28/8/11

Σε ποια στοιχεία του περιοδικού πίνακα θα βασιστεί η τεχνολογική εξέλιξη

Το hi-tech καταπίνει τα εξωτικά στοιχεία
Βρίσκονται στα βαθειά υπόγεια του περιοδικού πίνακα, πάνω τους όμως στηρίζονται οι νέες εξελίξεις
Καθώς ανάβετε το φως του γραφείου σας μια απόκοσμη λάμψη φωτίζει την ταμπλέτα σας που είναι αφημένη στην επιφάνειά του. Την ξεκλειδώνετε και γλιστράτε το δάχτυλό σας στην κατασκευασμένη με ίνδιο οθόνη αφής της. Μέσα σε δευτερόλεπτα παλμοί πληροφοριών χοροπηδούν στις στρωμένες με έρβιο λεωφόρους του Internet. Θέλετε λίγη μουσική για να συνοδεύσετε το σερφάρισμά σας; Χωρίς καλά καλά να το σκεφθείτε, οι Beach Boys αναδύονται μέσα από τους μαγνήτες νεοδυμίου των ακουστικών σας.

Για πολλούς από εμάς η σκηνή αυτή αποτελεί μια δεδομένη καθημερινότητα. Σπανίως «βγαίνουμε» από αυτήν για να σκεφθούμε πόση πρόοδο έχουν σημειώσει τα υλικά που υποστηρίζουν την υλική μας εξέλιξη. Παρ' όλα αυτά, όλα σχεδόν τα προσωπικά μας γκάτζετ και οι τεχνολογικές καινοτομίες έχουν κάτι κοινό: βασίζονται σε κάποια άγνωστα σε εμάς υλικά βγαλμένα από τα βαθιά υπόγεια του περιοδικού πίνακα. Ακόμη όμως και αν δεν έχετε ακούσει ποτέ το όνομα στοιχείων όπως το άφνιο, το έρβιο ή το ταντάλιο, το πιθανότερο είναι ότι τα περισσότερα από αυτά βρίσκονται κάπου γύρω σας.

Σύντομα πάντως μπορεί να αρχίσετε να ακούτε περισσότερο αυτά τα ονόματα. Η ζήτηση για πολλά από αυτά τα άγνωστα ως τώρα στοιχεία αυξάνεται θεαματικά, τόσο ώστε σε λίγο αναμένεται να ξεπεράσει την προσφορά των αποθεμάτων τους. Αυτό οφείλεται σε έναν βαθμό στην ακόρεστη δίψα μας για τα μηχανήματα της τελευταίας λέξης της τεχνολογίας αλλά και στην επανάσταση της πράσινης ενέργειας. Και αν τόσα ακουστικά ή σκληροί δίσκοι υπολογιστών εξαρτώνται από τις μαγνητικές ιδιότητες του νεοδυμίου ή του δυσπροσίου, μια ανεμογεννήτρια ή ένας ηλεκτροκινητήρας απαιτεί ακόμη μεγαλύτερη ποσότητά τους. Αντίστοιχα οι ίδιες ιδιότητες που κάνουν το ίνδιο απαραίτητο για κάθε οθόνη αφής το καθιστούν ιδανικό για την επόμενη γενιά φωτοβολταϊκών.


Μεγάλη η ζήτηση, στο κόκκινο η προσφορά

Ολα αυτά σημαίνουν ότι οδεύουμε προς μια κρίση. Στην έκθεσή του περί της Στρατηγικής των Κρίσιμων Υλικών που δημοσιεύτηκε πέρυσι τον Δεκέμβριο το αμερικανικό υπουργείο Ενέργειας αξιολόγησε 14 στοιχεία ως ιδιαίτερης σημασίας για τις τεχνολογίες καθαρής ενέργειας. Εντόπισε ότι έξι από αυτά αντιμετωπίζουν «κρίσιμο» κίνδυνο διακοπής της προσφοράς τους μέσα στα επόμενα πέντε χρόνια: πρόκειται για το ίνδιο και πέντε «σπάνιες γαίες», το ευρώπιο, το νεοδύμιο, το τέρβιο, το ύτριο και το δυσπρόσιο. Τρία ακόμη - το δημήτριο, το λανθάνιο και το τελλούριο - τα χαρακτήρισε σε «σχεδόν κρίσιμη» κατάσταση......


Το πρόβλημα δεν είναι ότι αυτά τα στοιχεία δεν υπάρχουν. Αντιθέτως, συνιστούν αρκετά τμήματα ανά δισεκατομμυριοστό του φλοιού της Γης. «Δεν ξέρουμε όμως πού ακριβώς βρίσκονται» λέει ο Μάρεϊ Χίτζμαν, οικονομικός γεωλόγος της Σχολής Μηχανικών Μεταλλείων του Κολοράντο στο Γκόλντεν. Παραδοσιακά τα στοιχεία αυτά απλώς δεν είχαν ιδιαίτερη αξία για μας. Τα αποθέματα υλικών του είδους συχνά απομονώνονται ως υποπροϊόντα της εξόρυξης υλικών που χρησιμοποιούνται ήδη σε τεράστιες ποσότητες, όπως το αλουμίνιο, ο ψευδάργυρος και ο χαλκός. Η εξόρυξη χαλκού, π.χ., μας έχει δώσει υπεραρκετό τελλούριο, ένα βασικό συστατικό των φωτοβολταϊκών, ώστε να καλύψουμε τις παρούσες ανάγκες μας - καθιστώντας το φθηνό με τεχνητό τρόπο.

«Αυτοί που ασχολούνται με αυτές τις νέες τεχνολογίες βλέπουν την τιμή, ας πούμε, του τελλουρίου και λένε “ωραία δεν είναι και τόσο ακριβό, οπότε πού είναι το πρόβλημα;”» λέει ο Ρόμπερτ Τζάφι, φυσικός του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. Ο κ. Τζάφι ήταν πρόεδρος μιας κοινής επιτροπής της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας και της Εταιρείας Ερευνας Υλικών για τα «Κρίσιμα για την ενέργεια στοιχεία» η οποία έδωσε την έκθεσή της τον περασμένο Φεβρουάριο. Το πρόβλημα, όπως ξεκαθαρίζει η έκθεση, είναι ότι τα οικονομικά αλλάζουν ριζικά όταν η ζήτηση για τα υλικά αυτά ξεπερνά την προσφορά που υπάρχει έστω και ελάχιστα. «Τότε ξαφνικά αναγκάζεται κανείς να σκεφθεί την άμεση εξόρυξη αυτών των στοιχείων ως κύριων μεταλλευμάτων» λέει. Αυτό ανεβάζει δραματικά το κόστος - αν υποθέσουμε ότι ξέρουμε πού να σκάψουμε.

Η τιμή ενός στοιχείου δεν είναι το μόνο πρόβλημα. Η ομάδα των σπάνιων γαιών, στην οποία ανήκουν πολλά από τα τεχνολογικά πλέον κρίσιμα στοιχεία, βρίσκεται εν γένει μαζί με άλλα υλικά σε μεταλλεύματα τα οποία περιλαμβάνουν επίσης μικρές ποσότητες ραδιενεργών στοιχείων όπως το θόριο και το ουράνιο. Το 1998 η χημική επεξεργασία αυτών των μεταλλευμάτων σταμάτησε στο μοναδικό μεταλλείο σπάνιων γαιών που υπάρχει στις ΗΠΑ, στο Μάουντεν Πας της Καλιφόρνιας, εξαιτίας περιβαλλοντικών ανησυχιών σχετικά με αυτά τα ραδιενεργά ρυπογόνα. Το μεταλλείο αναμένεται να ανοίξει ξανά με βελτιωμένα μέτρα ασφαλείας ως το τέλος του χρόνου, ως τότε όμως ο κόσμος βασίζεται στην Κίνα για όλες σχεδόν τις προμήθειες σπάνιων γαιών. Από το 2005 η Κίνα έθετε όλο και αυστηρότερα όρια στις εξαγωγές προβάλλοντας ως δικαιολογία την αυξημένη ζήτηση από τις δικές της ανθηρές κατασκευαστικές βιομηχανίες.

Αυτό σημαίνει ότι οι πολιτικοί που ελπίζουν να απαλλάξουν τη Δύση από την καταστρεπτική της εξάρτηση από το πετρέλαιο θα βρεθούν μπροστά σε μια δυσάρεστη έκπληξη: οι νέες και πιο πράσινες τεχνολογίες κάθε άλλο παρά αποτελούν τη συνταγή για την αυτάρκεια. «Δεν υπάρχει χώρα που να έχει αρκετά αποθέματα από όλα αυτά τα ορυκτά ώστε να “κλείσει” τις συναλλαγές της με τον υπόλοιπο κόσμο» λέει ο κ. Τζάφι.

Ανακύκλωση ως την ανεύρεση νέων πόρων

Τι μπορούμε να κάνουμε λοιπόν; Το να βρούμε ευκολότερα διαθέσιμα υλικά που να έχουν τις ίδιες «μαγικές» τεχνολογικές επιδόσεις είναι μάλλον απίθανο, λέει ο Καρλ Γκεσνάιντερ, μεταλλειολόγος στο Εργαστήριο Εϊμς του αμερικανικού υπουργείου Ενέργειας στην Αϊοβα. Το ευρώπιο χρησιμοποιείτο για να παράγει κόκκινο φως στις τηλεοράσεις εδώ και σχεδόν 50 χρόνια, λέει, ενώ οι μαγνήτες νεοδυμίου κυκλοφορούν εδώ και 25 χρόνια. «Από την πρώτη μέρα οι άνθρωποι ψάχνουν τρόπο να αντικαταστήσουν αυτά τα υλικά αλλά κανείς δεν το έχει πετύχει ακόμη» εξηγεί.

Αλλοι αντλούν αισιοδοξία από την επιτυχημένη ιστορία του ρηνίου. Το ρήνιο είναι μάλλον ένα από τα σπανιότερα στοιχεία στη φύση, με παρουσία μόλις 0,7 τμημάτων ανά δισεκατομμύριο στον φλοιό της Γης. Πριν από δέκα χρόνια ήταν ένα από τα κρίσιμα συστατικά των ανθεκτικών στη θερμότητα υπερκραμάτων που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή αεριοστρόβιλων κινητήρων για τα αεροπλάνα και τις βιομηχανικές ηλεκτρογεννήτριες. Το 2006 ο κύριος κατασκευαστής, η General Electric, διέβλεψε ότι θα ερχόταν η κρίση και ξεκίνησε ταυτόχρονα ένα σχέδιο ανακύκλωσης για να ανασύρει το στοιχείο από παλιές τουρμπίνες, καθώς και ένα ερευνητικό πρόγραμμα το οποίο ανέπτυξε υπερκράματα με μικρότερη ή και καμία περιεκτικότητα σε ρήνιο.

Το να μην πετάμε πλέον αυτά τα υλικά είναι ένας προφανής τρόπος για να ενισχύσουμε την προμήθειά τους. «Το τελλούριο θα έπρεπε να θεωρείται πολυτιμότερο από τον χρυσό - και είναι, είναι πιο σπάνιο» λέει ο κ. Τζάφι. Παρ' όλα αυτά, σε πολλές περιπτώσεις λιγότερο από το 1% αυτών των τεχνολογικά κρίσιμων υλικών καταλήγει να ανακυκλώνεται, σύμφωνα με την τελευταία έκθεση για την ανακύκλωση μετάλλων του Περιβαλλοντικού Προγράμματος των Ηνωμένων Εθνών που δημοσιεύτηκε τον περασμένο Μάιο.

Ακόμη και αν βελτιώναμε δραματικά αυτή την επίδοση, κάποια βασική γεωλογική έρευνα για την ανεύρεση νέων πόρων αυτών των στοιχείων είναι ζωτικής σημασίας - και χρειάζεται να γίνει γρήγορα. Οι τεχνικοί προβληματισμοί και η λήψη των απαραίτητων περιβαλλοντικών και κοινωνικών μέτρων ασφαλείας σημαίνουν ότι μπορεί να χρειαστούν 15 χρόνια μετά την αρχική ανακάλυψη ενός αποθέματος του μεταλλεύματος στον ανεπτυγμένο κόσμο ως τη στιγμή της εμπορικής του εκμετάλλευσης, λέει ο κ. Χίτζμαν.

Το ρήνιο και πάλι δείχνει πόσο γρήγορα η κατάσταση μπορεί να αλλάξει. Το 2009 μεταλλωρύχοι σε ένα ορυχείο χαλκού στο Κλονκέρι του Κουίνσλαντ της Αυστραλίας ανακάλυψαν ένα τεράστιο, υψηλού βαθμού κοίτασμα ρηνίου που δεν έμοιαζε με κανένα από όσα ήταν γνωστά ως τότε. «Θα μπορούσε να κορέσει την παγκόσμια αγορά ρηνίου για σεβαστό αριθμό ετών - και ανακαλύφθηκε τυχαία» λέει ο κ. Χίτζμαν.

Τελικά πρέπει να ευχαριστούμε την Κίνα για την απόφασή της να περιορίσει τις εξαγωγές σπάνιων γαιών, λέει ο κ. Τζάφι, γιατί έτσι έθεσε το ζήτημα των τεχνολογικά κρίσιμων στοιχείων μία δεκαετία νωρίτερα από ό,τι θα συνέβαινε κάτι τέτοιο υπό άλλες συνθήκες. Οπως και να έχει, πάντως, το να στερηθούμε αυτά τα εξωτικά υλικά θα αποτελέσει για εμάς ένα τεράστιο πρόβλημα, όπως δείχνει η σύντομη έρευνά μας γύρω από αυτά τα άγνωστα αλλά τόσο απαραίτητα στοιχεία.

ΕΡΒΙΟ

Σπάνια γαία

Ατομικός αριθμός: 68

Χρήση: οπτικές ίνες

Βαθμός κινδύνου: δεν έχει αξιολογηθεί


Διαβάζετε αυτό το άρθρο online; Ή μήπως ενώ διαβάζετε ρίχνετε κάθε τόσο μια ματιά στα e-mail σας; Αν το κάνετε, τότε μάλλον το κάνετε με το έρβιο.

Το έρβιο είναι ένα ζωτικής σημασίας συστατικό των οπτικών ινών που χρησιμοποιούνται για να μεταφέρουν κωδικοποιημένες με το φως πληροφορίες σε όλον τον πλανήτη. Τα καλώδια αυτά είναι εξαιρετικά καλά στο να διατηρούν την κίνηση του φωτός ξεπερνώντας με άνεση τις επιδόσεις των καλωδίων του χαλκού που μεταδίδουν ηλεκτρικά σήματα. Παρ' όλα αυτά, το φως σιγά σιγά σβήνει καθώς ταξιδεύει χιλιόμετρα καθιστώντας την ενίσχυσή του αναγκαία.

Τα ιόντα του ερβίου είναι το πιο κατάλληλο μέσο γι' αυτόν τον σκοπό. Ενσωματωμένα ανά διαστήματα σε μικρά τμήματα του τείχους των οπτικών ινών, τίθενται σε κατάσταση υψηλής ενέργειας με ακτίνες λέιζερ. Τα σήματα του φωτός που ταξιδεύουν κατά μήκος του καλωδίου διεγείρουν στη συνέχεια τα ήδη διεγερθέντα ιόντα κάνοντάς τα να απελευθερώνουν την ενέργεια που έχουν αποθηκευμένη ως φως με ακριβώς το κατάλληλο μήκος κύματος ώστε τα σήματα να ενισχύονται.

Το καλό νέο είναι ότι, αν και τα αποθέματα του ερβίου έχουν αρχίσει να περιορίζονται, η ζήτηση για τις οπτικές ίνες δεν κινείται σε τόσο υψηλά επίπεδα όσο σε άλλες τεχνολογίες. Αν οι παρούσες τάσεις συνεχιστούν, αυτό είναι ένα στοιχείο με το οποίο θα εξακολουθήσουμε να ζούμε.



ΤΕΛΛΟΥΡΙΟ


Μεταλλοειδές


Ατομικός αριθμός: 52


Χρήση: φωτοβολταϊκά


Βαθμός κινδύνου: σχεδόν κρίσιμο

Το 2009 τα φωτοβολταϊκά που φτιάχνονται με φιλμ τελλουρικού καδμίου ήταν τα πρώτα που ήρθαν να ανταγωνιστούν τα ογκώδη πάνελ πυριτίου σε κόστος ανά βατ ικανότητας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό ίσως δείχνει ένα φθηνότερο μέλλον για την ηλιακή ενέργεια.

Τόσο το κάδμιο όσο και το τελλούριο αποτελούν υποπροϊόντα της εξόρυξης - το κάδμιο του ψευδαργύρου και το τελλούριο του χαλκού. Εξαιτίας της τοξικότητάς του, το κάδμιο υπάρχει σε αφθονία: οι παραγωγοί ψευδαργύρου είναι υποχρεωμένοι να το αφαιρέσουν κατά τη διύλιση και έχει πολύ λίγες άλλες χρήσεις. «Οι κατασκευαστές φωτοβολταϊκών τελλουρικού καδμίου λένε συχνά ότι ένα από τα καλύτερα πράγματα που μπορεί να κάνει κανείς με το κάδμιο είναι να το βάλει ανάμεσα σε δύο φύλλα γυαλιού και να το αφήσει εκεί» λέει ο Ρόμπερτ Τζάφι, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης.

Για το τελλούριο η κατάσταση έχει ανατραπεί. Επειδή η παγκόσμια αγορά για το στοιχείο ήταν ελάχιστη σε σχέση με αυτήν του χαλκού _ περίπου 100 εκατ. δολάρια έναντι 100 δισ. δολαρίων -, τα κίνητρα για την εξόρυξή του ήταν ελάχιστα. Αυτό θα αλλάξει καθώς αυξάνεται η ζήτηση. Η βελτίωση των μεθόδων εξόρυξης όμως αναμένεται μόλις να διπλασιάσει την προσφορά, κάτι το οποίο δεν θα είναι αρκετό για να καλύψει την προβλεπόμενη ζήτηση αν τα νέου τύπου φωτοβολταϊκά απογειωθούν. Το αμερικανικό υπουργείο Ενέργειας περιμένει έλλειψη ως το 2025.

ΑΦΝΙΟ


Μεταβατικό μέταλλο


Ατομικός αριθμός: 72


Χρήση: μικροτσίπ για ηλεκτρονικούς υπολογιστές


Βαθμός κινδύνου: δεν έχει αξιολογηθεί

Η ασύγκριτη αντοχή του αφνίου στη θερμότητα το έχει φθάσει ως το φεγγάρι ως τμήμα του κράματος που χρησιμοποιήθηκε στα ακροφύσια των κινητήρων των πυραύλων της αποστολής «Απόλλων». Από το 2007 ωστόσο έχει βρεθεί πολύ πιο κοντά μας - μέσα στα μικροσκοπικά τρανζίστορ των ισχυρών μικροτσίπ των ηλεκτρονικών υπολογιστών.

Αυτό συμβαίνει επειδή το άφνιο είναι ένας εξαιρετικά αποτελεσματικός ηλεκτρικός μονωτής. Σε σύγκριση με το διοξείδιο του πυριτίου, το οποίο συμβατικά χρησιμοποιείται για να «ανοιγοκλείνει» τα τρανζίστορ, έχει πολύ λιγότερες πιθανότητες να επιτρέψει την εισροή ανεπιθύμητων ρευμάτων. Επιπλέον είναι 20% ταχύτερο, αφήνοντας να περάσουν περισσότερες πληροφορίες. Αυτό επέτρεψε στο μέγεθος των τρανζίστορ να μειωθεί από 60 νανόμετρα με το διοξείδιο του πυριτίου αρχικά στα 45 και στη συνέχεια στα 32 νανόμετρα.

Αυτές οι καινοτομίες κάνουν τα κινητά μας έξυπνα και μικρά. Και το άφνιο μάλλον δεν θα επιβραδύνει αυτήν την πρόοδο: παρά το χαμηλό προφίλ του είναι ένα στοιχείο που υπάρχει σε σχετική αφθονία. Συνιστώντας αρκετά τμήματα ανά εκατομμύριο του φλοιού της Γης είναι κατανεμημένο ευρέως σε όλον τον πλανήτη.


ΤΑΝΤΑΛΙΟ


Μεταβατικό μέταλλο


Ατομικός αριθμός: 73


Χρήση: σχεδόν σε όλες τις ηλεκτρονικές συσκευές χειρός


Βαθμός κινδύνου: δεν έχει αξιολογηθεί

Το έξυπνο κινητό σας ή η ταμπλέτα σας είναι ένα πραγματικό θαύμα της τεχνολογίας των σύγχρονων υλικών, με την οθόνη αφής του που περιέχει ίνδιο, την κόμπακτ μπαταρία του λιθίου-ιόντων και τους μικροσκοπικούς επεξεργαστές του γεμάτους με τρανζίστορ νανοκλίμακας.

Το ίδιο ισχύει για τους πυκνωτές του, τα ταπεινά εξαρτήματα που αποθηκεύουν ενέργεια και εξομαλύνουν τη ροή ενέργειας σε ηλεκτρονικά κυκλώματα. Το μικρό μέγεθός τους οφείλεται στο τελλούριο. Στην καθαρή μορφή του το μέταλλο αυτό σχηματίζει μια από τις δύο αγώγιμες πλακέτες στις οποίες αποθηκεύεται το φορτίο. Παράλληλα ως οξείδιο αποτελεί έναν εξαιρετικών επιδόσεων μονωτή, ο οποίος μόνο με μια λεπτή στρώση του μπορεί να εμποδίσει τη διαρροή ανάμεσα στις πλακέτες. Επιπλέον το οξείδιο αυτοθεραπεύεται, «κλείνοντας» γρήγορα οποιαδήποτε διαρροή επιτρέπει στο ρεύμα να περάσει.

Αποτελεί ευτύχημα λοιπόν το ότι η αμερικανική Γεωλογική Υπηρεσία πιστεύει πως το ταντάλιο υπάρχει σε αφθονία, με τα γνωστά αποθέματα να καλύπτουν τη ζήτηση. Μάλιστα κατά τη διάρκεια της πρόσφατης παγκόσμιας οικονομικής ύφεσης αρκετά ορυχεία έκλεισαν προσωρινά επειδή η ζήτηση μειώθηκε.



ΤΕΧΝΗΤΙΟ


Μεταβατικό μέταλλο


Ατομικός αριθμός: 43


Χρήση: ιατρικές απεικονιστικές τεχνικές


Βαθμός κινδύνου: δεν έχει αξιολογηθεί

Το τεχνήτιο είναι υπερβολικά σπάνιο. Ως το 1937 ήταν απλώς μια τρύπα στον περιοδικό πίνακα. Οταν το στοιχείο 43 τελικά απομονώθηκε, αυτό έγινε με την τότε καινοτόμο τεχνική της σύνθεσής του και όχι με την εξόρυξή του από το έδαφος.

Αυτό συνέβη επειδή το τεχνήτιο, αν και υπάρχει μέσα στα μεταλλεύματα ουρανίου στον φλοιό της Γης, διαλύεται γρήγορα μέσω της ραδιενεργού διάσπασης. Το υλικό που είχε απελπίσει τους πρώτους κυνηγούς στοιχείων αποτελεί σήμερα την κινητήρια δύναμη των ιατρικών απεικονιστικών τεχνικών. Μια από τις μορφές του στοιχείου, το ισομερές τεχνήτιο-99m, έχει ημιζωή μόλις 6 ωρών _ αρκετά μεγάλη ώστε να μπορεί να εγχυθεί σε έναν ασθενή και να φωτίσει το τμήμα του σώματος που ενδιαφέρει τους γιατρούς αλλά και αρκετά σύντομη ώστε να ελαχιστοποιήσει την έκθεση στην ακτινοβολία.

Συνολικά περίπου 30 εκατομμύρια ιατρικές εξετάσεις με τεχνήτιο γίνονται κάθε χρόνο. Δύο καινούργιοι καναδικοί αντιδραστήρες όμως που επρόκειτο να εξασφαλίσουν την προμήθεια του τεχνητίου και άλλων ιατρικών ισοτόπων έχουν παγώσει. Είναι λοιπόν αβέβαιο αν αυτές οι εξετάσεις μπορούν να συνεχιστούν στον ίδιο ρυθμό. Προς το παρόν μια χούφτα γηραλέοι αντιδραστήρες προμηθεύει τα νοσοκομεία όλου του πλανήτη.


ΙΝΔΙΟ


Μεταβατικό μέταλλο


Ατομικός αριθμός: 49


Χρήση: οθόνες αφής, φωτοβολταϊκά


Βαθμός κινδύνου: κρίσιμο

Καθημερινά κοιτάζουμε πολύ συχνά το ίνδιο, όμως σπάνια το βλέπουμε. Το κράμα που είναι γνωστό ως οξείδιο ινδίου - κασσιτέρου (ITO) διαθέτει τον σπάνιο συνδυασμό τού να είναι ταυτόχρονα ηλεκτρικά αγώγιμο και οπτικά διάφανο. Αυτό το καθιστά ζωτικής σημασίας για τις επίπεδες οθόνες των υπολογιστών και των τηλεοράσεων, όπου σχηματίζει το διάφανο ηλεκτρόδιο που ελέγχει το κάθε πίξελ. Μια στρώση ITO στην οθόνη ενός smartphone τής προσδίδει αγωγιμότητα ευαίσθητη στην αφή, καθιστώντας τη συσκευή ικανή να αναγνωρίζει τα χτυπήματα και το γλίστρημα των δαχτύλων.

Οταν αναμειγνύεται με άλλα μέταλλα, το ίνδιο χάνει τη διαφάνειά του και γίνεται το αντίθετο: ένας συλλέκτης φωτός. Εκτός από τα φωτοβολταϊκά τελλουρικού καδμίου, τα φωτοβολταϊκά που φτιάχνονται από χαλκό, ίνδιο και σελήνιο, ενίοτε και με μια δόση γαλλίου, αρχίζουν να αμφισβητούν την υπεροχή του πυριτίου.

Το αμερικανικό υπουργείο Ενέργειας έχει χαρακτηρίσει «κρίσιμο» το ίνδιο όσον αφορά τα αποθέματα για τα επόμενα πέντε χρόνια αλλά θα το υποβιβάσει σε «σχεδόν κρίσιμο» για την περίοδο 2015-2025, καθώς βελτιωνόμαστε στην εξόρυξη του στοιχείου ή στην ανάπτυξη απαλλαγμένων από το ίνδιο τεχνολογιών όπως τα αγώγιμα πολυμερή ή τα νανοκαλώδια. Παρ' όλα αυτά, αν η παραγωγή δεν επεκταθεί μετά το 2015, το υπουργείο θεωρεί ότι θα χρειαστεί να γίνουν περικοπές στη «ζήτηση μη καθαρής ενέργειας» ώστε «να προληφθούν ελλείψεις και άνοδος των τιμών». Με άλλα λόγια, ίσως χρειαστεί να διαλέξουμε τι είναι πιο σημαντικό - τα έξυπνα κινητά ή τα φωτοβολταϊκά.


ΔΥΣΠΡΟΣΙΟ


Ατομικός αριθμός: 66


Χρήση: μαγνήτες υψηλής θερμοκρασίας


Βαθμός κινδύνου: κρίσιμο

Οπως το νεοδύμιο, το δυσπρόσιο θεωρείται πολύτιμο για τις μαγνητικές του ιδιότητες _ ιδιαίτερα όταν αναμειγνύεται με το τέρβιο και τον σίδηρο για να σχηματίσει το κράμα Terfenol-D. Εχει την αξεπέραστη ικανότητα να αλλάζει σχήμα ανταποκρινόμενο σε ένα μαγνητικό πεδίο.

Αυτή η «μαγνητοδομική» ιδιότητα έχει οδηγήσει σε ορισμένες πολύ προχωρημένες χρήσεις. Το αμερικανικό πολεμικό ναυτικό έχει χρησιμοποιήσει το Terfenol-D για να αναπτύξει έναν προωθημένο ενεργό μετατροπέα σήματος σόναρ ο οποίος παράγει και στη συνέχεια συλλαμβάνει υψηλής ενέργειας ήχους κάτω από το νερό.

Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα ωστόσο του δυσπροσίου είναι ο τρόπος με τον οποίο ανταποκρίνεται στη θερμότητα. Οι μαγνήτες από καθαρό κράμα νεοδυμίου - σιδήρου - βορίου χάνουν τη μαγνήτισή τους σε θερμοκρασίες άνω των 300 βαθμών Κελσίου. Η πρόσθεση μιας μικρής ποσότητας δυσπροσίου, σε αναλογία περίπου 5% σε σχέση με το βάρος, λύνει όμως αυτό το πρόβλημα. Αυτό καθιστά το στοιχείο ζωτικής σημασίας συστατικό των μαγνητών υψηλών επιδόσεων που χρησιμοποιούνται σε αμέτρητες τεχνολογίες, από τις τουρμπίνες ως τους σκληρούς δίσκους.

Σύμφωνα με το αμερικανικό υπουργείο Ενέργειας η ευρεία κλίμακα της παρούσας αλλά και μελλοντικής χρήσης του σε συνδυασμό με την απουσία κάποιου άμεσου κατάλληλου υποκατάστατου καθιστά το δυσπρόσιο το πλέον κρίσιμο στοιχείο για τις αναδυόμενες τεχνολογίες καθαρής ενέργειας. Η Κίνα είναι η μόνη χώρα με σημαντικά γνωστά αποθέματα, ενώ τα νέα ορυχεία που ανοίγουν στην Αυστραλία και στον Καναδά περιέχουν πολύ μικρές ποσότητες στα μεταλλεύματα σπάνιων γαιών τους. Ακόμη και η συντηρητικότερη προβολή του αμερικανικού υπουργείου Ενέργειας προβλέπει έλλειψη του δυσπροσίου πριν από το 2015.


ΛΑΝΘΑΝΙΟ ΚΑΙ ΔΗΜΗΤΡΙΟ


Σπάνιες γαίες


Ατομικοί αριθμοί: 57, 58


Χρήση: μπαταρίες


Βαθμός κινδύνου: σχεδόν κρίσιμο, σχεδόν κρίσιμο

Στις μπαταρίες το λίθιο είναι ο βασιλιάς. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι αξεπέραστες σε ενεργειακή πυκνότητα και κυριαρχούν στην αγορά στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, στα κινητά τηλέφωνα και σε άλλες συσκευές όπου οι λεπτές γραμμές είναι σημαντικές.

Εχουν ωστόσο μάλλον εκρηκτικό χαρακτήρα: το 2006 η κατασκευάστρια ηλεκτρονικών υπολογιστών Dell απέσυρε 4 εκατομμύρια μπαταρίες λιθίου για λάπτοπ εξαιτίας φόβων ότι θα μπορούσαν να αναφλεγούν αν υπερθερμαίνονταν. Ο κίνδυνος αυτός τις καθιστά ακατάλληλες για χρήση στα ηλεκτροκίνητα και υβριδικά ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα, αφήνοντας την αγορά ελεύθερη για τις λιγότερο επιρρεπείς σε εκρήξεις μπαταρίες υδριδίου νικελίου-μετάλλου.

Εδώ εμφανίζονται στο προσκήνιο το λανθάνιο και το δημήτριο. Αποτελούν τα κύρια συστατικά ενός μεικτού μετάλλου από σπάνιες γαίες που χρησιμοποιείται για την κατασκευή του αρνητικού ηλεκτροδίου των μπαταριών υδριδίου νικελίου-μετάλλου. Η αυξημένη ζήτηση ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων και ο ρόλος των στοιχείων ως υποκατάστατων στον φθορισμό των λαμπτήρων εξοικονόμησης ενέργειας τοποθετούν το λανθάνιο και το δημήτριο στη βραχυπρόθεσμη λίστα του αμερικανικού υπουργείου Ενέργειας με τα «σχεδόν κρίσιμα» στοιχεία για τις πράσινες τεχνολογίες - μια θέση την οποία καταλαμβάνει επίσης το λίθιο στις μεσοπρόθεσμες προβλέψεις.

Εν τω μεταξύ το μεικτό μέταλλο των σπάνιων γαιών δεν είναι απόλυτα αδρανές. Αν χτυπηθεί, παράγει σπίθα. Η ιδιότητα αυτή του έχει χαρίσει ευρεία χρήση ως στοιχείου ανάφλεξης στους αναπτήρες - δεν βοηθάει όμως έναν υποψήφιο βασιλιά.


ΕΥΡΩΠΙΟ, ΤΕΡΒΙΟ ΚΑΙ ΥΤΡΙΟ


Σπάνιες γαίες


Ατομικοί αριθμοί: 63, 65, 39


Χρήση: φωτισμός εξοικονόμησης ενέργειας


Βαθμός κινδύνου: κρίσιμο, κρίσιμο, κρίσιμο

Το ευρώπιο και το τέρβιο αποτελούσαν εδώ και καιρό ένα διασκεδαστικό ντουέτο: η ιδιότητά τους να φωσφορίζουν - το τέρβιο σε κίτρινο-πράσινο και το ευρώπιο σε γαλάζιο-κόκκινο - βοηθά στην παραγωγή των εικόνων στις περισσότερες τηλεοράσεις. Ο εξάδελφός τους, το ύτριο, παίζει έναν αφανή αλλά ζωτικό ρόλο κομπάρσου, φιλοξενώντας τα ιόντα του ευρωπίου που απελευθερώνουν το κόκκινο.

Αυτές οι χρωματιστές ιδιότητες εξασφάλισαν πρόσφατα στο ντουέτο ευρωπίου - τερβίου έναν ακόμη ρόλο στους λαμπτήρες εξοικονόμησης ενέργειας συνεπτυγμένων διαστάσεων. Οι λαμπτήρες αυτοί λειτουργούν με τη διέγερση ατμού υδραργύρου η οποία προκαλεί την εκπομπή υπεριώδους φωτός. Αυτό στη συνέχεια απορροφάται από φθορίζοντα υλικά που καλύπτουν το εσωτερικό τους, προκαλώντας την εκπομπή ορατών συχνοτήτων φωτός. Ενα παράπονο για τους πρώτους λαμπτήρες του είδους ήταν ότι δεν παρήγαν το ζεστό φως που παράγουν οι λαμπτήρες πυρακτώσεως που αντικατέστησαν. Το πρόβλημα αυτό λύθηκε αλλάζοντας τα υλικά της εσωτερικής επικάλυψης με το κατάλληλο μείγμα τερβίου και ευρωπίου.

Η επόμενη γενιά λαμπτήρων εξοικονόμησης ενέργειας που βασίζεται στα LED ίσως δει το ευρώπιο σε ρόλο σόλο: η πρόσθεση ιόντων ευρωπίου σε ένα γαλάζιο LED κάνει ένα τμήμα του φωτός του κίτρινο, παράγοντας συνολικά ένα λευκό χρώμα. Η εξέλιξη αυτή ίσως αφήσει το τέρβιο ελεύθερο να ακολουθήσει τον δικό του δρόμο, αντικαθιστώντας ενδεχομένως το δυσπρόσιο στην κατασκευή μόνιμων μαγνητών υψηλής θερμοκρασίας.

Ολα αυτά ωστόσο εξαρτώνται από την εξασφάλιση επιπλέον αποθεμάτων. Σύμφωνα με το αμερικανικό υπουργείο Ενέργειας το ευρώπιο θα αρχίσει να παρουσιάζει έλλειψη ίσως από το 2015 και το τέρβιο ακόμη νωρίτερα. Για το ύτριο έχουμε ήδη φθάσει το κρίσιμο σημείο: η ζήτηση ξεπέρασε την παραγωγή το 2010.
Του James Mitchell Crow -Το Βήμα - New Scientist

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...