Un nuevo metal espacial radical podría resolver nuestra rareza

Potentes imanes creados con el mismo metal que se encuentra en los meteoritos podrían revolucionar la tecnología moderna

En la tarde del 27 de junio de 1966, un ruido como el de un avión a reacción atravesando la barrera del sonido estalló repentinamente sobre la ciudad de Saint-Séverin, en el suroeste de Francia. Los residentes recordaron “detonaciones y silbidos” cuando la fuente del ruido, un meteorito, cruzó el cielo. Pronto, la roca espacial gigante, de color gris apagado y que pesaba 250 libras, golpeó la tierra y se enterró en el suelo de un sendero local. Dejó un cráter de impacto de aproximadamente dos pies de profundidad y dos pies y medio de ancho. Dos días después, llegó un equipo del Museo Nacional de Historia Natural de Francia para tomar varias muestras pequeñas de la roca.

Los meteoritos, como el de gran peso que se estrelló contra Saint-Séverin, pueden contener metales preciosos y escombros de los confines más lejanos de nuestra galaxia: pistas geológicas sobre cómo se formó nuestro propio planeta. Hace miles de años, las sociedades primitivas valoraban los meteoritos por sus altas concentraciones de níquel y hierro, formados durante millones de años a medida que las rocas caían a través del sistema solar. Las civilizaciones que se remontan al año 2500 a. C. utilizaron metales espaciales para forjar herramientas y armas. Los antiguos egipcios llamaban al metal meteórico “hierro del cielo”, y quizás el ejemplo más famoso sea la daga de hierro de 33 centímetros de largo enterrada con el faraón egipcio Tutankamón en 1350 a.C.

Sin embargo, el meteorito que cayó en Francia contenía algo quizás incluso más valioso. Los geólogos que examinaron esas muestras más de 20 años después hicieron un descubrimiento emocionante: la bola de roca espacial que cayó sobre Saint-Séverin contenía una pequeña cantidad de un metal raro, conocido como tetrataenita, que había sido identificado recientemente. El espécimen recuperado del meteorito tenía unos 40 micrómetros de ancho, apenas el ancho de un cabello humano, pero el metal podría ayudar a revolucionar la producción mundial de productos electrónicos, desde iPhones hasta aviones de combate.

El nombre del metal proviene de su forma y composición: la tetraenita tiene una estructura tetragonal compuesta de taenita, una aleación que se obtiene cuando el níquel se combina con el hierro. Es similar a los metales de tierras raras necesarios para producir los potentes imanes que alimentan muchos de los dispositivos de consumo actuales, las baterías de los vehículos eléctricos, las armas militares y el hardware esencial para la infraestructura de energía renovable.

"Las tierras raras están entrando en segmentos absolutamente vitales de la industria y la tecnología", dice Ariel Cohen, investigador principal del Atlantic Council. "Son componentes clave para la informática, así como para toda la nueva tecnología que impulsa o respalda la transición energética".

Pero la extracción de estos metales se produce sólo en unos pocos lugares del mundo. El trabajo es difícil, peligroso y riesgoso para el medio ambiente. Y el país que controla el 70 por ciento de la producción mundial, China, ha amenazado con reducir su suministro de metales de tierras raras durante las negociaciones comerciales y militares con Estados Unidos y otras naciones. A pesar de su inmensa promesa, la tetrataenita se considera demasiado poco común para ser útil, porque se encuentra exclusivamente en meteoritos. Hasta el año pasado, claro.

En el otoño de 2022, Lindsay Greer, PhD, profesora de ciencia de materiales en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, y varios colegas anunciaron que habían sintetizado tetrataenita, calentando minerales que se encuentran comúnmente por encima de su punto de fusión (alrededor de 2630 grados Fahrenheit) para crear lo que alguna vez fue -metal esquivo. La versión producida en laboratorio tiene propiedades magnéticas tentadoramente cercanas a las de los minerales de tierras raras como el neodimio, el praseodimio y el disprosio. La tetrataenita magnética podría ocupar su lugar, alimentando innumerables dispositivos durante las próximas décadas.

El descubrimiento de Greer llega en un momento crucial. El anhelo por productos que contengan tierras raras no hace más que aumentar, lo que convierte al grupo de 17 elementos metálicos en uno de los recursos más buscados del planeta. Según el Departamento de Energía de EE.UU., se espera que la demanda mundial de tierras raras aumente un 400 por ciento en las próximas décadas.

"Cuando te enfrentas a un problema de material crítico, puedes hacer una de dos cosas: puedes encontrar más o puedes usar menos", dice Tom Lograsso, director del Critical Materials Institute, un laboratorio de investigación de minerales en los EE. UU. Departamento de Energía.

La gran cantidad de tierras raras necesarias para la producción de imanes es asombrosa si se la expresa en cifras brutas. Por ejemplo, un submarino de ataque de propulsión nuclear clase Virginia requiere 9200 libras de imanes permanentes fabricados con tierras raras. (Los imanes permanentes son siempre magnéticos, a diferencia de los imanes eléctricos que requieren una carga eléctrica para funcionar). Y una propuesta de los Departamentos de Energía y del Interior de Estados Unidos para generar 86 gigavatios de energía eólica marina para 2050 requeriría más de 17.000 toneladas de neodimio.

"La mayor preocupación para la industria de los imanes es el riesgo de suministro", afirma Greer. Eso hace que su avance (un poderoso imán que no depende de tierras raras) sea un potencial punto de inflexión.

Greer no estaba inicialmente interesado en sustitutos de tierras raras. Su investigación se centra en cómo los materiales metálicos cambian sus estructuras y estudia principalmente las aleaciones, incluidas las de hierro y níquel. A finales de 2019, su equipo en Cambridge, en colaboración con colegas de la Academia de Ciencias de Austria, investigaba las propiedades mecánicas de aleaciones de hierro y níquel que contienen pequeñas cantidades de fósforo. Todo era bastante auspicioso: los meteoritos como el que se estrelló en Saint-Séverin ya contienen hierro, níquel y fósforo.

Con la esperanza de hacer un vidrio metálico, que es una aleación de átomos mezclados sin una forma discreta, los investigadores del equipo de Greer colocaron trozos de hierro, níquel y un compuesto de fosfuro en un plato de cobre alojado dentro de un horno eléctrico simple. Es una versión en miniatura de los hornos industriales más grandes utilizados para fundir hierro: corrientes eléctricas de alto voltaje que pasan a través de un arco suspendido sobre el material generan un calor intenso que derrite el metal. Pero cuando el equipo de Greer terminó el casting, obtuvieron un subproducto inesperado. Al examinar su creación bajo un microscopio, Greer quedó atónito al descubrir que los átomos de hierro y níquel estaban dispuestos en formas tetragonales ordenadas, al igual que la tetrataenita que provino de los meteoritos.

"Eso fue una sorpresa", dice Greer. "Estábamos analizando esta aleación en particular con un interés completamente diferente, sin centrarnos en el magnetismo". Pero después de algunas investigaciones sobre la tetrataenita, especialmente sus propiedades magnéticas, Greer y los demás comenzaron a preguntarse qué cantidad del valioso material cósmico podrían producir. "Nos metió en toda la historia de la sustitución de las tierras raras", dice.

Casi al mismo tiempo que Greer y su equipo hicieron su anuncio, ingenieros de la Universidad Northeastern en Boston revelaron que ellos también habían ideado un medio para producir tetrataenita. Sus esfuerzos están encabezados por Laura Lewis, PhD, profesora de ingeniería química. El método de Northeastern es similar al de Greer en el sentido de que el níquel y el hierro se calientan en un horno, con una excepción: a medida que la masa fundida se enfría, el equipo de Lewis aplica "estrés existencial", según su patente, que implica golpear o moler el subproducto para Lleva los átomos al interior para formar esas formas tetragonales.

Ese podría ser un paso importante. Para que la tetrataenita funcione tan bien como las tierras raras, su estructura debe soportar la tensión involucrada en la producción de imanes fuertes y de alta calidad. Las tierras raras ya lo hacen sumamente bien, gracias a su composición única. A diferencia de la mayoría de los metales, las tierras raras tienen una capa adicional de electrones llamada capa de electrones F, que la mayoría de los elementos no poseen. Esa dosis extra de electrones evita que un imán pierda su magnetismo a medida que los materiales se calientan. Los fabricantes añaden minerales de tierras raras como el neodimio y el praseodimio para garantizar que los imanes mantengan su polaridad incluso a temperaturas superiores a los 300 grados. El disprosio y el terbio, otras dos tierras raras, a veces se mezclan en imanes fabricados para productos particularmente exigentes, como turbinas eólicas y submarinos estadounidenses.

Para aumentar la fuerza y ​​resistencia de un imán permanente, los fabricantes aplican calor y presión a tierras raras en polvo, esencialmente soldándolas entre sí. Esto crea un imán a granel, que se enfría y se corta en varias formas. Los imanes terminados pueden ser pequeñas astillas, no más gruesas que un billete de un dólar para un altavoz de iPhone, o formar grandes cuñas y sinterizarse para crear los imanes utilizados en las turbinas eólicas. Independientemente de su forma y tamaño, los imanes permanentes están en todas partes. ¿Las fotos de la cámara de tu iPhone? ¿La música en tus AirPods? Ninguna de las dos cosas es posible sin imanes de tierras raras. Y cada caza furtivo F-35 contiene 920 libras de imanes de tierras raras, que se utilizan para controlar sus sistemas de armas, radar y timones.

Si diseccionaras el motor de un vehículo eléctrico, encontrarías imanes permanentes (cada uno hecho con una pizca de neodimio y praseodimio) dispuestos alrededor de una bobina de cobre que se enrolla alrededor de un eje de transmisión central. Al pisar el gas se envía una corriente eléctrica a través de la bobina, creando un campo magnético con la polaridad opuesta de los imanes. Las fuerzas opuestas hacen que la bobina gire rápidamente, haciendo girar el eje impulsor, lo que hace que las ruedas giren. Los imanes de tierras raras destacan en esta transferencia de energía de mecánica a eléctrica y viceversa. Con medio kilo de imanes permanentes y una carga eléctrica no mayor que la de un iPad, el Tesla Model Y puede pasar de un punto muerto a 60 millas por hora en menos de cuatro segundos. Ese poder tiene al mundo clamando por minerales de tierras raras y sus propiedades supermagnéticas.

Tan sólo en la última década, la demanda de tierras raras se ha disparado. La necesidad de disprosio por sí sola aumentará en más de un 2.500 por ciento para 2035, según analistas del Centro Kleinman de Política Energética de la Universidad de Pensilvania. La producción minera de tierras raras también ha aumentado espectacularmente. En 2010, el mundo desenterró 133.000 toneladas de materiales de tierras raras; en 2022, esa cifra superó las 300.000 toneladas, por un valor de 9.500 millones de dólares. Para 2028, se espera que el comercio de tierras raras alcance un valor de 21 mil millones de dólares.

El suministro de minerales de tierras raras es cada vez más escaso. Según se informa, China está explorando limitar la cantidad de materiales cruciales que exporta a contratistas de defensa estadounidenses. Sin un gran avance en la fabricación o el descubrimiento de fuentes adicionales de tierras raras, un material sintético como la tetrataenita podría ser nuestra mejor apuesta para mantener en funcionamiento armas importantes, tecnologías verdes y queridos productos electrónicos en el futuro.

Mientras China domina En el ámbito de la minería de tierras raras, Estados Unidos tiene una única mina en funcionamiento. Ubicada en lo profundo de la Cordillera Clark de California, a unas 200 millas al sureste de Los Ángeles, la enorme mina a cielo abierto Mountain Pass tiene casi la longitud de nueve campos de fútbol. Y si se colocara el Monumento a Washington en el punto más profundo de la mina, el cañón de color óxido creado por el hombre aún eclipsaría el obelisco de 555 pies de altura por unos 50 pies.

Durante unos 20 años, a partir de mediados de la década de 1960, Estados Unidos lideró el mundo en minería de tierras raras. Eso cambió en la década de 1980, cuando China intensificó sus esfuerzos mineros. Bendecido con ricos depósitos de tierras raras, el país acaparó el mercado extrayendo los metales a precios más bajos (principalmente pagando bajos salarios a los trabajadores) y vendiéndolos a precios bajísimos. Su enfoque indiferente a la regulación ambiental también le dio una ventaja. El año pasado, las minas chinas produjeron 210.000 toneladas de tierras raras, casi el 70 por ciento del suministro mundial. Las minas en Estados Unidos lucharon por mantener el ritmo, cerrando una por una hasta que sólo quedó la operación más grande, Mountain Pass. Pero también cerró por un tiempo, luego de un derrame de desechos tóxicos en 2002.

La degradación ambiental viene con el territorio. La minería es destructiva por sí sola, pero las tierras raras también deben separarse químicamente de los depósitos minerales más grandes, un proceso complicado y potencialmente peligroso. En enormes minas a cielo abierto como Mountain Pass, las excavadoras excavan bancos de tierra en el suelo que permiten a los mineros acceder a elevaciones más bajas. Allí, los mineros perforan agujeros, los llenan de explosivos y abren la roca para extraer denso mineral de óxido de tierras raras. Gigantescos camiones volquete transportan el mineral a fresadoras que lo trituran y muelen hasta convertirlo en gránulos parecidos a arena. Incluso en esta forma, los gránulos todavía contienen minerales no deseados. En las plantas químicas in situ, el mineral granulado se recubre con productos químicos o compuestos para crear una reacción y luego se coloca en tanques de "flotación por espuma", donde las tierras raras suben a la superficie y se eliminan de la parte superior. Los sólidos que quedan se eliminan de la suspensión y el agua se recicla nuevamente al proceso de flotación.

El problema es aún peor en China, donde los estándares ambientales son más bajos. El distrito de Bayan-Obo en Mongolia Interior contiene la mina de tierras raras más grande del mundo y el estanque de residuos más grande del mundo, que ha estado lleno de químicos tóxicos desde la década de 1950. Las consecuencias para la salud son alarmantes. Según informes de los medios estatales chinos, el estanque nunca fue revestido adecuadamente y el agua venenosa se está filtrando al suelo, destruyendo cultivos cercanos, matando ganado y llegando al río Amarillo, una fuente vital de agua potable en la región.

A nivel mundial, ninguna mina de tierras raras opera sin causar algún daño a sus trabajadores y al medio ambiente. La cifra comúnmente citada es que la extracción de sólo una tonelada de elementos de tierras raras produce 2.000 toneladas de desechos de relaves en forma de polvo tóxico, productos químicos de separación, aguas residuales y residuos radiactivos.

En Estados Unidos, Mountain Pass tiene un historial medioambiental mejorado. Después del derrame de 2002 que cerró las operaciones, la mina cambió de dueño varias veces. En 2017, MP Materials, una empresa pública con sede en Las Vegas, asumió la propiedad y revivió las operaciones mineras. Entre otros cambios, implementó un proceso para reciclar las aguas residuales tóxicas necesarias para procesar tierras raras, lo que cree reducirá la posibilidad de otro desastre ambiental.

La producción en la mina también está aumentando. Hace cinco años, Mountain Pass produjo 14.000 toneladas, o el 8 por ciento, de las tierras raras del mundo; el año pasado, esa cifra aumentó a 42.000 toneladas, o el 14 por ciento. Aún así, la demanda supera esos aumentos en la producción minera. En Estados Unidos, los altos costos y las estrictas regulaciones impiden la apertura de nuevas minas. Y existen profundas preocupaciones por la destrucción ambiental causada por las minas de tierras raras en China y otros lugares.

"Va más allá de la simple escasez", dijo Lewis de Northeastern el otoño pasado. "Porque los métodos necesarios para procesar el mineral que sale de la tierra son realmente peligrosos para el medio ambiente; yo diría que incluso dañinos".

La tetraenita puede mitigar esos problemas. Sus metales básicos, hierro y níquel, son dos de los metales más abundantes en la tierra. Son los elementos estándar, por ejemplo, de acero inoxidable. Ambas son más baratas y más fáciles de extraer de la tierra que las tierras raras, con repercusiones ambientales menos graves.

La tetraenita también podría permitir a los productores evitar una etapa de procesamiento crucial necesaria para purificar los metales después de separarlos de otros minerales en la mina. Ese paso se realiza casi en su totalidad en China, que controla el 87 por ciento del procesamiento mundial de tierras raras. China domina tanto la extracción y el procesamiento de tierras raras que en 2018, el Congreso de Estados Unidos ordenó al Pentágono que dejara de comprar imanes de neodimio fabricados en China. El año pasado, varios senadores estadounidenses propusieron nuevas leyes que impedirían que los contratistas de defensa se abastecieran de tierras raras de China para 2026.

"Si estamos en una confrontación con Beijing, ellos pueden detener el suministro", dice Ariel Cohen, del Atlantic Council, quien señala que Estados Unidos actualmente importa el 95 por ciento de sus compuestos e imanes de tierras raras. "Hay que reforzar toda la cadena de suministro en Estados Unidos", afirma. “Entonces, si en general el proceso [para la tetrataenita] es económico y más seguro o ambientalmente mejor, ¿por qué no?”

Para subrayar lo que está en juego, el Departamento de Defensa de Estados Unidos otorgó a Mountain Pass una subvención de 35 millones de dólares en 2022 para que pudiera comenzar a procesar tierras raras en California, sin pasar por China. Eso se suma a los 9,6 millones de dólares que el Pentágono proporcionó en 2020 para reforzar la producción de la mina. MP Materials también está construyendo una instalación de fabricación en Fort Worth, Texas, que, según afirma, producirá suficientes imanes permanentes cargados con tierras raras para 2025 para alimentar 500.000 motores de vehículos eléctricos, una cantidad que podría alimentar cada vehículo eléctrico nuevo comprado en el país.

Mucho más Aún queda mucho por hacer para satisfacer la creciente demanda en Estados Unidos y en todo el mundo. Con las patentes en mano, los equipos dirigidos por Greer y Lewis están trabajando para convertir sus avances en cantidades significativas de tetrataenita producida en masa. No será fácil. Lo mejor que pueden hacer ahora ambos equipos es producir trazas, que aún deben ser verificadas por completo, dentro de sus pequeños laboratorios. A continuación, deben desarrollar un proceso de fabricación capaz de producir tetrataenita de forma consistente y a escala. Greer reconoce que probablemente falten años para ello. "Nuestras investigaciones en curso han demostrado lo difícil que es producir tetrataenita", afirma.

Uno de sus mayores obstáculos es encontrar una manera de lidiar con las temperaturas. A temperaturas superiores a varios cientos de grados, a los átomos de hierro y níquel les gusta moverse. (Esto es lo que le dio al hierro meteórico su maleabilidad, lo que lo hizo popular entre las sociedades anteriores y los faraones egipcios que empuñaban dagas). Pero a medida que las aleaciones de hierro y níquel se enfrían, los átomos del interior se vuelven menos móviles y, por lo tanto, es menos probable que se organicen en la forma. Estructura tetragonal que crea tetrataenita magnética. Fabricar el material a gran escala requerirá que los investigadores aceleren drásticamente la forma en que los átomos de hierro y níquel se organizan en esa estructura tetragonal estable y permanecen bloqueados en su lugar mientras los metales se enfrían a temperatura ambiente.

Eso es sólo la mitad del desafío. Los imanes permanentes hechos de tierras raras deben soportar altas temperaturas, a veces superiores a 300 grados Fahrenheit en motores de vehículos eléctricos, por ejemplo. Pero calentar la tetrataenita a esos niveles rompe los enlaces entre los átomos, colapsando la estructura tetragonal que le da al material sus impresionantes propiedades magnéticas.

"El verdadero desafío no es hacer el tetragonal o ordenar los átomos de la forma deseada, sino mantenerlos en ese estado mientras trabajas en el mundo real", dice Lograsso.

Si alguno de los equipos de investigación supera con éxito esos obstáculos, sería un avance monumental que podría reordenar la cadena de suministro global. Los países sin depósitos propios de tierras raras podrían obtener más fácilmente materiales para alimentar computadoras, vehículos eléctricos, turbinas eólicas y tecnología militar. Sería una gran ayuda para el movimiento de energía verde y, al mismo tiempo, frenaría el daño ambiental creado por la minería y el procesamiento de tierras raras.

Si la tetrataenita podría ser ese material héroe sigue siendo una cuestión abierta. Pero si podemos aprovechar la magia de los meteoritos, podemos descubrir que la expansión del conjunto de imanes permanentes no proviene de la excavación de minas más grandes, sino de un metal espacial producido aquí mismo en la Tierra.

Andrew Zaleski, un escritor que vive cerca de Washington, DC, cubre ciencia, tecnología y negocios.

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