Table of Contents

Что такое редкие земные элементы?

Редкие земные элементы (РЗЭ) представляют собой группу из 17 химически похожих металлических элементов, которые играют критическую роль почти в каждой современной технологии. Несмотря на свое название, большинство редкоземельных элементов относительно распространены в земной коре. Термин «редкие» отражает сложность их извлечения в экономически жизнеспособных концентрациях, а не их фактическую нехватку. В группу входят 15 лантаноидов на периодической таблице (лантан через лютеций), плюс скандий и иттрий, которые имеют схожие химические свойства и часто встречаются в одних и тех же месторождениях полезных ископаемых.

Эти элементы ценятся за их уникальные магнитные, фосфоресцирующие и каталитические свойства. Неодим и самарий, например, используются для создания мощных постоянных магнитов. Европий и тербий производят яркие красные и зеленые цвета на экранах дисплеев. Церий необходим в каталитических конвертерах и полировании стекла. Широта применения делает РЭЭ незаменимыми в потребительской электронике, системах чистой энергии, оборонном оборудовании и медицинских устройствах визуализации.

Глобальный рынок редкоземельных элементов значительно вырос за последние два десятилетия, что обусловлено расширением электромобилей, ветровой энергии и передовой электроники. Согласно Геологической службе США , глобальное производство превысило 300 000 метрических тонн оксидов редкоземельных элементов в 2023 году, причем на долю Китая приходится примерно 70 процентов этого объема. Понимание того, где эти элементы расположены и как они используются, имеет важное значение для всех, кто участвует в технологиях, производстве, энергетической политике или управлении цепочками поставок.

Глобальные местоположения редких элементов Земли

Распределение редкоземельных месторождений по всему миру неравномерно, создавая концентрированную цепочку поставок, которая несет в себе значительные геополитические последствия.В то время как РЭЭ встречаются во многих странах, лишь немногие имеют коммерчески жизнеспособные месторождения или инфраструктуру для их переработки в пригодные для использования материалы.

Китай: доминирующий производитель

Китай в настоящее время контролирует более половины мировых запасов редкоземельных элементов и примерно 70 процентов мирового производства. Господство страны не случайно. Это результат десятилетий стратегических инвестиций в горнодобывающую, перерабатывающую и сепарационную технологии. Горнодобывающий район Баян-Обо во Внутренней Монголии является крупнейшим известным месторождением редкоземельных элементов на Земле, ежегодно производя десятки тысяч метрических тонн. Китай также имеет значительные месторождения в провинциях Сычуань и Цзянси.

Помимо добычи полезных ископаемых, Китай разработал передовую инфраструктуру переработки, которая позволяет ему совершенствовать оксиды редкоземельных элементов в металлы, сплавы и готовые магниты. Эта способность дает Китаю существенный контроль над глобальными цепочками поставок, поскольку многие страны не имеют возможностей для обработки своей собственной сырой руды. Китайское правительство использовало это рычаги в торговых спорах, особенно в 2010 году, когда оно ограничило экспорт в Японию во время территориальных разногласий, что привело к резкому росту мировых цен. Министерство энергетики США определило уязвимости цепочки поставок редкоземельных металлов как проблему национальной безопасности, что побудило усилия по диверсификации источников и созданию внутренних перерабатывающих мощностей.

США: Возрождение отечественного производства

США имеют четвертые по величине запасы редкоземельных элементов в мире, но внутреннее производство ограничено. Горный перевал в Калифорнии, управляемый MP Materials, является единственным действующим в стране предприятием по добыче редкоземельных элементов. Когда-то он был крупнейшим в мире источником редкоземельных элементов, но был закрыт в 2002 году из-за экологических проблем и конкуренции со стороны Китая. После возобновления в 2018 году под новым владением Mountain Pass увеличил производство и теперь отправляет концентрат в Китай для окончательной переработки. MP Materials объявила о планах построить на месте полностью отделяемое и магнитное производство, которое впервые за десятилетия даст Соединенным Штатам вертикально интегрированную цепочку поставок.

В США существуют и другие потенциальные источники, в том числе месторождения на Аляске, в Колорадо, Небраске и Вайоминге. Месторождение Медвежья ложа в Вайоминге и месторождение Бокан Маунтин на Аляске привлекли инвестиции в разведку, хотя ни один из них не поступил в коммерческое производство. Правительство США выделило финансирование в рамках Закона об оборонном производстве и Закона о двухпартийной инфраструктуре для поддержки внутренних проектов по переработке и переработке редкоземельных элементов, направленных на снижение зависимости от иностранных источников.

Австралия: растущий поставщик

Австралия является родиной месторождения Маунт-Велд в Западной Австралии, широко считающегося одним из самых богатых редкоземельных месторождений в мире. Управляемый Lynas Rare Earths, Маунт-Велд производит высококачественный концентрат, который отправляется на перерабатывающий завод компании в Малайзии. Lynas стал крупнейшим некитайским производителем разделённых оксидов редкоземельных элементов, поставляя значительную часть мирового рынка неодима и празеодима, ключевых входов для постоянных магнитов.

Линас также получил финансирование от правительств США и Австралии на строительство нового завода по переработке редкоземельных элементов в Калгурли, Западная Австралия, и нисходящего объекта в Техасе. Эти инвестиции направлены на создание безопасной, ориентированной на Запад цепочки поставок, которая может конкурировать с Китаем по стоимости и масштабу. Стабильная политическая среда Австралии, сильный опыт в области добычи полезных ископаемых и растущие возможности обработки позиционируют ее как критического игрока на мировом рынке редкоземельных элементов.

Юго-Восточная Азия: новые игроки

Мьянма (Бирма) стала крупным производителем редкоземельных элементов в конце 2010-х годов, когда производство росло, поскольку китайские компании перемещали операции через границу, чтобы обойти внутренние ограничения. Однако политическая нестабильность после военного переворота 2021 года создала неопределенность в поставках, а экологические проблемы вокруг нерегулируемой добычи привлекли внимание. Таиланд и Вьетнам также принимают редкоземельные месторождения. Резервы Вьетнама являются одними из крупнейших в мире по тоннажу, хотя развитие было медленным из-за проблем с инфраструктурой и ограниченных перерабатывающих мощностей.

Вьетнам сотрудничает с японскими и южнокорейскими компаниями в исследовании и разработке своих редкоземельных ресурсов, и страна рассматривается как потенциальная альтернатива Китаю для западных покупателей.Правительство Вьетнама сигнализировало о заинтересованности в строительстве внутренних перерабатывающих мощностей, хотя технический опыт, необходимый для разделения редкоземельных элементов, трудно приобрести без китайского сотрудничества или значительных инвестиций.

Другие известные регионы

Индия обладает значительными запасами редкоземельных элементов, в основном в виде моназитных песков вдоль ее южного побережья. Государственная компания Indian Rare Earths Limited управляет перерабатывающими предприятиями, но Индия остается чистым импортером многих редкоземельных продуктов. Россия имеет большие месторождения, особенно на Кольском полуострове и в Восточной Сибири, но производство было ограничено технологическими ограничениями и изоляцией страны после международных санкций. Бразилия, Южная Африка и Канада все принимают значительные месторождения с различным уровнем разведки и разработки.

Гренландия привлекла интерес к своему редкоземельному потенциалу, в частности, месторождению Кванефьельд, которое содержит уран в качестве побочного продукта. Однако правительство Гренландии запретило добычу урана в 2021 году, фактически остановив развитие этого проекта. Огромная и богатая минералами территория Гренландии все еще может привлекать разведку месторождений, которые не содержат радиоактивных элементов, хотя суровые климатические условия и инфраструктурные ограничения создают проблемы. Подробный анализ глобальных запасов редкоземельных элементов можно найти в резюме USGS Минеральные сырьевые товары 2023 .

Значение глобальных технологий

Редкие земные элементы не просто удобные компоненты; они являются источниками целых технологических категорий. Уникальные электронные, магнитные и оптические свойства REE позволяют инженерам проектировать устройства, которые было бы трудно или невозможно построить с другими материалами. Их важность охватывает несколько секторов, и перебои в поставках могут иметь каскадные эффекты в разных отраслях промышленности.

Потребительская электроника

Смартфоны, ноутбуки, планшеты и телевизоры все полагаются на редкоземельные элементы. Неодим и диспрозий используются в крошечных, но мощных динамиках и вибрационных двигателях, которые делают мобильные устройства портативными и функциональными. Празеодим используется в стекле и объективах модулей камеры, улучшая передачу света и точность цвета. Европий и тербий необходимы для производства ярко-красных и зеленых люминофоров на экранах дисплеев, включая OLED и LCD технологии.

Один смартфон может содержать до восьми различных редкоземельных элементов. Сдвиг в сторону складных телефонов, дисплеев с более высоким разрешением и меньших форм-факторов увеличил спрос на РЭЭ в потребительской электронике. По мере того, как производители устройств конкурируют за производительность и функции, их зависимость от стабильных поставок редкоземельных элементов растет. На сектор потребительской электроники приходится примерно 20 процентов мирового потребления редкоземельных элементов, и эта доля, по прогнозам, останется стабильной по мере роста других секторов.

Зеленая энергия и электромобили

Переход на чистую энергию создает всплеск спроса на редкоземельные элементы, в частности неодим, празеодим и диспрозий. Эти элементы используются для изготовления высокопрочных постоянных магнитов для электромоторов транспортных средств (EV) и генераторов ветряных турбин. Типичный электродвигатель EV содержит от одного до двух килограммов редкоземельных магнитов, в то время как одна современная ветряная турбина может содержать более 600 килограммов неодима и диспрозия вместе взятых.

Глобальный толчок к электрификации транспорта и выработке возобновляемой энергии означает, что спрос на эти магниты быстро растет. Международное энергетическое агентство прогнозирует, что спрос на редкоземельные двигатели для электромобилей может увеличиться в десять раз к 2040 году в соответствии с текущими сценариями политики. Это стимулировало исследования альтернативных конструкций двигателей, которые используют меньше или вообще не используют редкоземельный материал, но такие технологии еще не достигли плотности мощности или эффективности систем на основе редкоземельных магнитов.

Энергия ветра, особенно морского ветра, стала основным драйвером потребления редкоземельных элементов. Ветрогенераторы с прямым приводом, которые устраняют коробку передач с помощью генератора постоянного магнита большого диаметра, требуют значительных количеств неодима, празеодима, диспрозия и тербия. Эти турбины более надежны и требуют меньше обслуживания, чем зубчатые альтернативы, что делает их привлекательными для удаленных морских установок, где доступ к ремонту затруднен и дорог.

Оборона и аэрокосмическая

Редкие земные элементы имеют решающее значение для многочисленных оборонных применений. Самариево-кобальтовые магниты используются в высокоточных боеприпасах, радиолокационных системах и оборудовании радиоэлектронной борьбы, поскольку они сохраняют свои магнитные свойства при высоких температурах и сопротивляются демагнетизации. Неодимовые магниты используются в исполнительных механизмах, датчиках и на поверхностях управления ракетами и самолетами. Иттрий используется в системах лазерного наведения и в керамических материалах, которые защищают компоненты реактивного двигателя от высоких температур.

Министерство обороны США классифицировало редкоземельные элементы как критически важные для национальной безопасности. Например, истребитель F-35 Lightning II требует более 400 килограммов редкоземельных материалов для своих датчиков, авионики и систем кабины. Подводные гидролокационные системы, приборы ночного видения и оборудование спутниковой связи зависят от редкоземельных элементов. Опасения по поводу китайского контроля над редкоземельными материалами побудили американских военных запасать определенные материалы и финансировать внутреннее производство через Агентство оборонной логистики и Национальный запас обороны.

Медицинские технологии

Медицинская визуализация и диагностика значительно выигрывают от редкоземельных элементов. Гадолиний используется в качестве контрастного вещества при магнитно-резонансной томографии (МРТ) сканировании, где он помогает производить более четкие изображения мягких тканей. Лантан используется в некоторых фосфатных связующих для пациентов с заболеваниями почек. Иттрий-90 используется в целевой лучевой терапии при раке печени и других злокачественных новообразованиях.

Неодимовые магниты являются ключевым компонентом МРТ-машин, для получения изображений высокого разрешения которых требуются чрезвычайно мощные и стабильные магнитные поля. Продолжающееся расширение возможностей медицинской визуализации как в развитых, так и в развивающихся странах стимулирует устойчивый спрос на редкоземельные материалы. Индустрия медицинских устройств также полагается на редкоземельные элементы для хирургических инструментов, стоматологических лазеров и компонентов слуховых аппаратов, где их коррозионная стойкость и биосовместимость обеспечивают уникальные преимущества.

Промышленные применения

Помимо секторов с высокой видимостью, редкоземельные элементы имеют важное промышленное применение. оксид церия широко используется для полировки стекла, в том числе для прецизионных линз, зеркальных поверхностей и полупроводниковых пластин. Лантан используется в стекло с высоким коэффициентом преломления для объективов камеры и волоконно-оптических кабелей. Неодим добавляется к определенным типам стекла для создания лазерных стержней, используемых в промышленном режущем и сварочном оборудовании. Смешанные редкоземельные металлы используются в качестве легирующих добавок в стали и чугуне для повышения прочности и снижения пористости.

Каталитические приложения составляют значительную долю потребления редкоземельных элементов. Катализаторы на основе церия используются в автомобильных каталитических нейтрализаторах для сокращения вредных выбросов и в установках каталитического крекинга жидкости на нефтеперерабатывающих заводах для повышения урожайности бензина. По мере ужесточения экологических норм во всем мире ожидается рост спроса на церий в системах контроля выбросов, особенно в развивающихся странах, которые принимают более строгие стандарты выбросов транспортных средств.

Ключевые редкоземельные элементы и их применение

Каждый из 17 редкоземельных элементов обладает различными свойствами, которые делают его пригодным для конкретных применений. Понимание этих различий важно для оценки рисков цепочки поставок и выявления возможностей замещения. Вот некоторые из наиболее коммерчески значимых элементов:

неодим

Неодим - рабочая лошадка редкоземельного семейства. В сочетании с железом и бором он создает магниты неодим-железо-борон (NdFeB), самые сильные постоянные магниты, коммерчески доступные. Эти магниты необходимы для электродвигателей транспортных средств, генераторов ветряных турбин, компьютерных жестких дисков, наушников и громкоговорителей. Неодим также используется в лазерных системах для сварки, резки и медицинских процедур. Спрос на неодим растет быстрее, чем на любой другой редкоземельный элемент из-за электрификации транспорта и расширения возобновляемых источников энергии.

РАСЕОДИМИЙ

Празеодим часто сочетается с неодимом в магнитных сплавах. Он повышает коррозионную стойкость и высокотемпературные характеристики магнитов NdFeB. Он также используется в качестве желтого пигмента в керамике и стекле и в качестве легирующего агента в металлах авиационных двигателей. Оптические свойства празеодима делают его полезным в волоконно-оптических усилителях и в дуговых стержнях углеродных дуговых ламп, используемых в студийном освещении и проекции пленки.

Диспрозиум

Диспрозий добавляют к неодимовым магнитам для улучшения их характеристик при высоких температурах. Это свойство имеет решающее значение для электродвигателей транспортных средств, которые генерируют значительное тепло во время работы, и для генераторов ветряных турбин, которые работают в различных климатических условиях. Диспрозий также используется в стержнях управления ядерным реактором из-за его способности поглощать нейтроны. Элемент является одним из самых ограниченных в поставках редкоземельных элементов, поскольку он менее обилен, чем неодим и празеодим, и в основном получен из ограниченного числа отложений, которые требуют сложной обработки.

Лантан

Лантан является наиболее распространенным редкоземельным элементом и имеет самый широкий спектр промышленного применения. Он используется в никель-металлгидридных батареях для гибридных транспортных средств, в оптическом стекле для высококачественных объективов камеры и в катализаторах для нефтепереработки. Карбонат Лантана используется в качестве фосфатного связующего для лечения гиперфосфатемии у пациентов с хроническим заболеванием почек. Лантан также является компонентом мишметала, сплава, используемого в более легких кремнях и в некоторых стальных добавках.

Самарский

Самариево-кобальтовые магниты, разработанные в 1970-х годах, были первым поколением редкоземельных постоянных магнитов. Несмотря на то, что они не так сильны, как неодимовые магниты, самарий-кобальтовые магниты сохраняют свои магнитные свойства при температурах до 300 градусов Цельсия, что делает их незаменимыми для высокотемпературных применений в аэрокосмических, оборонных и промышленных датчиках. Самарий также используется в радиотерапии рака (самарий-153) для лечения боли в костях, связанной с метастатическим раком, и в микроволновых компонентах для систем связи.

Европий и Тербий

Европий и тербий имеют решающее значение для применения фосфора в дисплеях и освещении. Европий производит ярко-красную фосфоресценцию, используемую в телевизорах, компьютерных мониторах и светодиодных лампах. Тербий излучает зеленый свет и используется в сочетании с европием для производства белого света в энергоэффективных системах освещения. Оба элемента используются в небольших количествах на устройство, но их уникальные оптические свойства трудно воспроизвести с альтернативными материалами. Эти элементы являются одними из самых дорогих редкоземельных элементов из-за их низкого естественного изобилия и сложности их отделения от других элементов.

Иттрий

Иттрий химически похож на лантаноиды и классифицируется как редкоземельный элемент. Он используется в люминофорах для светодиодных ламп и экранов дисплеев, в керамических добавках для термостойких покрытий, а в лазерных кристаллах для мощных промышленных и медицинских лазеров. Иттрий-стабилизированная циркония является ключевым материалом в кислородных датчиках, топливных элементах и термобарьерных покрытиях для компонентов реактивного двигателя. Иттрий-90, радиоактивный изотоп, используется в целевой терапии рака печени.

Церий

Церий является наиболее распространенным редкоземельным элементом. Он используется в полировке порошков для стекла и оптики, в каталитических нейтрализаторах для обработки выхлопных газов автомобилей и в качестве стеклорастворителя. Оксид церия также используется в процессах химико-механической планаризации в полупроводниковом производстве. Способность церия переключаться между различными состояниями окисления делает его эффективным в каталитических приложениях, включая самоочищающиеся печи и реакции промышленного окисления.

Проблемы цепочки поставок и геополитические последствия

Концентрация производства и переработки редкоземельных элементов в Китае создает значительные уязвимости в глобальных цепочках поставок. Любые перебои с китайским экспортом, будь то из-за геополитической напряженности, стихийных бедствий или изменений в политике, могут рябить в технологической и энергетической отраслях по всему миру. Пандемия COVID-19 продемонстрировала, как быстро могут каскадироваться перебои в цепочке поставок, когда один регион доминирует в производстве критически важных материалов.

В то время как во многих странах имеются месторождения редкоземельных элементов, в Китае сосредоточена техническая возможность отделять отдельные редкоземельные элементы от руды и совершенствовать их до высокой чистоты. Процесс включает в себя десятки этапов экстракции растворителей, требует больших объемов кислых и основных химических веществ и генерирует значительные количества радиоактивных отходов из тория и урана, присутствующих во многих редкоземельных рудах. Строительство аналогичных перерабатывающих мощностей в других местах технически сложно и дорого, с затратами, оцениваемыми в сотни миллионов долларов на объект.

Экологические проблемы также усложняют усилия по расширению производства редкоземельных элементов за пределами Китая. Добыча и переработка редкоземельных элементов генерируют токсичные и радиоактивные отходы, которые должны тщательно управляться. Прошлый экологический ущерб на первоначальном руднике Mountain Pass в Калифорнии и на нерегулируемых операциях в Китае и Мьянме создал общественную оппозицию новым проектам. Компании и правительства инвестируют в более чистые технологии обработки, включая системы замкнутого цикла, которые перерабатывают химические реагенты и затвердевают отходы для безопасной утилизации, но эти инновации добавляют стоимость и сроки разработки.

Правительства США, Европейского союза, Японии и Австралии определили редкоземельные элементы как критические или стратегические материалы и внедрили политику поддержки внутреннего производства, переработки и переработки. Закон ЕС о критических сырьевых материалах устанавливает цели для внутренних перерабатывающих мощностей, в то время как Япония долгое время поддерживала запасы редкоземельных материалов. Эти политические усилия направлены на повышение устойчивости в цепочках поставок и снижение стратегической зависимости от любого отдельного поставщика, но им требуются годы, чтобы дать результаты.

Будущий прогноз: переработка, замена и новые источники

Долгосрочные перспективы для рынков редкоземельных элементов зависят от сочетания диверсификации предложения, переработки, исследований замещения и роста спроса. Каждый из этих рычагов будет играть роль в формировании отрасли в течение следующего десятилетия и далее.

Утилизация и городская добыча полезных ископаемых

Переработка редкоземельных элементов из продуктов с истекшим сроком службы, часто называемых городской добычей полезных ископаемых, представляет собой значительную возможность для снижения первичного спроса и отходов. Неодимовые магниты с жестких дисков, электродвигатели электромобилей и генераторы ветряных турбин могут быть переработаны, но процесс технически сложен и часто экономически нецелесообразн по текущим ценам. Небольшое количество редкоземельных элементов в потребительской электронике делает сбор и разделение дорогим по сравнению с добычей руды.

Научно-исследовательские учреждения и компании разрабатывают более эффективные технологии переработки, включая гидрометаллургические и пирометаллургические процессы, которые могут восстанавливать редкоземельные элементы с более высокой урожайностью и более низким воздействием на окружающую среду. Европейский союз утвердил целевые показатели переработки редкоземельных элементов в рамках своего плана действий по круговой экономике, а Япония инвестировала в городскую горнодобывающую инфраструктуру. По мере роста спроса и ужесточения ограничений на первичное предложение ожидается улучшение экономики переработки.

Замещение исследований

Сокращение или замена редкоземельных элементов в некоторых приложениях является активной областью исследований. Инженеры разработали конструкции постоянных магнитов, которые используют меньше диспрозия, оптимизируя химию границ зерна и производственные процессы. Некоторые производители двигателей для электромобилей изучают двигатели синхронного нежелания и конструкции раневого поля, которые полностью устраняют редкоземельные элементы, хотя эти альтернативы обычно жертвуют плотностью мощности или эффективностью.

В области применения фосфора и освещения квантовые точечные и органические светодиодные технологии предлагают альтернативы, которые уменьшают или устраняют необходимость в европии и тербии. Достижения в материаловедении продолжают создавать новые возможности для замещения, но темпы изменений зависят от экономических стимулов. Пока редкоземельные элементы остаются экономически эффективными по сравнению с альтернативами, повсеместное замещение будет медленным.

Новые проекты в области добычи и переработки

Несколько проектов по добыче и переработке редкоземельных элементов находятся в стадии разработки по всему миру. Проект Пенута в Испании, проект Сонгве Хилл в Малави и проект Нечалахо в Канаде являются одними из самых передовых. Осуществимость этих проектов зависит от цен на сырьевые товары, доступности инфраструктуры и политической поддержки. Разрешение на использование окружающей среды и участие общин остаются значительными препятствиями, особенно в юрисдикциях со строгими нормативными рамками.

Ожидается, что в течение следующего десятилетия объемы разработки месторождений редкоземельных элементов за пределами Китая будут постепенно увеличиваться, но сопоставление масштабов и структуры затрат Китая будет затруднено. Даже если новые шахты будут введены в эксплуатацию, создание мощностей по переработке для разделения, производства металлов и производства магнитов потребует постоянных инвестиций и политической поддержки.

Заключение

Редкие земные элементы являются основой для технологий, определяющих современную жизнь, от смартфонов и электромобилей до систем обороны и медицинских устройств визуализации. Их неравномерное географическое распределение и концентрированная цепочка обработки создают стратегические уязвимости, которые правительства и отрасли работают над решением путем диверсификации, переработки и замены. Понимание того, где эти элементы расположены, как они используются, и проблемы, связанные с выводом их на рынок, важны для всех, кто участвует в технологии, производстве или энергетической политике.

Глобальная редкоземельная промышленность находится в периоде трансформации. Спрос продолжает расти, что обусловлено переходом к чистой энергии и распространением электроники. В то же время усилия по созданию более устойчивых и устойчивых цепочек поставок меняют географию и технологии отрасли. Для предприятий и политиков, оставаясь в курсе рынков редкоземельных элементов и разрабатывая стратегии управления рисками поставок, будут оставаться важными в предстоящие годы. Независимо от того, будут ли инвестиции в отечественное производство, достижения в области переработки или исследования альтернативных материалов, цель одна и та же: обеспечение того, чтобы преимущества редкоземельных элементов могли продолжать реализовываться без чрезмерной зависимости от какого-либо одного источника или региона.