Jak węgiel gromadzi cenne pierwiastki?
Mechanizm powstawania tej nieoczekiwanej zawartości jest zaskakująco prosty. Podczas spalania węgla jego palne składniki ulatniają się jako gazy, pozostawiając po sobie skoncentrowane minerały, w tym właśnie metale ziem rzadkich. W efekcie ich stężenie w popiele jest kilkakrotnie wyższe niż w oryginalnym surowcu. Zespół badawczy pod kierunkiem Bridget Scanlon i Roberta Reedy’ego oszacował, że z niemal 2 miliardów ton popiołu wytworzonego w ciągu ostatnich dekad około 70% nadaje się do potencjalnego odzysku. Materiał ten czeka na składowiskach, w zbiornikach i magazynach rozsianych po całym kraju. Wartość ekonomiczna robi wrażenie, choć to wciąż szacunkowe dane. Same lantanowce w amerykańskich popiołach teoretycznie warte są około 56 miliardów dolarów, lecz po uwzględnieniu realnych możliwości ekstrakcji kwota ta spada do 8,4 miliarda. Dopiero dodanie itru i skandu podnosi stawkę do imponujących 165 miliardów dolarów w teorii i 97 miliardów w praktyce.
Czytaj też: Absorbuje energię 47 razy lepiej niż zwykła stal. Naukowcy z USA stworzyli materiał przyszłości
Metale ziem rzadkich to grupa 17 pierwiastków, które Stany Zjednoczone oficjalnie uznały za minerały krytyczne. Znajdują zastosowanie w niemal każdej dziedzinie zaawansowanej technologii: od akumulatorów w samochodach elektrycznych, przez turbiny wiatrowe, po smartfony i systemy obronne. Bez nich transformacja energetyczna i rozwój nowoczesnych technologii byłyby znacznie utrudnione. Problem polega na tym, że USA w ogromnym stopniu polegają na imporcie tych surowców, głównie z Chin. W świecie pełnym geopolitycznych napięć taka zależność stanowi poważne ryzyko strategiczne. Możliwość pozyskiwania pierwiastków z krajowych źródeł, nawet jeśli są to odpady, mogłaby znacząco wzmocnić pozycję Ameryki.
W całym kraju są ogromne ilości tego materiału. A wstępny proces ekstrakcji nośnika minerałów jest już dla nas załatwiony – zauważa Davin Bagdonas z University of Wyoming
Regionalne zróżnicowanie zawartości pierwiastków
Nie każdy popiół węglowy ma taką samą wartość. Zawartość pierwiastków ziem rzadkich znacząco różni się w zależności od pochodzenia węgla. Najbogatszy pod tym względem okazuje się surowiec z Basenu Appalachów, gdzie popiół zawiera średnio 431 miligramów cennych składników na kilogram. Niestety, tylko 30% z nich można realnie odzyskać. Z kolei węgiel z Basenu Rzeki Powder oferuje niższe stężenie (264 mg/kg), ale za to aż 70% wydobywalności. Te różnice mają fundamentalne znaczenie dla ekonomicznej opłacalności przyszłych operacji wydobywczych.
Technologie ekstrakcji wciąż znajdują się w fazie rozwoju. Bagdonas prowadzi projekt pilotażowy w National Energy Technology Lab, koncentrujący się na popiele z Basenu Rzeki Powder. Departament Energii USA na tyle poważnie traktuje ten potencjał, iż wykorzystuje metodologię opracowaną przez University of Texas do własnej, krajowej oceny zasobów. Potencjalne korzyści wykraczają poza czysty zysk. Wartość odzyskanych pierwiastków mogłaby pomóc sfinansować kosztowne oczyszczanie składowisk w obszarach szczególnie wrażliwych środowiskowo. Zamiast ponosić czyste straty, można by przekształcić problem w źródło dochodu.
Alternatywne źródła pierwiastków przyszłości
Popiół węglowy to nie jedyna niekonwencjonalna perspektywa badana przez naukowców. Wulkany bogate w żelazo również mogą okazać się wartościowymi złożami.
Wygasłe wulkany bogate w żelazo są często eksploatowane w celu wydobycia rudy żelaza. Nasze wyniki wskazują, że istniejące kopalnie w takich lokalizacjach mogą być potencjalnie modyfikowane do produkcji pierwiastków ziem rzadkich – dodaje Michael Anenburg z Australian National University
Jeszcze bardziej futurystycznie brzmi koncepcja fitogórnictwa, czyli wykorzystania roślin do ekstrakcji metali z gleby. Naukowcy z Chińskiej Akademii Nauk odkryli paprocie zdolne do akumulowania pierwiastków ziem rzadkich w swoich tkankach. Liuqing He i jego zespół opisują to jako “zieloną strategię” oferującą potencjał dla zrównoważonych dostaw. Chris Young z Element USA zwraca jednak uwagę na kluczowe wyzwanie stojące przed całym sektorem. Jego zdaniem wyzwanie polega na przekształceniu tego zdroworozsądkowego podejścia w podejście ekonomiczne.
Czytaj też: Chiny odkryły dwa gigantyczne złoża złota. Tysiące ton kruszcu to największe znalezisko od 1949 roku!
Firma przenosi właśnie swoje laboratorium analityczne i sprzęt pilotażowy do Austin, aby wykorzystać ekspertyzę University of Texas w rozwoju technologii wydobywczych. To przykład rosnącej współpracy między środowiskiem akademickim, rządem i przemysłem. Badania opublikowane w International Journal of Coal Science & Technology stanowią natomiast pierwszą tak kompleksową ocenę krajowych zasobów popiołu węglowego. Scanlon podkreśla, że tego typu szeroka analiza na poziomie rozpoznawczym nie miała precedensu i tworzy podstawę dla bardziej szczegółowych prac.