Sällsynta ämnen

Idag skriver jag lite om olika sällsynta grundämnen som är viktiga för vårt samhälle. Detta är något jag tänkt skriva om ett tag, men inte kommit till skott förrän nu. Uppdatering: det visar sig att jag troligen hade fel angående vindkraft - större vindkraftverk använder inte permanentmagneter, däremot gör man det av viktskäl för små vindkraftverk. Ändringar nedan är kursiverade.

Vissa råvaror används i stora mängder i dagens industrisamhälle. De som man ofta hör talas om när det talas om råvaror i media är energikällorna olja, kol och naturgas, basmetallerna järn, aluminium, koppar, bly, nickel, tenn, zink samt ädelmetallerna guld och silver. Men det finns ett antal olika grundämnen som används i små mängder, men som ändå är oumbärliga för vissa tekniska tillämpningar. Vissa av dem kanske du aldrig har hört talas om, men här får du i så fall lära dig lite om hur viktiga de är för vårt högteknologiska samhälle.

Vissa av dessa sällsynta ämnen får man som biprodukter vid brytning av basmetallerna. Exempelvis är enda källan för germanium, kadmium och indium som biprodukter vid zinkbrytning. Koppargruvor ger som biprodukt större delen av världsproduktionen av molybden, rhenium, tellur och selen. Aluminiumgruvor är den enda källan för gallium. Detta betyder att det kan bli problem med försörjningen av dessa sällsynta ämnen när världsproduktionen av basmetaller faller som en följd av den ekonomiska nedgången. Intressant att notera är också att om man återvinner basmetaller såsom koppar ur skrot får man såklart inte ut de sällsynta ämnena som biprodukter, eftersom dessa bara fås från själva malmen. Ett annat problem är att utvinningen av vissa sällsynta grundämnen snart når sin topp och därefter kommer att minska obönhörligen. Om inte annat kommer många av dessa ämnen att bli mycket dyrare framöver, då gruvbrytningen efterhand övergår till malmfyndigheter med allt lägre halt av det efterfrågade ämnet. Mer "utspädda" malmer kostar mer att extrahera ur. Eftersom en stor del av brytningskostnaden är energi, ofta i form av diesel eller naturgas, påverkar priset på olja priset på gruvbrytning.

Problemet med användningen av dessa "högteknologimetaller" är att de i många fall också "slösas bort" och inte kan återanvändas.

Metallen lantan används för att göra effektiva laddningsbara nickelmetallhydridbatterier för t.ex. bilar. Där har Toyota fullständigt dammsugit världsmarknaden för att få material till batterier till sin Prius. Mängden tillgängligt lantan är en begränsning som alla som talar sig varma för elbilar glatt ignorerar. Visserligen finns det andra batterisorter, t.ex. litiumjonbatterier, men de har fortfarande problem som gör dem svåra att använda i elbilar.

Vad gäller lantan ska man inte heller glömma att så gott som hela världsproduktionen av lantan med flera sällsynta jordartsmetaller idag sker i Kina. Och då talar vi om total dominans - nästan 100% av världsproduktionen. Detta är inte en försumbar risk vad gäller tillgängligheten på världsmarknaden. Att nästan all produktion av en råvara finns i ett land gör att politiska problem av olika slag lätt kan störa produktionen eller exporten. Det finns även stora fyndigheter av sällsynta jordartsmetaller i t.ex. USA, men det finns idag inga aktiva gruvor där. Om Kinas produktion av sällsynta jordartsmetaller av någon anledning skulle avstanna skulle det ta flera år att få igång motsvarande produktion någon annanstans. Under tiden skulle t.ex. all produktion av nickelmetallhydridbatterier upphöra.

En kritisk sällsynt metall är neodym, som används för att göra neodymmagneter, de starkaste permanentmagneter som finns. Inga andra magneter (utom samariumkoboltmagneter) kommer i närheten av neodymmagneter. Neodymmagneter används till exempel i hårddiskar och andra tillämpningar där man behöver starka men små magneter, men större mängder neodym går åt om man vill göra permanentmagneter för elmotorer och generatorer. Små vindkraftverk behöver till exempel använda neodymmagneter i generatorn för att göra den effektiv i förhållande till sin vikt. För ett vindkraftverk på några tiotal kilowatt går det åt flera kilo neodym. Detta innebär att småskalig vindkraft inte under överskådlig tid kan ersätta andra energikällor, eftersom världsproduktionen av neodym helt enkelt inte räcker till för alla vindkraftverk som skulle behövas. Andra sorters kraftverk lider dock inte av denna begränsning, eftersom generatorernas storlek inte är lika avgörande där. Neodymmagneter är dock nödvändiga för att elbilar inte ska bli för tunga. Även neodym är en sällsynt jordartsmetall och produktionen sker därför till nästan 100% i Kina. Alternativet samarium för samarium-koboltmagneter är lika illa, eftersom samarium också tillhör de sällsynta jordartsmetallerna.

Metallen tantal används för att göra effektiva kondensatorer, vilket utgör en förutsättning för all den portabla elektronik vi omger oss med - mobiltelefoner, mp3-spelare, bärbara datorer. För tantal finns inga akuta tillgänglighetsproblem, då produktionen är utspridd på flera länder med (i förhållande till den globala förbrukningen) ganska stora fyndigheter. I och med att det är ett sådant kritiskt ämne är det dock värt att hålla koll på tillgången.

Rhenium används framförallt som legeringsmetall för att göra jet- och raketmotorer. Det används även som katalysator inom petroleumindustrin. Rhenium är en av de dyraste metallerna på jorden, eftersom den är så sällsynt. Huvuddelen av världsproduktionen kommer från koppargruvor i Chile.

Molybden används som legeringsmaterial, framförallt för stål. Visserligen minskar världsproduktionen av molybden då kopparproduktionen minskar p.g.a. minskad efterfrågan i krisen, men det borde inte innebära något stort problem, då efterfrågan på molybden också torde minska.

De sällsynta jordartsmetallerna terbium, europium och yttrium används till teveskärmar (tjockteve), lysrör och lågenergilampor. Utan dessa ämnen kan man helt enkelt inte tillverka lysrör och lågenergilampor. Liksom för lantan och neodym är världsproduktionen helt koncentrerad till Kina. Sammantaget är alltså Kinas produktion av sällsynta jordartsmetaller absolut nödvändig för flera mer eller mindre oumbärliga teknologier idag - laddningsbara nickelmetallhydridbatterier, neodymmagneter för hårddiskar, vindkraftverk och elmotorer, samt lysrör och lågenergilampor.

Elektronikråvaror

Nu kommer vi till en annan grupp av grundämnen, nämligen elektronikråvarorna. Elektronik används överallt i dagens teknologier - solceller, bilar, datorer, telefoni. Datorer i olika storlekar används för att styra de flesta industriprocesser. De viktigaste grundmaterialen för elektroniken är kisel, ett ämne som som tur är finns i stora mängder på jorden, samt koppar för ledningar. Men för att elektroniken ska fungera krävs flera olika sällsynta ämnen som tillsätts till kiselbasen för att få önskad funktion.

För att framställa lysdioder behöver man flera olika sällsynta ämnen, framförallt gallium. För att framställa starkare lysdioder (t.ex. diodlaser) behövs även indium. För vissa typer av lysdioder används även selen istället för gallium och indium. För att göra ljusdioder med vitt ljus behövs även yttrium, som är en sällsynt jordartsmetall som idag nästan enbart produceras i Kina.

Germanium är oerhört sällsynt och världsproduktionen uppgår årligen till futtiga 100 ton, mest som biprodukt vid zinkbrytning. Som tur är behövs också väldigt små mängder germanium idag. Germanium används till fiberoptik, infrarödoptik samt till mycket snabba elektroniska kretsar.

Gallium används förutom till lysdioder även till supersnabba kretsar. Tillgången på gallium är idag inget problem, eftersom det framställs tillräckliga mängder som biprodukt vid aluminiumbrytning.

Solceller ses av många som en potentiell lösning på världens energiproblem. För att göra effektiva solceller av tunnfilmstyp används idag antingen kadmiumtellurid, koppar-indium-gallium-diselenid eller kisel.

Tellur är till och med mer sällsynt än platina i jordskorpan och framställs i ytterst små mängder som biprodukt vid kopparbrytning (omkring ett kilo från ett tusen ton kopparmalm). Selen är betydligt vanligare, även om det är ganska sällsynt, och fås också som biprodukt vid kopparbrytning. Selen har förutom solceller en annan mycket viktig användning, nämligen i trumman till laserskrivare och kopiatorer.

Indium framställs framförallt som biprodukt vid zinkbrytning. Enligt vissa beräkningar finns det endast cirka tretton års utvinningsbara indiumreserver kvar vid nuvarande produktionstakt. Även om detta skulle visa sig vara för pessimistiskt kan vi i alla fall konstatera att det inte finns några större mängder indium att tillgå. Omkring hälften av världens indiumproduktion används idag till LCD-skärmar till datorer och teveapparater.

Efter denna genomgång kan vi konstatera att om solceller ska kunna produceras i större mängder är de båda teknologier som kräver tellur respektive indium uteslutna på grund av att det helt enkelt inte finns tillräckligt mycket av dessa ämnen. Därmed återstår den tredje tekniken, kisel, som den enda möjliga vägen. Kisel är som sagt oerhört vanligt, men övriga problem kring solcellstillverkning i stor skala får jag återkomma till en annan gång. Här ska det handla om sällsynta ämnen.

Sammanfattningsvis kan vi konstatera att flera av de teknologier som ofta presenteras som "framtiden" inte är skalbara till massanvändning p.g.a. att de kräver sällsynta ämnen i stora mängder. Småskalig vindkraft, elbilar och solceller tillhör idag denna kategori, om det inte görs några banbrytande vetenskapliga genombrott som snabbt kan omsättas i praktiken.