Retieji žemės elementai. II dalis. Velnio tuzinas iš periodinės lentelės pogrindžio (9)
Nuo lietimui jautrių ekranų iš indžio iki hafnio „prikimštų“ erdvėlaivių į Mėnulį – žemutiniai cheminių elementų periodinės lentelės regionai yra pamatas ištisai modernių technologijų kartai. Antrojoje ir paskutinėje miniciklo „Retieji žemės elementai“ dalyje – pažintis su retosiomis chemijos pasaulio elementų rūšimis.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
1. Neodimis
Retasis žemės elementas. Atominis skaičius: 60. Naudojamas itin veiksmingų magnetų gamyboje. Išteklių lygmuo: kritinis Neodimis yra tikras „žaliųjų“ technologijų simbolis – pirmąsyk jis buvo panaudotas lazerinėse rodomosiose lazdelėse generuoti žalios spalvos spindulį. Laikui bėgant, neodimį imta naudoti nemažos dalies kitų „žaliųjų technologijų“ kertinėse sistemose. Pavyzdžiui, neodiminių magnetų yra vėjo jėgainių ir elektromobilių variklių sudėtyje. Junginiuose su geležimi ir boru, neodimis magnetus paverčia dvylika sykių galingesnius nei būna įprasti geležiniai magnetai, o jų svoris išlieka toks pat. Tai yra viena iš priežasčių, kodėl modernūs nešiojamieji kompiuteriai yra tokie lengvi: neodimio dėka išlengvinti magnetai sudaro sąlygas kokybiškiau valdyti kietųjų diskų „varikliukus“. Neodimis pasitarnauja ir tuo, jog tame pačiame tūryje gali būti išsaugoma kur kas daugiau informacijos. Neodimio suteikiami privalumai nekelia abejonių šio retojo elemento paklausa. „Itin vertingų medžiagų strategijoje“ prognozuojama, jog vėjo jėgainių ir elektromobilių pramonė įtampą jau dabar pernelyg deformuotoje neodimo rinkoje gali padidinti dar 40 proc. Kartu su vis didėjančiu šio elemento naudojimu asmeninės paskirties elektroninių technologijų pramonėje, šiam retajam žemės elementui suteiktas „kritinio išteklių lygmens“ statusas.2. Erbis
Retasis žemės elementas. Atominis skaičius: 68. Naudojamas šviesolaidžių gamyboje. Išteklių lygmuo: neklasifikuotas Erbis yra kertinis šviesolaidžių elementas. Žinia, technikoje šviesolaidžiais perduodama informacija (šviesolaidinis internetas), tikrinamas branduolinio reaktoriaus vidus, jie naudojami sunkiai prieinamoms vietoms apšviesti ir apžiūrėti. Medicinoje jais zonduojami vidaus organai. Šviesolaidžiai laidumu gerokai pranoksta vario laidus. Tiesa, ir šviesolaidžiais siunčiamas signalas silpsta, tad būtinas tokio signalo sustiprinimas. Štai čia ir naudojamas erbis. Tiksliau, erbio jonai, kurių trumpais segmentais „pribarstyta“ optinių skaidulų sienelėse. Lazerio spindulio sužadinti erbio jonai įgauna aukštos energijos būseną. Optine skaidula sklindantys šviesos signalai stimuliuoja sužadintus erbio jonus atpalaiduoti įgautą energiją tam tikro bangos ilgio šviesos signalams sustiprinti. Nors erbio ištekliai mūsų planetoje yra ganėtinai menki, gera žinia yra ta, jog šviesolaidžių technologijų poreikis rinkoje auga ne tokiais kosminiais greičiais, kaip kad auga neodimo pagrindu veikiančių technologijų poreikis. Tad erbio kurį laiką dar neturėtume pristigti.3. Telūras
Nemetalas. Atominis skaičius: 52. Naudojamas saulės baterijų ir jėgainių gamyboje. Išteklių lygmuo: beveik kritinis 2009-aisiais iš plonos kadmio telūrido plėvelės pagamintos saulės baterijos elektros gamyboje masyviems silicio paneliams tapo pirmąja efektyvia alternatyva, galbūt nužyminčia gaires ateities atsinaujinančių šaltinių energetikoje. Tiek kadmis, tiek telūras yra kalnakasybos šalutiniai produktai: kadmis – cinko kasyboje, telūras – vario kasyboje. Kadmio toksiškumas lemia tai, jog šis elementas nėra deficitinis – grynindami cinką, jo gamintojai kadmio priemaišas iš cinko rūdos mielai pašalina. Tiesa, kadmis yra kur kas labiau vertinamas kai kuriose kitose pramonės šakose. „Kadmio telūrido fotoelementus gaminantys žmonės dažnai sako, jog vienas geriausių dalykų, ką galima nuveikti su kadmiu, yra padėti jį tarp dviejų stiklo lakštų ir taip palikti, – pasakoja Masačiusetso technologijų instituto fizikas Robertas Džafė. O štai su telūru situacija yra kiek kitokia. Kadangi pasaulinė telūro rinka (100 mln. JAV dolerių), lyginant su vario rinka (100 mlrd. JAV dolerių), yra menkai reikšminga, paskatų gryninti telūrą ligi šiol buvo nedaug. Tačiau situacija keičiasi, nes telūro paklausa sparčiai auga. Tiesa, padvigubinti telūro gavybą planuojama patobulinus telūro gryninimo technologijas. Tačiau jei naujos kartos saulės baterijų paklausa pasieks prognozuojamas aukštumas, telūro gavybos padvigubinimas deficito problemos neišspręs. JAV Energetikos departamentas prognozuoja, jog telūro ims stigti nuo 2025-ųjų.4. Hafnis
Pereinamasis metalas. Atominis skaičius: 72. Naudojamas kompiuterio mikroschemų gamyboje. Išteklių lygmuo: neklasifikuotas Neprilygstamas hafnio atsparumas aukštoms temperatūroms atvėrė kelius šiam metalui iš Žemės nukeliauti į Mėnulį ir iš ten sugrįžti atgalios – hafnis buvo naudojamas kaip sudedamoji dalis lydinio, iš kurio buvo pagamintos Mėnulyje tūpusių „Apollo“ modulių variklių tūtos. Tiesa, nuo 2007-ųjų hafnis pasibeldė į kiek žemiškesnes technologinės buities sferas ir galinguose moderniuose kompiuteriuose ištikimai tarnauja kaip viena iš sudedamųjų tranzistorinių dalių. Taip yra todėl, jog hafnio oksidas – ypač veiksmingai elektrą izoliuojanti medžiaga. Lyginant su plačiai naudojamu silicio dioksidu, hafnio oksidas izoliacinę funkciją atlieka kur kas efektyviau ir patikimiau – dėl to atsivėrė galimybės moderniųjų tranzistorių dydį sumažinti nuo 65 iki 45, o dabar – ir iki 32 nanometrų. Tokie technologiniai sprendimai atveria galimybes konstruoti nedidelius ir išmanius mobiliuosius telefonus. Laimei, egzotiškųjų elementų gretose hafnis nėra pats rečiausias paukštis – Žemės plutoje jo yra bent kelios milijardosios dalys. Hafnio telkiniai išsibarstę po visą planetą.5. Tantalas
Pereinamasis metalas. Atominis skaičius: 73. Naudojamas beveik visos mobiliosios elektronikos gamyboje. Išteklių lygmuo: neklasifikuotas Išmaniuosiuose telefonuose ar planšetiniuose kompiuteriuose tarnauja ne vien lietimui jautrūs ekranai iš indžio ar kompaktiškų ličio jonų baterijos, bet ir mažyčiai procesoriai, kuriuose – aibės nanodydžio tranzistorių su hafnio oksidu. Visa tai neapsieitų be kondensatorių – „pilkųjų arkliukų“, kurie patikimai kaupia energija, ir kurių veikimas elektrinėse grandinėse užtikrina tolygią srovės tėkmę. Už itin mažus išmatavimus modernūs kondensatoriai turėtų padėkoti tantalui. Iš šio metalo gaminama viena iš dviejų krūvius kaupiančių kondensatoriaus plokštelių. Oksiduotas tantalas virsta itin efektyvia izoliacine medžiaga – izoliacines pareigas nepriekaištingai atlieka plonytis tantalo oksido sluoksnis, užtikrinantis, jog tarp plokštelių neįvyks joks neplanuotas elektros srovės nuotėkis. Be to, tantalo oksidas elektrinėje grandinėje puikiausiai geba aptikti ir likviduoti menkiausias spragas, pro kurias galėtų nutekėti elektros srovė. JAV Geologinė tarnyba įsitikinusi, jog tantalo ištekliai kol kas yra pakankami ir atitinka šio elemento poreikį rinkoje, o keletas tantalo kasyklų pastaraisiais metais dėl sumažėjusios šio metalo paklausos net buvo uždarytos.6. Technecis
Pereinamasis metalas. Atominis skaičius: 43. Naudojamas vizualizavimo technologijose medicinoje. Išteklių lygmuo: neklasifikuotas Technecis – nepaprastai retas metalas. Periodinėje cheminių elementų lentelėje iki 1937-ųjų technecio vietoje žiojėjo tuštuma. 43-iąjį periodinės lentelės slapuką pavyko „užpelenguoti“ tik jį susintetinus laboratorijoje – iki tol natūraliai gamtoje jis nebuvo aptinkamas. Taip yra todėl, jog technecis, nors ir įeinantis į urano rūdos sudėtį, greitai suskyla. Pirmuosius technecio medžiotojus labiausiai nustebino tai, jog šis metalas idealiai tiko vizualizavimo procesams medicinos diagnostikoje. Izomero technecio-99m skilimo pusperiodis – tik šešios valandos. Tačiau tiekos su kaupu pakanka diagnozuojant kai kurių organizmo vidaus sistemų būklę: technecio yra suleidžiama į organizmą, kur jis minimaliomis radiacinės apšvitos sąlygomis labai efektyviai „apšviečia“ diagnozavimo metu rūpimus kūno regionus. Visame pasaulyje kasmet atliekama maždaug 30 mln. diagnostinių procedūrų, kuriose naudojamas technecis. Tiesa, planai Kanadoje paleisti du naujus reaktorius, kurie užtikrintų technecio ir kitų medicinoje naudojamų izotopų išteklių stabilumą, buvo atšaukti. Pasaulinį technecio poreikį medicinoje šiuo metu tenkina senesni reaktoriai.7. Indis
Metalas. Atominis skaičius: 49. Naudojamas lietimui jautrių ekranų, taip pat saulės baterijų gamyboje. Išteklių lygmuo: kritinis Žiūrėdami į indį praleidžiame pasiutusiai daug laiko, tačiau, paradoksalu, matome jį itin retai. Indžio alavo oksido lydinys apjungia retą savybių derinį – elektrinį laidumą ir optinį skaidrumą. Toks savybių kokteilis yra nepakeičiamas plokščiųjų ekranų technologijose. Išmaniųjų telefonų ekranus dengiantis indžio alavo oksido sluoksnis įrenginį praturtina lietimui jautraus paviršiaus funkcija. Junginiuose su kitais elementais, indis praranda skaidrumą ir tampa savotišku šviesos rinktuvu. Štai saulės energijos paneliuose, be šiame rašinyje jau minėto kadmio telūrido, vis dažniau naudojamas varis, indis, selenas, kartais šiek tiek galio – visi šie elementai tampa lygiaverčiais ligi šiol šioje sferoje dominavusio silicio konkurentais. JAV Energetikos departamentas artimiausių penkerių metų perspektyvoje indžio išteklių lygį vertina kaip kritinį, tačiau 2015-ųjų – 2025-ųjų metų laikotarpiu pavojaus laipsnis turėtų sumažėti iki „beveik kritinio“, kadangi vis geriau įvaldomos indžio išgavimo technologijos, taip pat vystomos technologijos, kuriose vietoj indžio naudojami laidūs polimerai ar nanokabeliai.8. Disprozis
Retasis žemės elementas. Atominis skaičius: 66. Naudojamas aukštoms temperatūroms atsparių magnetų gamyboje. Išteklių lygmuo: kritinis Kaip ir neodimis, disprozis vertinamas dėl magnetinių savybių, ypač kai lydinio sudėtyje kartu su juo yra ir terbio bei geležies (toks lydinys vadinamas terfenoliu D). Elementas pasižymi nepamainoma savybe keisti savo formą pagal magnetinio lauko pokyčius. Magnetostrikcinė elemento prigimtis pritaikoma daug kur. JAV karinės jūrų pajėgos naudoja terfenolio D pagrindu sukurtus pažangius sonarinius daviklius (angl. – advanced active sonar transducer), kurie po vandeniu generuoja žvalgybinį „dūzgesį“. Disprozis itin paklausus ir dėl savo gebėjimo nereaguoti į aukštą temperatūrą. Iš neodimio, geležies ir boro lydinio pagaminti magnetai savo magnetinių savybių netenka +300 °C temperatūroje. Į lydinį įmaišius disprozio (jis turi sudaryti maždaug 5 proc. lydinio masės), atsparumo karščiui problema eliminuojama – disproziniai magnetai funkcionalūs itin aukštose temperatūrose, todėl jie naudojami gausybėje technologijų – pradedant turbinomis, baigiant kietaisiais kompiuterių diskais. Dėl plataus paklausos spektro ir alternatyvaus pakaitalo nebuvimo, disprozio išteklių lygmeniui suteiktas kritiškiausias įvertis. Didžiausi disprozio kiekiai išgaunami Kinijos teritorijoje veikiančiose šachtose. Nors disprozio kasyklos atidarinėjamos Australijoje, Kanadoje, šiose valstybėse aptinkami disprozio kiekiai yra nepalyginamai menkesni nei Kinijoje. JAV Energetikos departamentas disprozio deficitą prognozuoja jau 2015 m.9. – 10. Lantanas ir ceris Retieji žemės elementai. Atominiai skaičiai: 57 ir 58. Naudojamas baterijų gamyboje. Išteklių lygmuo: abiejų – beveik kritinis Kai kalbama apie baterijas, tikrasis šios pramonės šakos čempionas yra litis. Ličio jonų baterijos yra nepranokstamos energijos tankumo aspektu, todėl dominuoja nešiojamųjų kompiuterių, mobiliųjų telefonų ir kitos mažų matmenų IT įrangos segmentuose. Vis tik ličio jonų baterijos kelia pavojų – jos gali savaime užsiliepsnoti. Baimindamasi, kad baterijos dėl perkaitimo gali užsiliepsnoti, kompiuterinės technikos gamintoja „Dell“ 2006 m. iš rinkos atšaukė 4 mln. ličio jonų baterijų, tinkančių nešiojamiems kompiuteriams. Šis pavojus riboja ličio jonų baterijų naudojimą elektromobiliuose ir hibridiniuose automobiliuose, didžiąją rinkos dalį užleisdamas saugesnėms hibridinėms nikelio baterijoms. Pavojaus užsiliepsnoti atvertą nišą sėkmingai uzurpavo lantanas ir ceris. Šie retieji elementai įeina į nikelio baterijų neigiamų elektrodų sudėtį. Tiesa, auganti elektromobilių paklausa ir papildomos šių elementų panaudojimo perspektyvos energiją taupančių elektros lempučių pramonėje lantaną ir cerį JAV Energetikos departamento prognozėse stumia beveik kritinio išteklių įverčio link.
11, 12, 13 Europis, terbis ir itris
Retieji žemės elementai. Atominiai skaičiai: 63, 65 ir 39. Naudojamas taupaus apšvietimo pramonėje. Išteklių lygmuo: visų trijų – kritinis Europis ir terbis ilgą laiką buvo laikomi dvejopo funkcionalumo. Viena vertus, fosforescuojančios jų savybės (terbis generuoja geltoną ir žalią spalvą, europis – mėlyną ir raudoną) įtraukė šiuos elementus į spalvoto vaizdo ekranų sudėtį. Retasis jų pusbrolis itris atlieka esminę palaikomąją funkciją, „kuruodamas“ raudonai švytinčius europio jonus.Spalvinės ypatybės europio ir terbio tandemą įkinkė į dar vieną itin paklausų pramoninį vežimą – taupiųjų elektros lempučių pramonę. Šiose lemputėse sužadinami gyvsidabrio garai, kurie ima skleisti ultravioletinę šviesą. Ją absorbuoja fosforescuojančios medžiagos, kuriomis padengtas taupiųjų lempučių vidinė pusė – taip „gimsta“ regimojo dažnio šviesa. (Apie taupiųjų elektros lempučių privalumus esame rašę anksčiau, tad šia tema nebesiplėsime).
Yra vilties, jog naujos kartos taupiosios lemputės, veikiančios šviesos diodų pagrindu, reikalaus vien tik europio išteklių. Laisvesnis profesinis krūvis terbiui leistų pasibelsti į kitas sferas, pavyzdžiui, aukštoms temperatūroms atsparių magnetų sudėtyje pakeičiant disprozį.
JAV Energetikos departamento prognozėmis, europio stygių pasaulinė pramonė gali pajusti 2015-aisiais, terbio – dar anksčiau. O štai itrio deficito krizė pramonę ištikusi jau nuo 2010-ųjų.
Retieji žemės elementai. I dalis. Išteklių deficito šmėkla