Tekniikkariippuvainen elämä vaatii kummia aineita. Maametalleita on pakko saada – vaikka Kuusta.

Teksti: Kalevi Rantanen

Kauhu-uutinen Länsi-Euroopassa, Yhdysvalloissa ja Japanissa: kiinalaiset rajoittavat maametallien vientiä entisestään. Kiina tuottaa tätä nykyä 97 prosenttia maametalleista. Ne kuuluvat hightech-raaka-aineisiin, joita tarvitaan yhä enemmän pitkälle kehittyneen tekniikan tuotannossa.Maametalleista voidaan niiden elektronirakenteen ansiosta rakentaa esimerkiksi voimakkaita magneetteja. Jos näiden raaka-aineiden saanti loppuisi, tekniikkariippuvainen elämämme kävisi hankalaksi.Olisi vaikea valmistaa suosittuja taulutietokoneita, joihin käytetään dysprosiumia, neodyymiä, praseodyymia ja terbiumia. Jos päätelaitteet toimisivatkin, olisi vaikea viestiä mitään verkon kautta. Signaali kulkee ainakin jossain jonkin matkaa valokuidussa, johon tarvitaan erbiumia, europiumia, terbiumia ja yttriumia. Uuden energiatekniikan kehitys hidastuisi. Neodyymiä käytetään voimakkaissa magneeteissa, joita on sähköautojen moottoreissa ja tuulimyllyjen generaattoreissa. Monet valot sammuisivat, sillä loistelamput, joita nykyiset energiansäästölamput tavallisesti ovat, sisältävät europiumia, yttriumia ja terbiumia. Hankaluuksia tulisi myös perinteisen energian tuottamisessa ja käytössä. Raakaöljyn tislauksessa bensiiniksi ja muiksi öljytuotteiksi käytetään katalyytteinä lantaanin, praseodyymin, neodyymin ja ceriumin oksideja. Liikenteen päästöt lisääntyisivät, koska ceriumia käytetään myös autojen katalysaattoreissa. Jopa tupakoitsijat tuntisivat maametallin katoamisen. Tupakansytyttimen kivi on ceriumin klassinen käyttökohde.

Lisää kriittisiä materiaaleja

Monien muidenkin hightech-materiaalien saannin pelätään vaikeutuvan, ja teollisuus on jo alkanut toimia mineraalipulan lievittämiseksi. Kaivosyhtiö Molycorp aloittaa Kalifornian Mountain Passissa maametallien tuotannon uudelleen ehkä jo tänä vuonna. Vajaat kymmenen vuotta sitten kaivos suljettiin, kun tavaraa sai Kiinasta halvemmalla.Australiassa Lynas aloittaa maametallien louhinnan Mount Weldissä, Perthin lähellä. Yhtiön mukaan siellä on maailman suurin maametalliesiintymä.

Rikkauksia vaikka merenpohjasta

Yhdysvaltain geologisen tutkimuslaitoksen USGS:n mukaan Kiinassa on tunnetuista maametallivaroista puolet. Osuus on suuri, ja tämänhetkinen tuotannon keskittyminen Kiinaan voi ääritapauksessa aiheuttaa kovia sokkeja maailmantaloudessa. Vähän pitemmän ajan kuluessa raaka-ainemonopoli kuitenkin murtuu.Kysymys on enemmän hinnasta kuin saatavuudesta. Hightech-metalleja riittää vielä pitkään maankuoressa, ja hintojen noustessa huonojenkin malmien louhinta tulee kannattavaksi. Kaivaminen, rikastus ja jalostus tehostuvat, mikä kompensoi esiintymien köyhtymistä. Lisäksi suuri osa maapallon kivikehästä on vielä tutkimatta mantereillakin, merenpohjasta puhumattakaan. USGS:n geologi James Hein muistuttaa, että 70 prosenttia maapallon pinnasta on veden alla mutta mineraaleja on etsitty tähän mennessä lähes yksinomaan maalta. Mereen ihminen on kastanut vasta pikkuvarvastaan. Esimerkiksi Tyynen valtameren pohjaan on rikastunut telluuria, vismuttia, platinaa ja pariakymmentä muuta materiaalia. Etenkin telluuria on poikkeuksellisen paljon. Tärkeintä on, että tuntemattomien varojen uskotaan olevan hyvin suuret.

Toisen jäte, toisen malmi

Kaivaminen on joka tapauksessa kallista, vaikka tekniikka paranee. Energiaa kuluu paljon. Tuotannossa syntyy monenlaisia jätteitä, joiden asianmukainen käsittely lisää kustannuksia entisestään.Yksi ratkaisu kustannusongelmaan on urbaani kaivostoiminta eli kierrätys. Japanissa Hitachi kierrättää ilmastointilaitteiden kompressorien magneetteja. Joka kompurasta saadaan talteen kolmekymmentä grammaa harvinaisia maametalleja.Mitsubishi Materials tutkii mahdollisuuksia erottaa neodyymiä ja dysprosiumia romutetuista pesukoneista. Japanilainen kaivosyhtiö Dowa on rakentanut Kosakaan Keski-Japaniin uunin, jossa sulatetaan elektroniikkaromua ja erotetaan maametalleja. Tonnista romua saadaan 150 grammaa metallia.Perusongelma on sama kuin tavallisessa kaivostoiminnassa: pienen metallimäärän erottaminen suuresta romumassasta maksaa paljon. Kustannusten alentamiseksi keksitään jo uusia tekniikoita. Esimerkiksi japanilainen yritys Morishita Jintan ilmoitti viime vuonna kehittäneensä Osakan yliopiston kanssa menetelmän, jossa bakteerit erottavat palladiumia ja indiumia romusta. Tekniikan kaupallistaminen vie vielä vuosia.

Korvataan ja säästetään

Toisaalla kalliiden raaka-aineiden tarvetta yritetään tosissaan vähentää. Yhdysvaltain energiaministeriö tukee tavallista riskipitoisempia hankkeita, jotka toisaalta onnistuessaan antavat merkittäviä tuloksia.Näihin seikkailuihin kuuluu magneettien kehittäminen. Nebraskan yliopiston tutkijat selvittävät, saisiko rauta-kobolttiseoksesta ja volframista hyvän magneetin. Amesin laboratorio Iowassa tutkii harvinaisten maametallien ja halvempien materiaalien, kuten litiumin, sinkin, mangaanin ja seleenin, seoksia, jotta  vaikeasti saatavien materiaalien tarvetta saataisiin merkittävästi vähennetyksi.

Nano ratkaisee tämänkin

Materiaalitutkija George Hadjipanayis Delawaren yliopistosta oli kehittämässä neodyymimagneetteja 1980-luvulla. Hän uskoo, että ratkaisu löytyy nyt nanotekniikasta. Kun yhdistetään 20–30 nanometrin kokoisia neodyymi- ja rautahiukkasia, syntyy teorian mukaan vuorovaikutuksia, jotka parantavat magneettisia ominaisuuksia. Tutkijat uskovat, että nanorakenteiden avulla neodyymi-rauta-boorimagneetin voima voidaan kaksinkertaistaa, jolloin materiaalin tarve vastaavasti puolittuu. Nanoteknologiaan uskoo myös General Electricin tutkimusyksikkö, joka toivoo voivansa esitellä uusia magneetteja kahden vuoden päästä. Yksityiskohdat yritys pitää liikesalaisuutena. Sekä Delawaren yliopisto että GE ovat toistaiseksi saaneet aikaan pieniä määriä nanomagneettimateriaalia. Kokonaisiin magneetteihin on matkaa.

Kokonaan irti niukoista aineista

Radikaalein ratkaisu on pyrkiä kokonaan eroon niukoista ja kalliista materiaaleista. Esimerkiksi autoteollisuutta kiinnostavat nyt halvemmat magneettimateriaalit.Hokkaidon yliopisto ja uuden teknologian kehitysorganisaatio Nedo ovat kehittäneet ferriittimagneettia, jonka pääasiallinen raaka-aine on rauta. Nedon edustaja Kenji Kobayashi sanoi viime syyskuussa uutistoimisto AFP:lle, että materiaali on kaksikymmentä kertaa halvempaa kuin maametalleista valmistettu. Uuden rakenteen ansiosta auton sähkömoottorin suorituskyky kuulemma säilyy ennallaan.Uusia magneetteja markkinoille odoteltaes¬sa voimme käyttää perinteisiä sähkömoottoreita sähkömagneetteineen, jos hyväksymme suuremman painon. Tesla on tehnyt näin Roadsterissaan, samoin BMW Mini E -autossaan.  Muista teknoraaka-aineista esimerkiksi indiumin hinta on ollut jatkuvassa nousussa. Kosketusnäytöissä uudet hiilimateriaalit voivat korvata indium-tinaoksidin.Yksi mahdollisuus ovat suomalaisen Canatun kehittämät nanonuput, joissa nanohiiliputkeen on liitetty pallomainen rakenne, fullereeni. Japanilaiset taas ovat kehittäneet näyttöä, jossa indium-tinaoksidi osittain korvataan sinkkioksidilla.

Lopulta mennään avaruuteen

Jos kalliita raaka-aineita ei pystytä korvaamaan, kulutusta täytyy ehkä toistaiseksi vähentää. Esimerkiksi sähköautojen ja tuulivoimaloiden määrä voi kasvaa hitaammin kuin on ennakoitu.Lopulta ongelmat kuitenkin ratkaistaan. Kokemus osoittaa, että pitkän aikavälin kehitysmahdollisuuksia usein aliarvioidaan. Jos 1970-luvun arviot materiaalien riittävyydestä olisivat pitäneet paikkansa, esimerkiksi kulta olisi loppunut kymmenen vuotta sitten.Eräiden materiaalien hinnan moninkertaistuminen muistuttaa öljyn äkillistä hinnannousua vajaat neljäkymmentä vuotta sitten. Polttoaineiden kallistuminen pelästytti aluksi, mutta ajan mittaan opittiin sekä tehostamaan energian tuotantoa että saamaan kulutetusta energiasta enemmän irti. Edessä on nyt samanlainen urakka. Kun Maan materiaalien hyödyntäminen alkaa käydä aivan liian kalliiksi, opitaan hankkimaan kaikkea tarvittavaa Kuusta ja asteroideista.

Julkaistu Tiede -lehdessä 6/2011

Tunnetut maametallivaratKiina 50%Venäjä ja muut IVY-maat 17%Yhdysvallat 12%muut 21%

Tärkeitä maametalleja kehittyneessä tekniikassa

Neodyymi Magneetit autoissa, tuulivoimaloissa ja tietokoneissa, hitsauslaserit, keraamien värit Praseodyymi Autot, tuulivoimalat, tietokoneet, keraamien värit Dysprosium Autot, tuulivoimalat, tietokoneet Terbium Autot, tuulivoimalat, tietokoneet, loistelamputSamarium Polttokennot Europium  Näytöt, optiset kuidut, loistelamput Erbium Optiset kuidut, keraamien värit Yttrium  Näytöt, optiset kuidut, loistelamput, polttokennot Cerium Optiikan hiontapulverit, nestekidenäytöt, uv-suojalasit, dieselöljyn lisäaineet, katalysaattorit, polttokennot Gadolinium Näytöt Skandium Alumiiniseokset Lantaani Dieselöljyn lisäaineet, katalysaattorit

Muita vaikeasti saatavia raaka-aineita

Litium  Akut Germanium  Kameroiden infrapunavalot Indium  Näytöt, ohutkalvoaurinkokennot Gallium  Kupari-indium-gallium-selenidi-aurinkokennot Helium  Neutroni-ilmaisimet,  kylmäfysiikan koelaitteet, lääketieteelliset kuvauslaitteet Fosfori  Lannoitteet Renium  Katalysaattorit, suihkumoottorien osat Rutenium  Väriherkistetyt aurinkokennot Telluuri  Kadmiumtelluridiaurinkokennot

Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.