Redke zemlje poganjajo naš svet – od pametnih telefonov do vetrnih elektrarn. Zadnje čase je o njih veliko govora tudi v smislu razkazovanja mišic držav in geopolitike. Dr. Sašo Šturm, vodja odseka za nanostrukturne materiale na Inštitutu Jožefa Stefana, pa velja za enega največjih strokovnjakov na tem področju. Skozi pogovor nas je popeljal v svet, o katerem redko govorimo in v katerem, če karikiramo, iz starih magnetov in atomske natančnosti lahko kujejo prihodnost zelene Evrope.
Zaradi spleta okoliščin smo pogovor opravili kar prek zaslonov, prek sodobne platforme, kjer se lahko intervju opravi tudi na daljavo. In ko se je na njem prikazal dr. Sašo Šturm, je bil prvi vtis, no, presenetljiv. Namesto zadržanega akademika, ki bi se skrival za zidom strokovnega žargona, smo imeli pred seboj človeka, ki izžareva neposrednost in lucidnost. Je tiste vrste strokovnjak, ki razume, da znanost nima prave vrednosti, če ostane ujeta v laboratoriju – biti mora prevedljiva v jezik, ki ga razumejo ljudje, in v rešitve, ki jih potrebuje industrija. »Poznam idealnega človeka,« je dejala kolegica, ko je tekla beseda o tem, kdo bi znal razložiti zapleteno tematiko redkih zemelj. In ni se motila. Sašo Šturm je sogovornik, ki zna kompleksnost kvantne mehanike in geopolitičnih trenj prevesti v preproste, življenjske analogije.
Civilizacija bi se ustavila
Tema najinega pogovora so bile torej redke zemlje – izraz, ki v zadnjem času polni naslovnice časopisov, vendar ga samo redki zares razumejo. Gre za snovi, brez katerih bi se sodobna civilizacija, kot jo poznamo, ustavila. Toda, kot pojasni Šturm, že samo poimenovanje »redke zemlje« ni najbolj natančno in je napaka, ki še danes ustvarja nepotrebno mistiko.
»Redke zemlje je zgodovinsko zavajajoč izraz,« je začel sogovornik in nas takoj postavil na realna tla. Zgodba se začne na Švedskem, v rudniku Ytterby, kjer so konec 18. stoletja našli nenavadno temno kamnino. Ker je bila takrat nepoznana in so jo našli v, kot so mislili, redkih mineralih, se je za takšne elemente uveljavilo ime »redke zemlje«.
V resnici pa sploh niso redki. Šturm postreže s presenetljivim podatkom: neodima, ki je ključna sestavina najmočnejših trajnih magnetov, je v zemeljski skorji približno toliko kot bakra ali svinca. Še bolj presenetljivo – redkih zemelj je v naravi bistveno več kot srebra, platine ali zlata.
Kje torej tiči težava? »Problem je, da so ti elementi izredno dispergirani,« razloži Šturm. Ne pojavljajo se v koncentriranih žilah kot zlato, ampak so razpršeni, zato je njihovo ekonomsko izkoriščanje nočna mora. Predelati je treba ogromne količine rude, da dobimo majhno količino materiala. Poleg tega so si ti elementi – gre za skupino lantanoidov, kamor spadata še skandij in itrij, skupaj 17 elementov – kemijsko izjemno podobni. »Tehnološko jih je težko ločiti,« pravi Šturm. Procesi zahtevajo ogromno kemije, tehnologije in energije.
Prav ta zapletenost ločevanja nas pripelje do ene najbolj fascinantnih zgodovinskih povezav, ki jo Šturm omeni skoraj mimogrede. Tehnologijo za ločevanje teh elementov smo dobili kot stranski produkt projekta Manhattan – razvoja atomske bombe. Redke zemlje so se namreč pogosto pojavljale v istih rudiščih kot uran in so pri bogatenju urana delovale kot nečistoče, ki so odlično absorbirale nevtrone in preprečevale verižno reakcijo. Da so lahko naredili bombo, so morali razviti tehnologijo čiščenja urana, s tem pa so nehote razvili tudi postopke za pridobivanje redkih zemelj.
Mazanje mrežic plinskih svetilk
Če so bile prve uporabe redkih zemelj preproste – v 30. letih prejšnjega stoletja so z njimi mazali mrežice plinskih svetilk, da so močneje svetile, uporabljali pa so jih tudi za kresilne kamenčke v vžigalnikih –, so danes ti elementi tkivo sodobne tehnologije.
»Brez redkih zemelj je zaslon, ki ga gledava, nemogoč,« je bil jasen Šturm. So v mikrofonih, zvočnikih, vibracijskih sistemih telefonov. So v laserjih in optičnih vlaknih – prav dodatek redkih zemelj je omogočil, da optični signali potujejo okoli sveta, ne samo nekaj metrov. Uporabljajo jih v medicinski diagnostiki (kontrastna sredstva za MRI) in v rafinerijah kot katalizatorje.
Toda najpomembnejša bitka se bije na področju zelenega prehoda. Elektrifikacija mobilnosti in vetrne elektrarne so popolnoma odvisne od trajnih magnetov, ki vsebujejo redke zemlje. »Brez teh elementov si elektrifikacije mobilnosti ne moremo zamisliti,« poudarja sogovornik. Civilizacija 21. stoletja v resnici sloni na njih.
Zakaj se torej Evropa in svet nenadoma treseta zaradi dobav teh materialov? Odgovor leži na vzhodu. Kitajska je od leta 1950 sistematično razvijala celotno verigo – od rudnika do končnega izdelka. Evropa in ZDA so medtem zaspale, zadovoljne z uvozom poceni surovin in fokusirane zgolj na končne produkte, pri čemer so izgubile tako tehnologijo kot znanje.
Streznitev je prišla z nenavadnim incidentom leta 2010. »Začelo se je z zelo nedolžnim sporom,« pripoveduje Šturm. Kitajski ribiči so zašli v japonske teritorialne vode, japonska obalna straža pa je zasegla njihovo ladjo. Kitajska se je odzvala silovito: zamrznila je izvoz redkih zemelj na Japonsko. Ko so Japonci poskušali surovine dobiti drugje, je Kitajska blokirala še preostale poti. »Takrat je bil trenutek streznitve,« pravi Šturm. Svet je sprevidel, da je 90 odstotkov proizvodnje in predelave teh ključnih elementov v rokah ene same države. Trgovinske vojne se zdaj ciklično ponavljajo in Evropa mrzlično išče izhod.
Slovenija v dobrem položaju
V tej globalni drami se zdi Slovenija nepomemben igralec, toda Šturm nas hitro popravi. Na tem področju smo v presenetljivo dobrem položaju. Zaradi preteklega rudarjenja urana v Žirovskem Vrhu so se na Inštitutu Jožefa Stefana ohranila specifična znanja o ekstrakciji in rafinaciji, ki so zelo podobna tistim za redke zemlje. Medtem ko je večina Evrope to znanje izgubila, so ga na inštitutu obudili.
Še več, Slovenija ima celotno verigo praktično na dlani. Raziskovalna skupina na inštitutu se z razvojem neodimskega magneta, sestavljenega iz neodima, železa in bora, ukvarja nepretrgoma že od njihovega izuma leta 1984. Industrija ne zaostaja. Podjetje Magneti Ljubljana je eno redkih v Evropi, ki še vedno proizvaja sintrane magnete. Koncern Kolektor proizvaja plastomagnete (magnete s polimernim vezivom), podjetja, kot so Domel, in inovativna zagonska podjetja, kot je Elaphe, pa te magnete vgrajujejo v vrhunske elektromotorje. Celo Talum v Kidričevem, ki je sicer zaprl proizvodnjo primarnega aluminija, ima tehnologijo elektroredukcije, ki bi se lahko uporabila v verigi predelave redkih zemelj. »Vse brli, to verigo vrednosti bi lahko dokaj hitro postavili,« je optimističen Šturm, ki s kolegi poskuša prepričati državo, da je to strateška priložnost.
Ko beseda nanese na to, kaj natančno počnejo v laboratorijih IJS, Šturm uporabi slikovito prispodobo. Razvili so postopek reciklaže odpadnih magnetov, ki je edinstven.
Najprej pa lekcija iz fizike. Zakaj so ti magneti tako posebni? Šturm pravi, naj si magnet predstavljamo kot ogromen hranilnik energije. Majhna kocka neodimskega magneta (dimenzij 3 × 3 × 1 centimeter) je tako močna, da je odrasel človek ne more odtrgati z jeklene podlage, medtem ko bi običajen magnet enake velikosti s hladilnika z lahkoto odstranili. Ta gostota energije omogoča miniaturizacijo – od majhnih slušalk do lahkih motorjev za električna vozila, pri katerih je vsak kilogram mrtve teže pomemben.
Dragi materiali
Težava je, da so ti materiali dragi in, kot rečeno, pomenijo geopolitično tveganje. Tu nastopi inovacija IJS. Magneti so sestavljeni iz drobnih kristalnih zrn. Lastnosti magneta pa ne določajo sama zrna, temveč tanke meje med njimi. »Mi razvijamo metode, pri čemer razstavimo ta magnet na posamezna kristalna zrna, podobno kot lego kocke,« pojasnjuje Šturm. Stari magnet razbijejo na osnovne gradnike, kemijsko očistijo in popravijo meje med zrni – tisti del, ki je bil poškodovan – ter nato »lego grad« ponovno sestavijo. Rezultat? Iz dotrajanega magneta dobijo novega, ki je pogosto celo boljši od prvotnega, pri tem pa uporabijo le delček energije in surovin, ki bi bile potrebne za rudarjenje.
Pa obstaja alternativa? Lahko najdemo sveti gral, material, ki bi bil poceni kot železo, vendar močan kot redke zemlje? Šturm se nasmehne. To so sanje vsakega znanstvenika. Pred kratkim je završalo okoli meteoritov, ki vsebujejo zlitino železa in niklja s fantastičnimi lastnostmi. Težava? Ta struktura se v vesolju ureja milijone let, na Zemlji pa je ne znamo poustvariti.
Drugi kandidat je železo z dušikom, vendar je ta material zelo nestabilen in hitro razpade. »V tem trenutku nimamo nobene alternative,« je priznal Šturm. Narava periodnega sistema je neizprosna – elementi imajo specifične lastnosti in redke zemlje so pač edinstvene.
Vendar upanje ostaja. Trenutni magneti izkoriščajo samo 25 odstotkov teoretičnega potenciala materiala. Z optimizacijo, kakršno razvijajo na IJS, bi lahko iz enake količine materiala iztisnili bistveno več, kar bi zmanjšalo potrebo po rudarjenju.
Pogovor končamo s pogledom v prihodnost. Na IJS ne ostajajo samo pri bazičnih raziskavah. Vzpostavljajo pilotni laboratorij za kritične surovine, kjer bodo prešli z gramskih na kilogramske in tonske količine, kar je ključno za industrijo. Ta obrat bo evropski unikum, saj bo na enem mestu združil dve verigi: pridobivanje kovine iz rude (ali odpadkov) in proizvodnjo končnega magneta. Takšne zaprte zanke, pravi Šturm, v Evropi praktično še nimamo.
