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Le Terre rare: natura e impiego degli elementi chimici più contesi del XXI secolo

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Dal fondo della tavola periodica, le terre rare sembrano destinate a diventare l’ago della bilancia negli equilibri strategici mondiali.


Il termine “terre rare” deriva dai minerali dai quali vennero isolate per la prima volta, che erano ossidi non comuni: si tratta di uno “pseudogruppo” formato dai lantanidi, dall’ittrio e dallo scandio. Quello di terre rare è un nome improprio: non si tratta infatti di “terre”, dal momento che hanno un aspetto metallico, né tanto meno di elementi rari, data la loro relativa abbondanza sulla crosta terrestre. L’apparente rarità è dovuta alla difficoltà di isolare i singoli elementi gli uni dagli altri, data la loro spiccata somiglianza elettrochimica. Per questo motivo, più che di rarità, dovrebbe parlarsi di “invisibilità”: i giacimenti sono caratterizzati dalla simultanea presenza di più terre rare ed è esattamente questo il fattore che ne ha reso difficile l’iniziale identificazione e classificazione. A questo proposito, è stata di recente avanzata un’ipotesi che riconduce la massiccia presenza in giacimenti di carbonati, alle peculiari proprietà chimico fisiche delle terre rare.

La scoperta della prima terra rara è da attribuirsi a Johan Gadolin, un chimico finlandese, che nel 1792 riuscì a isolare un composto di ittrio. Lo studioso pensò erroneamente di aver scoperto un nuovo elemento, quando si trattava solo di uno dei suoi ossidi. Il nome dell’elemento in questione deriva dal luogo di estrazione del campione analizzato: una cava del villaggio svedese di Ytterby, nei pressi di Stoccolma. La seconda terra rara a essere isolata sarà il cerio nel 1803 e nel corso del XIX secolo, tutte le altre terre rare verranno isolate e classificate. I nomi impiegati sono per la maggior parte legate al nome di Gadolin (gadolinio) e al villaggio di Ytterby (ittrio, terbio, erbio, itterbio)

Alcune terre rare sono altamente infiammabili: in uno dei racconti de “Il sistema periodico”, ambientato durante il periodo di prigionia nel lager e dedicato al cerio, Primo Levi narra di come, sfruttando la spiccata infiammabilità di questa terra rara, rubasse e barattasse barrette-acciarini, in cambio di razioni di pane. Ai giorni nostri, l’impiego principale di cerio e altre terre rare non è legato esclusivamente alle proprietà piroforiche: vengono impiegate come catalizzatori in diversi processi industriali, sono coinvolti nella fabbricazione di vetri, nella fabbricazione di leghe con metalli o tra terre rare stesse. Tra le caratteristiche fisiche, alcune terre rare sono contraddistinte da una naturale luminescenza, ovvero sono dei fosfòri che, se investiti da opportune radiazioni sono in grado di produrre fluorescenza o fosforescenza: questa caratteristica li ha resi elementi costitutivi dei vecchi monitor e televisori, e impiegati nell’imaging biologico e medicale. 

Ciò che però consente di annoverare le terre rare tra gli elementi più importanti per lo sviluppo tecnologico mondiale, sono le loro proprietà magnetiche e la capacità di non vedere alterate tali proprietà nel tempo, anche ad alte temperature. Tali peculiarità assumono un ruolo rilevante nella maggioranza dei settori tecnologici in cui si richiede l’impiego di componentistica elettronica: dallo sviluppo di risonanze magnetiche, ai dispositivi di archiviazione dati (CD e Hard Disk), passando per la costruzione di banalissimi capacitori. La particolare struttura elettronica e le proprietà magnetiche del gadolinio – per citare una delle terre rare più ampiamente impiegate – ne hanno, ad esempio, permesso l’uso come mezzo di contrasto per la risonanza magnetica e in nanomedicina, dove delle nanosfere d’oro vengono rivestite di uno strato di gadolinio, permettendo di combinare le caratteristiche di bioinerzia dell’oro e quelle magnetiche della terra rara.

Le proprietà magnetiche si sono rivelate utili anche per la costituzione di leghe, impiegate nella costruzione di magneti permanenti che ricoprono un ruolo chiave nel settore della difesa. Le terre rare usate per scopi militari sono principalmente quelli che compongono due tipi di materiali magnetici permanenti, quali il Samario Cobalto e il Neodimio Ferro Boro, considerati i magneti permanenti più potenti esistenti ad oggi, in quanto essenziali per i sistemi militari (la resistenza a elevate temperature del Samario Cobalto, rende quest’ultimo la lega ideale per tecnologie militari di precisione, quali i sistemi di guida missilistica, le bombe intelligenti e i droni). 

terre-rare

Nonostante la loro abbondanza sulla crosta terrestre, le terre rare presentano una criticità legata alla loro reperibilità. A proposito, si distinguono due tipi di giacimenti, uno di bastnasite e uno di monazite. La bastnasite, che è più rara, si ha come minerale puramente costituito da terre rare, mentre la monazite, più abbondante, si trova in giacimenti di altri minerali: le terre rare vengono in quest’ultimo caso, ottenute come sottoprodotto di altri processi di raffinazione, rendendo il processo più difficoltoso e costoso. Gli elementi a numero atomico inferiore sono più abbondanti e concentrati, il ché li rende anche più semplici da ottenere, gli elementi più pesanti, quali il gadolinio, il lutezio e l’ittrio, per citarne alcuni tra i più impiegati, sono più rari. La monazite, oltre alla difficoltà di estrazione data dalle impurità, presenta criticità legate al rischio radioattivo dato dalle concentrazioni di torio che si trovano contenute nel minerale. Ciò ha portato ad abbandonare lo sfruttamento di giacimenti di monazite, soprattutto negli Stati Uniti.

Le maggiori concentrazioni mondiali di bastnasite si trovano in Cina e America del nord, mentre depositi di monazite si hanno in Australia, Sud Africa, Cina, Brasile, Malesia, India. Gli Stati Uniti sono stati il maggiore produttore di terre rare, a partire dalla metà degli anni ‘60 fino alla fine degli anni ‘80, quando sono stati rimpiazzati dalla Cina, che si è progressivamente imposta come il più grande produttore ed esportatore.

Ad oggi, gli Stati Uniti non riescono a ricoprire il loro fabbisogno con la produzione interna e hanno, negli ultimi anni, subito il quasi completo monopolio delle terre rare cinesi, immesse nel mercato a prezzi bassissimi. Per tentare di porre un freno al monopolio del colosso cinese ed evitare un rapporto di dipendenza che coinvolga direttamente uno dei settori di interesse nazionale, gli Stati Uniti hanno imposto un autoembargo al proprio Dipartimento di Difesa. Ciò non ha però risolto il problema a monte, dal momento che non esiste ad oggi un’alternativa valida alle terre rare cinesi. Quello che preoccupa maggiormente il governo USA è un’eventuale e improvvisa restrizione all’export delle terre rare da parte della Repubblica popolare cinese, che potrebbe comportare diversi svantaggi. 

Oltre all’improvviso stop all’approvvigionamento degli elementi chimici in questione, le restrizioni potrebbero indurre diverse aziende a spostare la propria produzione in Cina, condividendo con il gigante asiatico le proprie tecnologie. L’unica soluzione per intaccare il monopolio cinese delle terre rare sembrerebbe quello di ricorrere a una forma di riciclo del materiale. Notizie incoraggianti arrivano da un gruppo di ricercatori americani che servendosi di un batterio, Methylobacterium extorquens, ha mostrato di essere in grado di individuare e isolare delle tracce, anche minime, di lantanidi, il ché renderebbe possibile anche l’eventuale sfruttamento di giacimenti non bastnasitici. Per un’amministrazione Trump che nel bel mezzo della pandemia di Covid-19 ci ha abituati a forti prese di posizioni antiscientiste, doversi affidare alla scienza per risolvere un problema strategico simile, suonerebbe però da contrappasso dantesco.

Salvatore Giancani


 
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