米粒子，確保保護它們，並找到一種組裝它們的方法。”
與此同時，哈吉帕納伊斯正在研究是否可以使用更廣泛可用的稀土作為替代品，或者是否可以製造不使用任何稀土元素的強大磁體，例如鐵鈷合金。“任何能出來的東西，我們都會接受，”他在尋找釹替代品時說，儘管已知唯一與稀土一樣強的合金由鐵和鉑組成，但鉑太昂貴，無法在商業上競爭。“當你找到某種東西時，需要5到10年才能將其商業化。我預計未來15到20年內不會出現無稀土材料。”
這意味著稀土帶來的材料挑戰不會很快解決，特別是在更多的風力發電場覆蓋陸地、緊湊型熒光燈泡和發光二極體大量普及以及越來越多的混合動力或電動汽車上路的情況下。“有一些材料危機，例如全球對鉻的需求，很容易解決——我們只是停止在汽車上使用鉻，”金指出。“這個問題沒那麼容易解決。”