Metale ziem rzadkich – lista, rola w technologii i ekotransformacji

Metale ziem rzadkich to 17 pierwiastków: piętnaście lantanowców oraz skand i itr, z których większość wcale nie jest rzadka. Rzadkie są bogate złoża i zakłady zdolne rozdzielić pierwiastki, które chemicznie zachowują się niemal tak samo. Kto kontroluje ten rozdział, kontroluje dostawy. A od nich zależą magnesy trwałe w silnikach elektrycznych i turbinach wiatrowych.

Lista 17 metali ziem rzadkich

Metale ziem rzadkich (REE, od ang. rare earth elements) to grupa 17 pierwiastków: piętnastu lantanowców oraz skandu i itru. W układzie okresowym lantanowce zajmują ciągły szereg liczb atomowych od 57 do 71. Skand i itr stoją nad nimi w 3. grupie, wśród skandowców. Sama nazwa wprowadza w błąd, bo większość tych pierwiastków wcale nie jest rzadka.

Lekkie metale ziem rzadkich (LREE, light rare earth elements) obejmują siedem lantanowców:

• lantan (La, 57)
• cer (Ce, 58)
• prazeodym (Pr, 59)
• neodym (Nd, 60)
• promet (Pm, 61) – promieniotwórczy, nie ma trwałych izotopów i w przyrodzie występuje tylko śladowo
• samar (Sm, 62)
• europ (Eu, 63)

Ciężkie metale ziem rzadkich (HREE, heavy rare earth elements) zaczynają się od gadolinu. Należy do nich osiem lantanowców oraz itr:

• gadolin (Gd, 64)
• terb (Tb, 65)
• dysproz (Dy, 66)
• holm (Ho, 67)
• erb (Er, 68)
• tul (Tm, 69)
• iterb (Yb, 70)
• lutet (Lu, 71)
• itr (Y, 39)

Skand (Sc, 21) w większości klasyfikacji nie należy do żadnej z tych dwóch grup, choć bywa dołączany do lekkich.

Dlaczego do grupy należą dwa pierwiastki, które nie są lantanowcami? O przynależności decyduje chemia. Jon itru ma promień prawie taki sam jak jony holmu i dysprozu. Dlatego w minerałach itr zajmuje miejsce ciężkich lantanowców i wydobywa się go razem z nimi. Z tego samego powodu itr należy do grupy ciężkiej, choć jego atom jest znacznie lżejszy. Jon skandu jest mniejszy i skand rzadko występuje w tych samych złożach co reszta grupy. Zalicza się go do niej ze względu na podobieństwo chemiczne i przyjętą konwencję – IUPAC obejmuje nazwą metali ziem rzadkich oba skandowce.

Granica między grupami bywa postawiona w różnych miejscach i to tłumaczy większość różnic. W innym podziale grupa lekka kończy się na samarze, a europ należy do ciężkich. Inny podział wyróżnia trzy grupy: lekkie (57–60), średnie (61–65) oraz ciężkie (66–71) razem z itrem. Starsza literatura dzieli REE na grupę cerową i itrową, czasem z grupą terbową pomiędzy nimi. Ten podział wziął się z różnej rozpuszczalności siarczanów. W raportach rynkowych słowo „ciężkie” często oznacza po prostu dysproz i terb. Porównując dane z dwóch źródeł, sprawdź najpierw, gdzie każde z nich stawia granicę. Najczęściej pierwszym pierwiastkiem grupy ciężkiej jest gadolin.

Wykorzystanie metali ziem rzadkich

Zastosowania metali ziem rzadkich dzielą się na dwie grupy. W pierwszej mała ilość pierwiastka daje materiałowi jedną konkretną właściwość: świecenie, wzmacnianie sygnału albo katalizę. Drugą grupę tworzą magnesy trwałe, które napędzają popyt w transformacji energetycznej.

Luminofory, światłowody, katalizatory i medycyna – małe ilości, jedna właściwość

W tej grupie każdy z pięciu pierwiastków odpowiada za inną właściwość.

• Europ – jony europu świecą czystą czerwienią, dlatego europ służy jako czerwony luminofor w lampach fluorescencyjnych i ekranach.
• Itr – tlenek itru jest podstawą luminoforów. Granat itrowo-glinowy z domieszką ceru zamienia niebieskie światło diody LED w białe.
• Erb – domieszka erbu we włóknie wzmacnia sygnał w paśmie około 1550 nm, w którym światłowód traci najmniej. Na tej zasadzie działają wzmacniacze EDFA.
• Cer – w katalizatorach samochodowych tlenek ceru gromadzi i oddaje tlen, co pozwala dopalać tlenek węgla i węglowodory. Według opracowania amerykańskiej służby geologicznej tlenek ceru wyjątkowo dobrze nadaje się też do polerowania szkła soczewek i ekranów.
• Lantan – podnosi współczynnik załamania szkła w obiektywach i stabilizuje katalizatory krakingu w rafineriach ropy.

Medycyna dostarcza kolejnych przykładów tej samej reguły. Gadolin jest podstawą środków kontrastowych do rezonansu magnetycznego. Kryształy z domieszką neodymu albo erbu pracują w laserach chirurgicznych.

We wszystkich tych zastosowaniach pierwiastek trudno czymś zastąpić. Brak nawet niewielkiej dostawy może więc zatrzymać całą linię produkcyjną.

Napędy elektryczne i turbiny wiatrowe

Zielona transformacja zależy od ziem rzadkich przede wszystkim przez magnesy trwałe NdFeB, czyli stop neodymu, żelaza i boru. Ten segment daje według IEA około 96% wartości całego rynku ziem rzadkich. Udział tańszych zastosowań ceru i lantanu w tonażu rynku wynosi od prawie połowy do około dwóch trzecich. Magnesy NdFeB to najsilniejsze magnesy produkowane przemysłowo. Przy tej samej sile pola są mniejsze i lżejsze od ferrytowych, a napęd z nimi jest lżejszy i sprawniejszy. Neodym występuje w nich zwykle razem z prazeodymem, bo oba pierwiastki współwystępują w rudzie i działają w stopie podobnie.

Dysproz i terb pełnią w magnesie inną funkcję niż neodym. Wraz ze wzrostem temperatury magnes NdFeB łatwiej się rozmagnesowuje. W praktyce silnik trakcyjny i generator nagrzewają się podczas pracy. Dodatek dysprozu albo terbu utrzymuje koercję, czyli odporność na rozmagnesowanie, w wyższej temperaturze. Oba pierwiastki należą do ciężkich ziem rzadkich, najrzadszych i najbardziej skupionych geograficznie. Dlatego producenci coraz częściej nanoszą je tylko na granice ziaren magnesu i zużywają ich mniej.

Ilość ziem rzadkich zależy od urządzenia i jego konstrukcji. Magnesy w silniku trakcyjnym samochodu elektrycznego waży się w kilogramach. W generatorze morskiej turbiny direct drive liczy się je w tonach. Taka turbina nie ma przekładni. Jej wirnik jest połączony bezpośrednio z generatorem.

Te same urządzenia da się zbudować bez magnesów z ziem rzadkich. Część samochodów elektrycznych ma silniki indukcyjne albo synchroniczne z wirnikiem wzbudzanym prądem. Taki napęd jest zwykle nieco mniej sprawny albo cięższy. Na lądzie popularne są turbiny z przekładnią i szybkoobrotowym generatorem, który potrzebuje mało magnesów albo wcale.

Turbiny direct drive są częste na morzu, gdzie ważniejsza jest mniejsza awaryjność. Fotowoltaika w ogóle nie korzysta z ziem rzadkich. Ogniwo krzemowe wymaga krzemu i srebra, a ogniwa cienkowarstwowe telluru, indu albo galu, które nie należą do REE. Zależność od ziem rzadkich jest więc realna, ale dotyczy silników i generatorów z magnesami trwałymi.

Skoro nie są rzadkie, dlaczego tak trudno je pozyskać?

Rzadkie są opłacalne złoża i możliwość rozdzielenia pierwiastków, a nie same pierwiastki. Według wypowiedzi geologa USGS cer występuje w skorupie ziemskiej częściej niż miedź czy ołów. Nawet tul i lutet, dwa najrzadsze pierwiastki grupy mające trwałe izotopy, są niemal 200 razy pospolitsze od złota. Skąd zatem problem z dostawami? Skoncentrowane złoża metali ziem rzadkich zdarzają się bardzo rzadko.

Przyczyną rozproszenia jest chemia. Jony REE wbudowują się w struktury krystaliczne wielu pospolitych minerałów i rzadko tworzą własne. Wśród minerałów REE opłacalne wydobycie opiera się głównie na trzech. Bastnazyt to fluorowęglan bogaty w lekkie REE. Monacyt to fosforan występujący w piaskach plażowych i pegmatytach. Ksenotym to fosforan itru, z którego pozyskuje się część ciężkich REE. Nawet w takich złożach ruda to w większości skała płonna, którą oddziela się flotacją albo separacją magnetyczną.

Po tym etapie ziemie rzadkie przestają przypominać większość surowców metalurgicznych, bo koncentrat trafia nie do huty, tylko do zakładu chemicznego. Wszystkie lantanowce tworzą jony o ładunku +3. Promień jonu maleje od lantanu do lutetu bardzo małymi krokami, więc sąsiednie pierwiastki zachowują się niemal tak samo. Ekstrakcja rozpuszczalnikowa wykorzystuje te niewielkie różnice, dlatego rozdział wymaga kaskad liczących dziesiątki, a nawet setki stopni. Na każdym stopniu roztwór styka się z rozpuszczalnikiem organicznym. Proporcje pierwiastków zmieniają się przy tym tylko trochę.

Każdy etap przeróbki obciąża środowisko. Rozkład koncentratu wymaga stężonych kwasów albo zasad i daje duże ilości ścieków. Monacyt zawiera tor, więc odpady po jego przeróbce są promieniotwórcze i trzeba je składować osobno. O pozycji producenta decydują więc technologia rozdziału, instalacje i gotowość do składowania odpadów.

Kto kontroluje dostawy?

Czego dotyczy wartość 90%? Przede wszystkim przeróbki, a nie wydobycia. Według danych IEA o łańcuchu dostaw udział Chin rośnie z każdym kolejnym etapem:

• Wydobycie – 60% światowego wydobycia metali ziem rzadkich używanych w magnesach.
• Rafinacja – 91% światowej produkcji.
• Spiekane magnesy trwałe – 94% w 2024 roku.

Kopalnie poza Chinami istnieją, ale ich koncentrat w dużej części trafia do chińskich rafinerii. Poza Chinami jest bowiem za mało zakładów, które mogłyby go rozdzielić. W praktyce oznacza to, że kto kontroluje rozdział, ten kontroluje dostawy, nawet jeśli nie ma własnych złóż. Przewaga w magnesach zamyka łańcuch, bo odbiorca końcowy kupuje gotowy element, a nie tlenek.

Ograniczenia eksportu pokazały, że takie skupienie produkcji daje narzędzie nacisku politycznego. Już w 2010 roku, podczas sporu z Japonią, chiński eksport ziem rzadkich do tego kraju został nieformalnie wstrzymany. Kontrole eksportu wprowadzone przez Chiny 4 kwietnia 2025 roku objęły wymogiem licencji siedem pierwiastków oraz zawierające je magnesy. Są to samar, gadolin, terb, dysproz, lutet, skand i itr. Licencje wydawano tygodniami. W efekcie europejscy dostawcy części samochodowych ostrzegali przed przestojami linii montażowych. Kontrole ogłoszone 9 października 2025 roku zawieszono formalnie do 10 listopada 2026 roku. Kwietniowe kontrole nadal obowiązują.

Afryka jest realną, ale odległą alternatywą. Złoża karbonatytowe w Malawi, Tanzanii i Angoli zawierają głównie lekkie REE. Namibijskie złoże Lofdal należy do nielicznych bogatych w ciężkie. Bez własnej separacji sama kopalnia nie zmienia jednak układu sił. Od odkrycia złoża do stabilnej produkcji mijają zwykle lata. Finansowanie zależy przy tym od umów odbioru zawartych z góry.

Odpowiedzią Unii Europejskiej jest akt o surowcach krytycznych. To rozporządzenie (UE) 2024/1252 z 11 kwietnia 2024 roku. Metale ziem rzadkich do magnesów znalazły się w nim wśród surowców strategicznych, dla których akt wyznacza ilościowe wartości referencyjne.

Akt wszedł w życie 23 maja 2024 roku. Na 2030 rok wyznacza cztery Wartości referencyjne przyjęte przez Radę UE, które obejmują cały łańcuch dostaw. Co najmniej 10% rocznego zużycia w UE ma pochodzić z wydobycia w UE, 40% z przetwarzania, a 25% z recyklingu. Czwarty próg dotyczy zależności. Udział jednego państwa trzeciego nie powinien przekraczać 65% zużycia surowca strategicznego na każdym etapie przetwarzania. Przy obecnym udziale Chin w rafinacji spełnienie tego progu wymaga przebudowy łańcucha dostaw.

Recykling ma w tej strategii mocne uzasadnienie. Rozporządzenie zakłada, że najbardziej krytyczne surowce to metale, które co do zasady można poddawać recyklingowi. W przypadku REE chodzi głównie o magnesy z silników, dysków twardych i innych odpadów elektronicznych. Odzysk z popiołów lotnych z elektrowni węglowych jest wciąż na etapie badań. Nowych złóż Europa szuka w szwedzkiej Laponii w rejonie Kiruny i w norweskim kompleksie Fen.

Polska nie ma przemysłowych złóż ziem rzadkich, choć Suwalszczyzna bywa nazywana europejskim eldorado tych pierwiastków. Złoża Krzemianka i Udryń to głęboko zalegające rudy żelaza, tytanu i wanadu, w których REE są tylko domieszką. Według danych PIG-PIB o złożach suwalskich są to obiekty bez znaczenia praktycznego, choć ciekawe geologicznie. Ich zasoby mają status pozabilansowych, czyli takich, których wydobycie przy obecnych kryteriach się nie opłaca.

Metale ziem rzadkich nie należą więc do wydobywanych surowców mineralnych Polski i pozostają surowcem importowanym. Krajowy udział w łańcuchu dostaw może prędzej dotyczyć recyklingu odpadów elektronicznych niż wydobycia.