Zlatý věk materiálů

Svět dnes využívá mnohem více druhů materiálů než kdykoliv dříve. Co to pro nás a pro naši planetu znamená? Ještě donedávna používali lidé přinejmenším tucet prvků, z nichž se vyráběla většina produktů. Patří mezi ně železo, hliník, měď, křemík, apod., které se v zemské kůře vyskytují ve velkém množství. Nyní se ale zájem lidstva rozšiřuje na celou periodickou tabulku. Jedná se i o některé málo známé prvky, jako je yttrium, europium, dysprosium atd., které se ale v zemské kůře vyskytují ve velmi malých množstvích a navíc ještě jen v několika zemích.

Asi před pěti lety byl svět na pokraji krize týkající se vzácných zemin, které jsou důležitou složkou mrazniček, televizí a chytrých telefonů. Příčinou bylo to, že Čína, která měla téměř monopolní postavení v dodávkách těchto kovů, prudce omezila export. Cena vzácných kovů dosáhla vrcholu v roce 2011, ale potom klesla přibližně stejně rychle, jak rychle se zvýšila (graf 1).

Periodická tabulka prvků v kapse

Pokud patříte mezi dvě miliardy majitelů chytrých telefonů, pak nosíte v kapse celou periodickou tabulku. Kromě křemíku v čipech, mědi v drátech a uhlovodíků v plastových obalech, obsahují ještě indium a cín v dotykových obrazovkách, lithium a kobalt v bateriích a možná také antimon jako požární retardant. Každý chytrý telefon obsahuje minimálně 30 různých prvků. V roce 2012 se k výrobě 1,7 miliardy mobilních telefonů spotřebovalo 440 tun prvků vzácných zemin. Prvky vzácných zemin se používají nejenom k výrobě chytrých telefonů. Například europium poskytuje barvu televizím, ale i ochranu eurobankovkám před paděláním, magnety obsahující neodym a dysprosium užíváme např. ve větrných turbínách a elektromobilech.

V roce 2010, když Čína omezila  export vzácných zemin o 40 %, kontrolovala 97 % světových zásob těchto prvků. V červenci 2011 vzrostla cena jednoho kilogramu dysprosia na více než 3 000 dolarů, což byl dvacetinásobek z doby před dvěma roky.

Konkurence v těžbě vzácných zemin

Vzácné zeminy se v zemské kůře nevyskytují v tak velkém množství jako například železo nebo hliník, ale jsou přítomny na mnoha místech v koncentraci, která se měří v miliontinách (ppm – parts per million). Čína měla výhodu, že její ložiska umožňovala levnější těžbu, takže četné doly v zahraničí musely být uzavřeny pro neschopnost Číně konkurovat. Uzavření postihlo například důl Mountain Pass v mohavské poušti v Kalifornii, což byl do té doby světový výrobce vzácných zemin. Avšak po omezení čínského exportu firma Molycorp opět již v roce 2012 provoz tohoto dolu obnovila. V listopadu téhož roku zahájil těžbu i důl Mount Weld ve státě Západní Austrálie. Podle Eugena Gholze, ekonoma z University of Texas, Austin, je dnes ve světě na dvě stovky důlních firem, které se snaží přesvědčit investory, aby vynaložili prostředky do těžby prvků vzácných zemin. Ovšem také výrobci předmětů, které obsahují vzácné zeminy, berou záležitosti do svých rukou a z důvodu vysoké ceny snižovali nebo zcela zastavili jejich spotřebu. Výsledkem byl pokles cen, takže firmy, které nově vstoupily do těžby vzácných zemin, jen s obtížemi dosahují zisku.

Co nám tato „krize – nekrize“ vzácných zemin naznačuje?

• V současné době nehrozí, že se kterýkoliv zdroj materiálů vyčerpá.
• Navzdory vysoké spotřebě většiny prvků v posledních desetiletích, představuje spotřeba maximálně několik procent známých zdrojů. To platí jak pro vzácné zeminy a jiné méně obvyklé prvky, tak pro tradiční prvky, které spotřebováváme nejvíce: železo, hliník, měď a zinek.
• Jestliže se dané zásoby vyčerpají nebo je jejich těžba příliš nákladná, jiné zdroje je nahradí, jak to poznala i Čína, jejž podíl na globálním trhu vzácných zemin klesl na 88 % a očekává se, že se během několika sníží na 75 %.
• Podle Eugena Gholze není třeba panikařit, protože lidé jsou vynalézaví a naleznou cestu k vyřešení problémů.

Těžba a ekologie

Jednou ze souvisejících otázek je, kolik minerálních zdrojů je rozumné nebo žádoucí těžit. Jejich těžba a úprava je totiž energeticky náročná a vyžaduje spalování uhlovodíků, které přispívají k oteplování planety. Navíc představuje i vysokou spotřebu vody. Obavy tedy působí ekologické dopady těžby prvků, a to nejen v souvislosti s energetickou náročností, ale také s toxicitou. Analýzy ukazují, že mnohé „speciální“ prvky, například vzácné zeminy, představují větší ekologické zatížení než prvky tradiční. To platí hlavně o kovech ze skupiny platinové, tedy spolu s platinou i iridia, osmia, palladia, rhodia a ruthenia. Ovšem vzhledem k malému množství těchto prvků zůstávají největšími ekologickými hříšníky i nadále železo, hliník, vápník, měď a rtuť. Čína stále ještě dodává 97 % „těžkých vzácných zemin“, jako je terbium a dysprosium, které se ve znovu otevřených dolech netěží. Protože lze budoucí rozvoj technologie jen obtížně předvídat, je obtížné sestavovat i seznam kritických materiálů, které budou nezbytné. Poptávka po elektromobilech, elektrických kolech a autobusech například neroste tak rychle jak se předpokládalo, a proto klesl zájem o dodávky neodymu a dysprosia. Totéž se týká rozvoje fluorescenčních svítidel a poptávky po yttriu. Na druhé straně rozvoj větrné a sluneční energie zvyšuje poptávku po neodymu, dysprosiu, stříbru, galliu a indiu.

Některé trvale rizikové faktory

1. Zásoby a produkční závody jsou soustředěny jen na několika místech. Vzácné zeminy, wolfram, antimon a uhlík ve formě grafitu jsou v Číně, kovy platinové skupiny jsou v Rusku a v Jižní Africe a asi 85 % niobu pochází z jediného brazilského dolu.
2. Čína dominuje na trhu mnoha kovů nikoliv proto, že by měla například více wolframu než kdokoliv jiný, ale proto, že má hutě a potřebná zařízení, která vyspělé státy již nemají, protože je z ekologických důvodů v minulosti převedly do rozvojových zemí.
3. Řada požadovaných prvků se vyrábí jako vedlejší produkt. Příkladem je gallium používané v chytrých telefonech a v laserech s modrým světlem. Gallium se vyskytuje v bauxitu v koncentraci 10 až 180 ppm. Riziko jeho nedostatku spočívá v tom, že díky recyklaci hliníku poklesne těžba bauxitu, a tedy i gallia. Evropská komise předpokládá, že se spotřeba gallia bude každoročně zvyšovat o 8 % až do roku 2020. Obdobná situace je i u telluru, který je vedlejším produktem při těžbě mědi.
4. Rizikovost prvků ovlivňuje také recyklovatelnost. Problém přitom nepředstavují tradiční prvky. Je například relativně snadné a levné recyklovat železo nebo hliník z nápojových konzerv. Podle United Nations Environmental Programme (UNEP) je recyklovatelnost železa, oceli, hliníku, mědi, zinku a olova větší než 50 %. Avšak plošné televizní obrazovky, chytré telefony, baterie apod., se často vyhazují jen po několika letech nebo dokonce několika měsících používání, takže se tím uzavírá koloběh nových důležitých kovů. Zpráva UNEP z roku 2011 uvádí, že u 34 kovů je recyklovatelnost nižší než 1 %. Do této skupiny patří i gallium, indium, hafnium, tellur a další speciální prvky. Jednou z příčin tohoto stavu je, že se jedná o složité kompozity kovů a že existují termodynamické limity, které určují, kolik daného kovu lze vůbec recyklovat. Některé kovy, smíšené s jinými prvky, nelze vůbec získat zpět a poté použít tradičním způsobem. Jde o závažný problém, zejména u prvků s malou nahraditelností, jako je europium a dysprosium. Na vrcholu nejrizikovějších prvků jsou vzácné zeminy, wolfram a antimon. Ve spodní části jsou to hliník, zinek a měď, jejichž široké geografické rozmístění a vysoká recyklovatelnost zaručují jejich další dostupnost.

Spotřeby energie při těžbě a zpracování prvků a jejich toxicity, recyklovatelnosti, nahraditelnosti, rozdělení ve světě a rizikovosti nám přibližují připojené grafy.

Zdroj: Andy Ridgway: The materials bonanza. New Scientist, 2015, č. 3008, s. 35-41