Zeldzame aardmetalen of: hoe groen is eigenlijk “groen”?

Metalen. Ons moderne leven is ondenkbaar zonder metalen. We leven immers allang niet meer in het stenen tijdperk. Maar wat weten wij eigenlijk van metalen? Hoe goed kennen wij metalen en wat is hun betekenis? Natuurlijk, we kennen allemaal ijzer, koper, tin, zilver en goud en weten daar wel een betekenis of een toepassing aan te verbinden. Maar wat weten we van bijvoorbeeld metalen als natrium, of kalium? Als we een brokje aluminium in een bakje water gooien, gebeurt er vrijwel niets: een plons en het brokje metaal zakt snel naar de bodem. Zouden we dit met bijvoorbeeld natrium doen, dan ontstaat een zeer heftige reactie en het metaal zal voor onze verbaasde ogen onder Harry Potter-achtige vuurverschijnselen geheel en al in het water oplossen. Nadien is het water geen water meer maar is het overgegaan in het sterke natronloog, waarmee zo gemakkelijk een verstopte afvoer van een gootsteen kan worden verholpen.

Sommige metalen zijn geheimzinnig. Zoals uranium. Dat is, zoals dat heet, radioactief. Het geeft straling af! Het kan worden gebruikt in atoomcentrales, voor de opwekking van energie, maar hoe dat precies in z’n werk gaat is erg geheimzinnig en moeilijk te doorgronden. Daarbij ontstaan uiterst giftige afvalstoffen, die gevaarlijk stralen en nog vele honderden jaren actief blijven. En om nog maar niet te spreken van het kunstmatige gemaakte radioactieve metaal plutonium, waarmee uiterst destructieve wapens kunnen worden gemaakt.

Een wel heel speciale groep van metalen zijn de zogenaamde zeldzame aardmetalen. Dit zijn zo’n 15 metalen, die scheikundig allemaal op elkaar lijken; onderling verschillen ze vrijwel alleen in hun fysische eigenschappen. Ze komen vrij fragmentarisch op aarde voor, vaak tezamen met de radioactieve elementen uranium en thorium. Dat maakt de winning ervan kostbaar en veroorzaakt als bijkomstigheid veel giftig en radioactief afval, wat op de plaats van de winning veelal in kunstmatig aangelegde meren achterblijft en daar een bedreiging voor het grondwater vormt.

Tot zo’n 50 jaar geleden waren er weinig toepassingen van zeldzame aardmetalen bekend, totdat men uitvond, dat met bepaalde toevoegingen van deze metalen zeer sterke magneten en zeer krachtig magnetisch materiaal kon worden verkregen. En niet alleen in magneten, ook in halfgeleiders, zoals bepaalde transistoren en in light emitting diodes (de z.g. LED’s) worden zeldzame aardmetalen toegepast. Magnetisme wordt in de techniek enorm veel en vaak gebruikt. Wij beseffen dat niet zo, maar magneten en magnetisch materiaal zitten b.v. in luidsprekers en koptelefoons, elektromotoren, generatoren, harde schijven in de computer, lasers (o.a. in CD en DVD spelers), magneten voor afvalscheiders, motoren voor elektrische fietsen, apparatuur voor fundamenteel onderzoek, medische apparatuur, elektronica, windmolens voor windenergie en op nog vele andere plaatsen.

Door de toepassing van zeldzame aardmetalen in o.a. magnetisch materiaal, is de industrie erin geslaagd, om veel producten aanzienlijk te verkleinen (denk maar eens aan gehoorapparaten) en ook te innoveren. We zien dit terug in een aanzienlijk gebruik van b.v. allerlei consumentenelektronica: walkmen, mobieltjes in allerlei soorten en maten, digitale camera’s, flatscreen TV’s, tablets, iPad’s en iPhone’s, maar ook in superkleine gehoorapparaatjes. Te veel om op te noemen.

Maar ook in apparatuur, die wij zo graag “duurzaam” noemen. Van overheidswege is de gloeilamp in de ban gedaan en wordt LED-verlichting gepropageerd. Maar voor LED’s met een hoge lichtopbrengst zijn wel zeldzame aardmetalen nodig. Energieleveranciers proberen ons over te halen, om over te stappen op “groene stroom”, duurzaam opgewekt via grote windturbines. Maar juist voor deze toepassing zijn voor de fabricage van de elektrogeneratoren, grote hoeveelheden van het zeldzame aardmetaal neodymium nodig.

De vindplaatsen van zeldzame aardmetalen zijn beperkt. De meeste liggen in China, maar, naar verluid, ook in Afrika (o.a. Congo). Verder nog in Californië en dan is ook nog winning in Australië en Duitsland mogelijk. Door de hoge vraag naar zeldzame aardmetalen is door China inmiddels de prijs sterk opgevoerd. Daardoor overweegt Japan (grootgebruiker van zeldzame aardmetalen) de winning van zeldzame aardmetalen uit de oceaanbodem te gaan 📷onderzoeken.

De moderne, door de toepassing van neodymium verkregen buitengewoon sterke magneten, worden vooral toegepast in windturbines. Zij maken een transmissiekast tussen de wieken en de generator overbodig: de wieken kunnen daardoor direct de generator aandrijven, zonder dat dus een tandwielkast nodig is, wat enorm scheelt in de slijtage en daarmede aan het onderhoud. Hierdoor kunnen ook grotere en zwaardere windturbines gebouwd worden. De bouw van een 5 MW (mega­ Watt) windturbine is daardoor inmiddels mogelijk geworden, maar hiervoor is ruim een ton neodymium nodig!

Binnen de EU is er het streven om uiteindelijk te komen tot een totale windturbine capaciteit van 120 GW (giga Watt). Hiervoor zou dan ongeveer 60.000 ton neodymium-ijzer-boor (Nd2Fe14B) nodig zijn, wat op dit ogenblik gelijk staat aan de huidige wereldproductie van dit magnetische materiaal.

We zijn allemaal erg milieubewust, doen allemaal mee aan energie- en waterbesparing en leveren afval, papier en plastic gescheiden in. We kopen allemaal LED-lampen en we gaan massaal over op groene stroom.

Maar …, hoe groen is nu eigenlijk “groen”?

Geraadpleegde bronnen:

- Grondstof monopoly. C’T, Tijdschrift voor computertechniek, juni 2012, blz. 50/51.

- Supergeleiding: een koud kunstje, Oratie van Prof. dr. ir. H.J.M. ter Brake, UTwente, 12 mei 2011.

Zeldzame-aardemagneet. Wikipedia, de vrije encyclopedie. Bijgewerkt: 13 april 2012