Gabriela Pérez
¿Qué son las tierras raras, a qué deben su nombre? William Crookes, uno de los científicos más importantes del siglo XIX, inventor del tubo de rayos catódicos y descubridor del elemento químico talio, dijo una vez:
“Las tierras raras nos desconciertan en nuestras investigaciones, nos desconciertan en nuestras especulaciones y nos persiguen en nuestros sueños. Se extienden como un mar desconocido ante nosotros, burlándose, mistificando y murmurando extrañas revelaciones y posibilidades.”
Las tierras raras han adquirido un alto valor en el mercado mundial porque son estratégicos para el desarrollo de alta tecnología. La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) define los elementos de tierras raras (ETR) como un grupo de 17 elementos, que comprende los 15 lantánidos o lantanoides, más el escandio y el itrio.
La Edad de las tierras raras
Cuando Dimitri Ivánovich Mendeléyev presentó su sistema periódico (1869), solo seis de los diecisiete elementos pertenecientes a las tierras raras habían sido descubiertos. Para Mendeléyev, cada descubrimiento de un nuevo elemento de tierras raras suponía un nuevo enigma, ya que cada uno mostraba un comportamiento químico muy similar que dificultaba la asignación de posiciones en su tabla periódica.
Esta singular similitud química se debe al comportamiento de los electrones de valencia 4f y su relación con los orbitales 5s₂ y 5p₂ completamente llenos. La belleza de esta familia de elementos reside en que si bien sus miembros son muy similares desde un punto de vista químico, cada uno posee propiedades físicas muy específicas, como el color, la luminiscencia y las propiedades magnéticas nucleares.
Lantánido viene del griego lanthaneis, que significa “yacer escondido”, y data del siglo XVIII. Estos elementos fueron conocidos inicialmente como tierras raras, junto con el escandio, el itrio y el lantano, porque se identificaron como parte de un nuevo tipo de “tierra”, que era una referencia coloquial a los óxidos metálicos insolubles en agua. El término “raras” se debe a la dificultad en esa época para lograr su separación del mineral madre, y a la separación entre ellos, debido a sus amplias similitudes químicas. Algunos argumentan aun hoy que fueron llamadas “raras” porque se presumía que eran elementos escasos, pero en realidad era el tiempo de los descubrimientos y no había forma de cuantificar o imaginar cuánto había de los elementos que se iban descubriendo. El hecho es que las tierras raras no son tierras, ni tampoco son raras, esto es, no son escasas. En la corteza terrestre son más abundantes que el mercurio, el oro y la plata, por ejemplo.
El estudio de las tierras raras estuvo inicialmente restringido, ya que los científicos solo disponían de pequeñas cantidades de muestras para su investigación. Esta limitación terminó en 1879 con el hallazgo de yacimientos de samarskita en Estados Unidos; este óxido acabó con la carestía en los laboratorios químicos, sin embargo, las tierras raras mantuvieron su nombre. El descubrimiento y aislamiento de estos elementos prosperó entre 1794 (itrio) y 1907 (lutecio), con la excepción del prometio (1945), surgido con la fabricación de la primera bomba atómica.
Los elementos de tierras raras (ETR) son relativamente abundantes en la parte superior de la corteza terrestre; la abundancia cortical de cerio (Ce) y lantano (La) es mayor que la de cobre (Cu) y plomo (Pb), mientras que tulio (Tm) y lutecio (Lu) –que son los más raros de los ETR–, son más abundantes que dos metales conocidos, oro (Au) y plata (Ag). Sin embargo, la abundancia de un elemento particular en la geósfera no siempre significa facilidad de explotación. La viabilidad de la explotación generalmente depende de la geología, la ley, el tonelaje, las tecnologías de procesamiento disponibles, los costos y los problemas ambientales asociados. Las tierras raras generalmente no se concentran en cantidades económicamente viables y, al tener radios iónicos similares, dificultan su extracción y recuperación rentable. La producción mundial de tierras raras se concentra en una pequeña cantidad de países.
¿Por qué son tan importantes las tierras raras?
Entre los científicos que participaron en la investigación para el descubrimiento de los elementos de tierras raras (ETR) se encuentra Carl Auer von Welsbach, quien no solo era un buen químico –descubrió al praseodimio (Pr) y neodimio (Nd)–, sino también un brillante hombre de negocios. Auer von Welsbach inventó la lámpara incandescente de manto calentada por llama de gas, en 1885. En la llama azul de un mechero Bunsen calentó una tela tejida que brillaba seis veces más que la propia llama. La tela se colgaba sobre el mechero, única fuente de calor, en una forma que inspiró el nombre de “manto” (es decir, una capa).
El manto estaba compuesto por una malla de algodón ligeramente tejida, empapada en una solución líquida de nitrato de torio y cerio. Al encender un manto por primera vez, el algodón se quemaba, dejando un esqueleto rígido y frágil de óxidos de torio y cerio. Estos óxidos emitían una luz brillante al calentarse a temperaturas muy altas: el principio de la incandescencia. Este nuevo principio fue revolucionario, especialmente en el alumbrado público, y se extendió rápidamente por todo el mundo industrializado. En 1913 se fabricaron 300 millones de lámparas Auer (llamadas Auerlicht).
Otra consecuencia de su inventiva, que perduró hasta nuestros días, fue la piedra de los encendedores, una aleación de cerio y hierro que desbancó a los cerillos con los que se encendían fuegos. Esta visión práctica de Auer hace ver que disponer fácilmente de energía, es importante, pero también el saber gastarla, sacando el mayor rendimiento posible sin aumentar su consumo.
El recurso de los elementos de las tierras raras ha transformado nuestra sociedad a partir de la década de 1960. Sus elementos son abordables técnicamente al disponer de energía, procedimientos e instalaciones para el aislamiento de esos metales. Tras la labor de Auer hace un siglo, las invenciones sucesivas de los microprocesadores (1971), imanes (1966-1983), Internet (1981) teléfonos móviles (1991) y teléfonos inteligentes (2005) aumentaron la demanda de tierras raras; ellas nos han impulsado hacia una sociedad de alta tecnología.
Los elementos de las tierras raras están, por ejemplo, en los billetes que usan la fluorescencia como medida de seguridad, tal es el caso de los euros; en los teléfonos móviles, en nuestras gafas, si las usamos; en algunas circonitas de joyería; en computadoras, pantallas de televisión y cámaras fotográficas, automóviles, refrigeradores y congeladores, raquetas de tenis y palos de golf, bicicletas (eléctricas o no), luces; fibras ópticas y wifi …; la tecnología que disfrutamos hoy en día se basa en buena parte en las tierras raras. Después de las Edades del Cobre, Bronce y Hierro podremos decir, por sus aplicaciones, que estamos en la Edad de las Tierras Raras.
¿Cómo llegamos aquí?
Usualmente se considera que la historia de las tierras raras ha seguido tres etapas: una inicial con su descubrimiento (hasta 1947) que fue seguida por su estudio (hasta 1969) para terminar con el desarrollo de aplicaciones (hasta hoy en día) y su introducción en la vida cotidiana. No obstante, los hechos asociables a cada etapa se superponen. Son ejemplo las patentes de Auer o la investigación en marcha de nuevas propiedades fisicoquímicas sobre láseres y magnetismo.
El gran impulso lo recibieron las tierras raras con la invención de los televisores de color en la década de 1960. Ese éxito comercial estuvo ligado a una mayor explotación minera junto con nuevos métodos para la obtención de sus elementos en estado de gran pureza, lo que facilitó la investigación de nuevas propiedades y aplicaciones. A partir de entonces la búsqueda científica surgida a finales del siglo XVIII para entender mejor el mundo que nos rodea con la recompensa de gloria académica u honores científicos se ha convertido en el negocio tecnológico de las aplicaciones, que condicionan mucho la investigación científica centrándola en resultados económicos.
Las propiedades químicas de las tierras raras son muy parecidas, pero no las físicas, lo que explica la especificidad de sus propiedades ópticas y magnéticas. En el mercado de consumo no existe una clasificación uniforme para las aplicaciones de tierras raras y se suelen agrupar siguiendo nueve sectores: baterías, aditivo para vidrios, catalizadores (refinado del petróleo, vehículos), cerámica, imanes, metalurgia (aleaciones…), pigmentos y luminiscentes (láser, iluminación, pantallas LCD…), pulido y otros.
Cálculos estimados para 2020 no difieren de anteriores, por ejemplo, los de 2015. La mitad de la producción se consume para imanes y catálisis. En términos de valor económico, los imanes y luminiscentes generan las mayores ganancias. El consumo de elementos de las tierras raras está dominado por el neodimio (Nd) y praseodimio (Pr), que son ingrediente principal de los imanes, seguido por el lantano (La), cerio (Ce) y terbio (Tb); los demás están por debajo del 2 %. Sin embargo, el costo de los diferentes óxidos de estos elementos va ligado a su escasez en los minerales y en la dificultad de separación. El iterbio y el lutecio tienen un precio elevado por su reducida producción. Entre los demás destacan los óxidos de escandio (Sc) y terbio (Tb). Hay que tener en cuenta que los precios varían mensualmente, según el mercado (chino, hindú…), el grado de pureza del óxido o, incluso, el volumen de la compra. Los usos militares merecen un comentario separado por su importancia en los juegos geopolíticos, aunque engloben algunas de las aplicaciones citadas.
Aplicaciones militares
La historia de las tierras raras y el uranio se entrecruzan al aparecer ambos juntos en algunos minerales y que, en ocasiones, los expertos nucleares también intervinieron en el aprovechamiento de las menas de las tierras raras. El proyecto Manhattan para la fabricación de las dos primeras bombas, una de hidrógeno y otra de plutonio, abrió la puerta a una mejor separación de las tierras raras. En ese entorno secreto tres científicos norteamericanos, Jacob Marinsky, Lawrence Glendenin y Charles Coryell, fueron contratados por su experiencia en tierras raras y la similitud de ellas con el uranio y el plutonio, para que investigaran cómo separar isótopos radiactivos.
Según Marinsky, los dos proyectos más interesantes desarrollados en los laboratorios Clinton entre 1944 y 1945 fueron el descubrimiento del elemento prometio (Pm) y la obtención de la fuente radiactiva que necesitaba Robert Oppenheimer para hacer estallar una bomba atómica. Todo lo relacionado con ello era considerado secreto militar por el ejército norteamericano, por lo que el anuncio del descubrimiento se retrasó hasta 1947.
El prometio es el único elemento de las tierras raras que merece la calificación de raro. En toda la corteza terrestre es tan escaso que no llega a sumar un kilogramo; es radiactivo y se desintegra completamente en unos pocos años. El necesario para unas pocas aplicaciones se obtiene artificialmente en reactores nucleares, ya que es uno de los elementos resultantes de la fisión del uranio.
La guerra fría condujo a la búsqueda y desarrollo de sistemas de vigilancia de otros países y a la carrera espacial, lo que impulsó aún más la investigación de las aplicaciones y la demanda de los elementos de las tierras raras. El poder basado en los ejércitos se apoya completamente en el espectro de tecnologías militares que dichos elementos proporcionan. Sin ellos, los países no podrían producir gran parte del equipo necesario para su defensa. Las naciones son reacias a proporcionar información. En los países avanzados se mezcla la investigación científica civil y militar, y se intercambian algunos frutos de las aplicaciones.
Usos y desafíos de las tierras raras
en el sector energético y ambiental
Además de todas las aplicaciones citadas, las tierras raras tienen un papel muy importante en las energías renovables y las baterías, lo que las convierte en uno de los pilares de la transición energética. Por ello, actualmente no podemos pensar en la transición energética y cuidado ambiental sin tener en cuenta las tierras raras.
Extracción de las tierras raras y su contaminación
Las tierras raras se extraen de los yacimientos utilizando varias técnicas según el tipo de mineral y la ubicación del yacimiento. Las técnicas más comunes son: Minería a cielo abierto, minería subterránea, perforación, fracking y minería in situ. Una vez que han sido extraídas se someten a los procesos de separación y refinamiento para poder obtener los compuestas y óxidos que se utilizarán en sus distintas aplicaciones. Este proceso de extracción, separación y refinamiento puede generar un impacto negativo en el entorno si no se cumple un riguroso control medioambiental. Véase la contaminación asociada a la extracción de tierras raras:
Agua. Durante el proceso de extracción y procesamiento, se utilizan productos químicos que pueden filtrarse al suelo y llegar a fuentes subterráneas y superficiales, afectando a la calidad del agua. Otros residuos líquidos como los lodos pueden contener elementos tóxicos y metales pesados que presentan un riesgo para la vida acuática y la salud humana.
Suelo. Para extraer las tierras raras, se debe remover una gran cantidad de suelo y roca que implica la destrucción del ecosistema terrestre. Además, los productos químicos anteriormente mencionados pueden filtrarse en el suelo, afectando la capacidad del suelo, los ecosistemas locales y la producción agrícola.
Residuos tóxicos. Los residuos de la extracción de las tierras raras contienen elementos radiactivos, metales pesados y sustancias químicas. De no manejarse estas sustancias correctamente, se puede dañar el ecosistema de la zona.
Gases de efecto invernadero. La extracción y procesamiento tiene un alto consumo energético que genera grandes emisiones de gases de efecto invernadero. Esto ha provocado que muchos países reduzcan su producción de tierras raras y opten por cubrir sus necesidades con la de otras naciones. En el caso de China, principal productor, la regulación medioambiental, menos rígida, supone un mayor peligro para el medio ambiente global.
Principales usos en la producción de energía
Paneles solares fotovoltaicos. Las tierras raras desempeñan un papel clave en la producción de células fotovoltaicas, que son los componentes fundamentales de los paneles solares. Uno de los elementos de tierras raras más utilizados en las células fotovoltaicas es el silicio (Si). Este elemento, dopado con pequeñas cantidades de elementos de tierras raras como el gadolinio (Ga) o el praseodimio (Pr), permite mejorar la eficiencia de absorción de la luz solar.
Turbinas eólicas. En las turbinas eólicas se utilizan imanes de neodimio-hierro-boro (Nd-Fe-B), que contienen elementos de tierras raras, como el neodimio y el disprosio. Estos imanes son fundamentales para la generación de electricidad en turbinas eólicas de alta eficiencia. Los imanes de tierras raras tienen propiedades magnéticas superiores, como una alta coercitividad y una alta temperatura de Curie, lo que permite la generación de campos magnéticos más fuertes y una mayor eficiencia de conversión de energía.
Baterías. Las baterías de iones de litio (Li) son ampliamente utilizadas en una variedad de aplicaciones, desde dispositivos electrónicos portátiles hasta vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía a gran escala. Estas baterías son conocidas por su alta densidad de energía, su larga vida útil y su capacidad de recarga.
Las tierras raras desempeñan un papel clave en la composición de los cátodos y electrolitos de las baterías de iones de litio. Los cátodos de las baterías de iones de litio suelen estar compuestos de óxidos de metales de transición, como cobalto (Co), níquel (Ni) y manganeso (Mn). Las tierras raras, como lantano (La), cerio (Ce) y praseodimio (Pr), se utilizan como aditivos en los cátodos para mejorar la eficiencia de carga y descarga de la batería. Estos aditivos de tierras raras ayudan a estabilizar la estructura del cátodo, mejorar la conductividad iónica y reducir la degradación de los materiales durante los ciclos de carga y descarga. Como resultado, las baterías de iones de litio que contienen tierras raras pueden tener una mayor capacidad de almacenamiento, una mayor eficiencia energética y una vida útil más larga. Las baterías de níquel-metal hidruro (Ni-MH) son otra tecnología de batería recargable ampliamente utilizada en dispositivos electrónicos, herramientas eléctricas y vehículos híbridos. Estas baterías ofrecen una alternativa más respetuosa con el medio ambiente en comparación con las baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd), ya que no contienen materiales tóxicos. Lantano (La) y neodimio (Nd) se utilizan como aditivos en la aleación de hidruro metálico, que actúa como ánodo en la batería. Estos aditivos de tierras raras ayudan a aumentar la capacidad de almacenamiento de hidrógeno en el ánodo, lo que se traduce en una mayor capacidad de la batería y una mayor eficiencia energética. Además, pueden mejorar la resistencia a la corrosión y la estabilidad térmica de la batería de Ni-MH, lo que contribuye a una vida útil más larga y un mejor rendimiento en condiciones adversas.
Vehículos eléctricos. Los imanes permanentes de neodimio-hierro-boro (NdFeB), que contienen elementos de tierras raras como el neodimio, se utilizan en los motores de tracción de los vehículos eléctricos. Estos imanes generan un campo magnético potente y estable, lo que permite una mayor eficiencia y rendimiento del motor. Los motores de tracción de imanes de tierras raras son más compactos, ligeros y eficientes en comparación con los motores convencionales, lo que contribuye a mejorar la autonomía y la eficiencia energética de los vehículos eléctricos. También podemos encontrar tierras raras en los imanes y bobinas de los convertidores de potencia para mejorar la eficiencia y el rendimiento de los sistemas de propulsión de los vehículos eléctricos.
Desafíos de las tierras raras
«Una nación en la cual las ciencias y las artes aplicadas languidezcan será adelantada por las naciones rivales y perderá poco a poco su capacidad de competición; su comercio, su riqueza, pasarán a manos de los extranjeros…». Antoine Lavoisier (1743-1794)
Uno de los principales desafíos es que China es el principal productor y exportador de tierras raras en el mundo, lo que produce una preocupación directa en cuanto a la seguridad de suministro y la volatilidad de los precios. Estas fluctuaciones afectan directamente a la viabilidad de los proyectos renovables y baterías, lo que podría suponer un freno a la transición energética. Estrategia fundamental para garantizar la sostenibilidad de estos elementos químicos es la diversificación de las fuentes de suministro. En lugar de depender en gran medida de un solo país o región, es necesario buscar y desarrollar nuevas fuentes de tierras raras en diferentes partes del mundo. Si la producción se realiza de manera más “local”, se puede llevar un mayor control del impacto ambiental que se está ocasionando. Además, el transporte de las tierras raras también implica una huella ambiental significativa.
Actualmente se está promoviendo la investigación y desarrollo de alternativas y sustitutos, tanto en energías renovables como en baterías. Estos otros materiales podrían reducir la dependencia que existe actualmente, e incluso disminuir el impacto en la naturaleza. Reciclaje y reutilización son esenciales para reducir el impacto y la dependencia.
Tabla 2. Principales aplicaciones de los elementos de las tierras raras.
Escandio
Agente de rastreo en refinerías de petróleo, aditivo en lámparas de halogenuros, aumentar la dureza del aluminio (bicicletas, raquetas, palos de golf…), aleaciones de metales en la industria aeroespacial.
Itrio
Bombillas de bajo consumo, cerámica, aleaciones metálicas, láseres cortadura, mejora eficiencia de combustibles, comunicación por microondas, pantallas LCD, sensores de temperatura.
Lantano
Electrodos para baterías recargables, catalizadores para el refinado de petróleo, baterías vehículos eléctricos, lentes de cámaras digitales de alta tecnología, cámaras de vídeo, baterías de portátiles, películas de rayos X, láseres.
Cerio
Catalizador en refinerías de petróleo, piedras de mechero, electrodos para baterías recargables, colorante cerámico, aditivo diésel para catalizar descomposición de humos, filtros UV, aleaciones metálicas, abrillantadores de lentes (vidrio, placas frontales de televisión, espejos, vidrio óptico, microprocesadores de silicio y unidades de disco).
Praseodimio
Láseres, motores eléctricos (v.g., aerogeneradores, vehículos, drones), aditivo en los cristales de las gafas de soldadura, aumentar la resistencia a la corrosión del imán, pigmento en vidrios y esmaltes, reflectores, lentes de señales de aeropuerto, filtros fotográficos.
Neodimio
Motores eléctricos (v.g., aerogeneradores, vehículos, drones, por ejemplo), aditivo en los cristales (gafas de soldadura, faros coches, por ejemplo), condensadores de cerámica, electrodos para baterías recargables, aparatos de resonancia magnética para hospitales, imanes de alta potencia para portátiles, láseres, catalizadores de fracking de fluidos.
Prometio
Pinturas fosforescentes, baterías nucleares, fuente de radiación beta, fuente radioactiva para instrumentos de medición de espesores.
Samario
Láseres, imanes de alta temperatura, varillas de control de reactores nucleares.
Europio
Láseres, autentificar billetes, pantallas de cristal líquido (LCD), iluminación fluorescente, aditivo para vidrio.
Gadolinio
Memorias de ordenadores, láseres para cortar acero, tubos de rayos X, agente de contraste para resonancias magnéticas en hospitales, aditivo para vidrio.
Terbio
Láseres, lámparas fluorescentes, aditivo en imanes de neodimio, iluminación y pantallas, sistemas de guía y control.
Disprosio
Discos duros en informática, aditivo en imanes de neodimio, láseres.
Holmio
Láseres, los más poderosos imanes fabricados, aparatos de resonancia magnética para hospitales.
Erbio
Láseres, paneles solares, mantenimiento de la señal en fibras ópticas, colorante en vidrios.
Tulio
Láseres, aparatos radiografía de rayos X (v.g., clínicas dentales), imanes de alta potencia.
Iterbio
Tecnología de fibra óptica, paneles solares, aleaciones (acero inoxidable), fuente de radiación para equipos portátiles de rayos X, láseres (cortar metales y plásticos duros), bengalas.
Lutecio
Bombillas led, vidrios con altos índices de refracción, pantallas de rayos X, catalizador en refinerías de petróleo para producir gasolina y diésel.
GABRIELA PÉREZ AGUIRRE
Estudió ingeniería química en la Facultad de Química de la UNAM. Es autora de libros de texto de física y química a nivel secundaria y de química a nivel bachillerato. Colaboró en la concepción, desarrollo y edición de libros de texto, interactivos y guiones para la red EDUSAT, del Instituto Latinoamericano para la Comunicación Educativa (ILCE). Formó parte del equipo editorial de la Revista Ciencias, de la Facultad de Ciencias de la UNAM
