Strategické vzácné zeminy by mohly být nahrazeny komby běžných prvků  
V těžbě a zpracování vzácných zemin má dnes prakticky monopol Čína. To představuje geopolitický problém. Hledání nových nalezišť těchto prvků je problematické. Co kdybychom ale zkusit nahradit atomy vzácných zemin sestavami mnohem lépe dostupných a mnohem levnějších prvků periodické tabulky. Svět by byl hned o něco bezpečnějším místem.
Zařízení na epitaxi z molekulárních svazků. Kredit: Durban Lab.
Zařízení na epitaxi z molekulárních svazků. Kredit: Durban Lab.

Není tajemstvím, že jedna z nejdůležitějších globálních her dnešní doby se hraje o vzácné zeminy. Těchto 15 lanthanoidů se skandiem a yttriem mají unikátní elektronické vlastnosti a našly uplatnění v pokročilé elektronice. Staly se výjimečně strategickou surovinou. Nejsou vzácné proto, že by jich bylo celkově málo, ale jen vzácně se vyskytují v takové koncentraci, že se vyplatí jejich těžba.

 

Také není tajemstvím, že v této hře v současnosti jednoznačně vítězí Čína, což u mnoha lidí vzbuzuje obavy. Spojené státy podle Defense One tuto hru na dlouhou dobu pokazily již v osmdesátých letech, kdy udělaly dvě osudové chyby. Tehdejší největší americká společnost pro těžbu a zpracování vzácných zemin Molycorp přesunula své provozy do Číny, čímž jim prakticky odevzdala klíčové technologie. A druhou chybou bylo, že příslušné komise zařadily těžbu a zpracování vzácných zemin pod stejné regulace, jako těžbu surovin pro jaderné palivo. To spolehlivě zlikvidovalo všechny významné americké producenty vzácných zemin. Řada podobných neuvážených kroků z americké strany pak přišla i v dalších letech. Výsledkem toho všeho je, že Čína teď drží na krku nůž ze vzácných zemin prakticky celému světu. A zároveň na tom královsky vydělává.

 

Roy Clarke. Kredit: University of Michigan.
Roy Clarke. Kredit: University of Michigan.

Co s tím? Je to běh na dlouhou trať, ale svět si už uvědomil, jaký problém vzácné zeminy představují. Prospektoři usilovně hledají nová ložiska těchto prvků, kde by se vyplatila těžba. Je to ale obtížné a takových míst nebude mnoho. Recyklace vzácných zemí je rovněž dost obtížná a potřebné technologie jsou teprve v počátcích. Naštěstí jsou i jiné možnosti, jako například nechat vědce, ať si hrají a zkusí vymyslet něco, co by přivodilo zásadní technologický zvrat v této osudové globální hře o moc.

 

A možná je takový zvrat už nadohled. Roy Clarke z americké University o Michigan v Ann Arbor a jeho spolupracovníci vymysleli způsob, jak problematické prvky vzácných zemin nahradit. Zkombinovali mnohem snadněji dostupné a hlavně levnější prvky periodické tabulky do elektronicky užitečných sestav, které by si teď mohly najít cestu do pokročilé elektroniky nebo třeba do solárních panelů. Zjistili totiž, že takové kombinace prvků mohou mít mnoho vlastností prvků vzácných zemin. Jako když hráč videohry stiskne několik kláves najednou a vytvoří tím kombo, třeba pořádný útok, kterým zdecimuje svého protivníka.

 

Periodická tabulka. Kredit: 2012rc / Wikimedia Commons.
Periodická tabulka. Kredit: 2012rc / Wikimedia Commons.

Clarke a spol. k tomu použili metodu epitaxe z molekulárních svazků (MBE, molecular beam epitaxy), s jejíž pomocí vytvořili tenké filmy požadovaných vlastností postupným nanášením jednotlivých prvků s přesností na atomy. Tímto postupem dokázali vytvořit „kombo“ z prvků II, IV a V skupiny tabulky, v jejich případě ze zinku, cínu a dusíku. Všechny tyto prvky jsou velmi dobře dostupné a levné, přičemž výsledná sestava má podobné optoelektronické vlastnosti jako prvky vzácných zemin.

 

Tato sestava dokáže těžit solární energii a pak svítit. Mohla by se uplatnit například v tenkých solárních panelech, LEDkách nebo displejích. A možnosti jsou široké. Když by například zinek v této sestavě nahradili hořčíkem, tak by tento materiál mohl zářit i v modré a ultrafialové oblasti spektra. Konkrétní sestava prvků je také vždy více specificky citlivá na záření o určité vlnové délce. Různými kombinacemi prvků by bylo možné vytvořit LEDky, které budou zářit v různých barvách a typech světla. Jak se zdá, velká hra o vzácné zeminy bude mít trochu jiná pravidla. Globální stabilitě to jenom prospěje.

Video:  Materials at Michigan Symposium | Roy Clarke


Literatura
University of Michigan 2. 7. 2019, Defense One 8. 11. 2018, Physical Review Letters 122: 25640.

Datum: 07.07.2019
Tisk článku

Fyzika 2 pro základní školy RVP - Tesař Jiří, Jáchim František
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 109 Kč
cena: 97 Kč
Fyzika 2 pro základní školy RVP
Tesař Jiří, Jáchim František
Související články:

S grafenem je lepší všechno. I beton!     Autor: Stanislav Mihulka (24.04.2018)
Železná ruda boduje: Řady pozoruhodných 2D materiálů rozšířil hematen     Autor: Stanislav Mihulka (02.08.2018)
Kvantová síla vakua může vylepšit slibné 2D materiály     Autor: Stanislav Mihulka (08.12.2018)



Diskuze:

Dovoluji si připomenout,

Jan Šimůnek,2019-07-09 12:29:12

že některé lanthanoidy vznikají i jako (nežádoucí) příměsi ve vyhořelém palivu v jaderných elektrárnách (včetně těch, co jsou vlastně továrnami na produkci zbrojního plutonia). Asi by se dala zavést jejich výroba i touto cestou (pokud nejsou v těžitelném množství v odpadech z jaderných reaktorů). Opět by se tím obešla ta Čína.

Odpovědět

Mnoho použití

Pavel Nedbal,2019-07-08 21:32:15

mají kovy vzácných zemin. Na polovodičové čipy (m.j. fotovoltaika, LED luminofory) může být iontová implantace, ať již pracná ve výsledku cenově přijatelná, protože se nahrazuje malé množství (tenké vrstvy). Ale klíčové použití skutečně vyžaduje pořádné množství - specielní legury kovů, magnety, optické členy a filtry, lasery, vláknová optika, supravodiče pro vyšší teploty, atd. Tam prostě potřebujete kila, tuny. Nezbývá než hledat ložiska a slušnou technologii jejich izolování. Že nebude úplně nejčistčí, co se dá dělat. Bez průmyslu, i toho těžkého a chemie se neobejdeme. 3D tiskárny slévárnu nenahradí. Přiznávám, ano, jsem technokrat.

Odpovědět


Re: Mnoho použití

Alexandr Kostka,2019-07-09 07:46:16

A Čína jich má tuny a tuny a dokonce na neosídlených místech, takže těžba není problém. A dokonce je velmi ráda vytěží a výrobky z nich prodá.. Jenže: A) prodá, nikoliv věnuje. B) výrobky, nechtějí prodat suroviny.. A na závěr mají k tomu takový nepřekousnutelný požadavek, aby se do nich kupující stát nemontoval.

PS: ostatně co se týká lidských práv a agrese, má USA morální právo leda mlčet. nikdo jiný nepoužil atomovku na lidi. Nikdo nezabíjel tak trýznivě, jako oni ve Vietnamu (rozpouštění lidí zaživa v chemické zbrani agent orange), nikdo jiný nezamožil cizí země odpadem z ochuzeného uranu a podobně. (Btw, pokud máte náladu na malý experiment: sečtěte si čistě cvičně úúdaje o tom, kolik lidí padlo ve válkách vedených USA (obvykle pod jménem "osvobozování") PO druhé světové a pak porovnejte s druhou světovou. ASI budete dost překvapeni)

Odpovědět


Re: Re: Mnoho použití

Theodor Vopajslik,2019-07-12 22:44:10

SSA mely ve valkach po roce 1945 zavrazdit pres 50 milionu lidi. Kdyz se k tomu pripocita 100 milionu Indianu a 120 milionu cernochu, kteri meli byt transportovani do SSA (viz museum otrokareni na ostrove Goree v Senegalu), tak se SSA v tomto ohledu cinily.

Odpovědět


Re: Re: Re: Mnoho použití

Jan Novák9,2019-07-13 08:43:42

S dovozem otroků si moc nepomohli. S průměrným IQ 80 (a to přesto že mají v průměru 20% bělošských genů) jsou afroameričani zdrojem problémů, nezaměstnanosti a kriminality. Snaha srovnat školní výsledky s bílými dětmi vede ke snižování vzdělanosti na společnou úroveň, tj. IQ 80. Nižší IQ se projevuje už v předškolním věku a pokusy bylo zjištěno že speciálním vzděláváním se stálou péčí od raného dětství lze IQ zvýšit jen asi o 3 body.
Celkově to připomíná romskou komunitu u nás která má problémy s integrací i po 1000 letech v Evropě. Část s dostatečným IQ se integruje, zbytek vytvoří komunitu = ghetto.

Odpovědět


Re: Re: Mnoho použití

Jindřich Špicner,2019-07-14 17:50:40

Vážený pane Kostko, úvodem omluva za dlouhý text.
Rád čtu Vaše příspěvky a proti jejich většině – pokud jsem je schopen validně obsáhnout – nemám zásadní námitky. Připadá mi však, že sdělení ve Vašem příspěvku, k němuž tento komentář připojuji, se z racionálního tónu poněkud vymyká. Jedná se o pasáž týkající se rozpouštění Vietnamců v Agent Orange.
Do povědomí občanů socialistického Československa se ideologům a přisluhujícím novinaříčkům podařilo imputovat nejasné přesvědčení, že Agent Orange je něco jako yperit, soman nebo látka VX. Přitom tato „chemická zbraň“ se skládala z butylesterů 2,4,5-trichlorfenoxyoctové kyseliny (2,4,5-T) a 2,4-dichlorfenoxyoctové kyseliny, tedy ze dvou tehdy naprosto civilních herbicidů, které Američané aplikovali ve vyšších koncentracích, než bylo obvyklé pro použití v zemědělství; a mimochodem, Američané je nakupovali mimo jiné taky od Spolany Neratovice, což se v příslušných letech samozřejmě tajilo.
Problém spočíval jinde: v dioxinu, který vznikal ve stopovém množství jako jeden z vedlejších produktů při výrobě 2,4,5-T, přičemž jeho působení tehdy nebylo rozpoznáno a jeho výskyt ve výsledném produktu nebyl sledován, dokonce ani neexistovaly analytické metody, kterými by se v tak minimálních koncentracích tehdy dal kvantitativně stanovit. Kdyby byly příslušné okolnosti již tehdy známy, nikoho by nenapadla aplikace v uvedených souvislostech. Teprve po zjištění, že Agent Orange působí vznik nádorů a malformací, a to jak u zasažených Vietnamců, tak u amerického personálu, který s Agent Orange přicházel do styku při plnění kontejnerů letadel, byl dioxin po nějaké době identifikován jako příčina a od aplikace Agent Orange bylo upuštěno.
Nevím, jak moc jsou Vietnamci rozpustilí; ale jejich rozpustnost v Agent Orange nebude nijak vysoká. Asi jako v rostlinném oleji.

Odpovědět

Vzácných zemin je dost a dost

Jiří Kolumberský,2019-07-08 09:05:34

Můj známý je geolog a prospektor, vzal si za ženu Číňanku a trvale žije v Čínské lidové republice. Provádí geologický průzkum mimo jiné i v oblasti poušti Gobi. Říkal mi, že je ohromený obrovskými ložisky těžitelných vzácných zemin a samozřejmě i mnohými dalšími poklady země.
Nedostatek vzácných zemin určitě nehrozí do vzdálené budoucnosti. Jistě, vlastník 97% zásob, si bude moci diktovat podmínky, ale s tím se nic nenadělá.
Výroba "patláním" z nanovrstev metodou MBE se časem zdokonalí a možná bude i okrajově použitelná. Navíc spotřeba vzácných zemin bude klesat vlivem nových technologií.

Odpovědět


Re: Vzácných zemin je dost a dost

Libor Zak,2019-07-08 15:21:32

Tak ono se jich našlo docela dost i v Japonském moři, kde se pomalu rozjíždí podmořská těžba. Problém s prvky vzácných zemin je v tom, že některé jsou toxické. Takže z ekologického hlediska by bylo fajn mít alternativu. Metalurgie taky není zrovna pro svět zdravá záležitost. Používají se kyseliny a další svinstva. Navíc budoucí 3D tiskárny pokročilejší úrovně by mohly být schopné z poměrně běžných a neškodných prvků vytvořit téměř cokoliv, což by se mohlo hodit třeba ve vesmíru. Tam sice je asi na asteroidech celkem dost zmíněných prvků, ale jejich zpracování bude problematické a v průběhu letu nemusí být dostupné.
Ale jak píše pan Mihulka, největší dopad by to mělo geopoliticky. Odpadl by důvod k šarvátkám o zdroje, ať už na obchodní, nebo vojenské úrovni.

Odpovědět

Don't worry

Jan Veselý,2019-07-07 22:42:02

S kovy vzácných zemin to není zdaleka tak horké: https://thebulletin.org/2017/05/clean-energy-and-rare-earths-why-not-to-worry/

Odpovědět


Re: Don't worry

Jan Novák9,2019-07-13 09:07:40

Nestačí zásoba vzácných zemin, potřebujete ještě nízkou penetraci zelených a nebo vládu která je ochotná a schopná je ignorovat.
Je evidentně nad schopnosti zelených pochopit že ty FW panely a větrné elektrárny je potřeba z něčeho vyrobit. Těžba vzácných zemin je neekologická a to je důvod proč se těží jenom v Číně. Viz situace s lithiem u¨nás. USA má také dostatečné zásoby ale netěží je.

Odpovědět

Pěkně ale..

Alexandr Kostka,2019-07-07 19:27:05

Čínu to z pozice monopolního výrobce fakt nesundá. MBE je sice fajn metoda jak vytvořit "věci" které jinak nefungují, ale má své drobňoučké mušky. Jako třeba to, že je z pohledu průmyslu (kde je běžné, že mašina vysekne kus materiálu, plácne ho na podklad a jede se dál za méně než vteřinu) VELMI pomalá, konkrétně pokrytí wafferu s průměrem 300 mm v jejím podání zabere kolik hodin. A samozřejmě vyžaduje naprosto čisté prostředí. A jako bonus, je neskutečně energeticky náročná. "Vyrobená" vrstva je cenově "někde" nad cenou zlata. (o pár kilometrů výš než je cena zlata) Ano, určitě to funguje, ale využití vidím na dost omezené. Konkrétně na případy, kde udělají kombinaci s vlastnostmi, které přírodní látka nemá. A pro armádu, která si těžko může nechat vyrábět součástky v Číně. Pro kohokoliv jiného bude mnohem levnější zadat výrobu žlutým :)

Odpovědět


Re: Pěkně ale..

Pavel Hranický,2019-07-07 22:10:06

Pane Kostko, to přirovnání které používáte by bylo trefné, pokud by se prvky vzácných zemin v přírodě vyskytovaly v podobě "kusu materiálu". Což, jak víme, není pravda. Výše zmíněný postup je teprve první iterace. A i pokud další výzkumy rychlost nezvednou, dá se jednoduše použít větší množství výrobních jednotek a vyřešit problém "silou". To sice znamená vyšší počáteční investici, ale oproti konkurenci vzácných zemin má stále výhodu v mnohem nižší cenně vstupních surovin.

Odpovědět


Re: Re: Pěkně ale..

Zdenek Mazanec,2019-07-08 09:49:33

Cena suroviny je nezajímavá, pokud je vlastní výrobní proces cenově o řády výše. Zajímavá -z pohledu financí- je konečná cena výrobku, ne cena jedné či více vstupních surovin.

Odpovědět


Re: Re: Re: Pěkně ale..

Jan Šimůnek,2019-07-09 12:32:51

Existence v podstatě jakékoli alternativy je zajímavá tím, že zastropovává cenu toho nealternativního produktu. A pokud dáme najevo vůli, že se bez jejich dodávek obejdeme, tak se to také promítne do cenových (i mimocenových) nabídek.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni
















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace