عناصر نادر خاکی چیست و چرا برای فناوری حیاتی‌اند؟

عناصر نادر خاکی (Rare Earth Elements) که در ادبیات صنعتی با اختصار REEs شناخته می‌شوند، گروهی متشکل از ۱۷ فلز خاص در جدول تناوبی هستند. این مجموعه شامل ۱۵ عنصر از سری لانتانیدها نظیر لانتانیم، نئودیمیم و اروپا، به همراه دو عنصر اسکاندیم و ایتریم است.

برخلاف نام گمراه‌کننده «نادر» یا «کمیاب»، این عناصر در پوسته زمین به وفور یافت می‌شوند و حتی فراوانی آن‌ها از برخی فلزات صنعتی رایج مانند مس یا روی بیشتر است.

علت اطلاق واژه «نادر» به این گروه، پراکندگی گسترده آن‌ها در طبیعت و دشواری‌های فنی در فرآیند استخراج و خالص‌سازی آن‌هاست.

این فرآیند شباهت زیادی به استخراج ذرات طلا از معادن پیچیده دارد که نیازمند تکنولوژی‌های شیمیایی پیشرفته و هزینه‌بر است.

این عناصر به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد فیزیکی و شیمیایی، نقش «مواد حیاتی» در دنیای مدرن را ایفا می‌کنند. آن‌ها دارای خواص مغناطیسی بسیار قوی، توانایی تولید نورهای رنگی و قابلیت‌های کاتالیزوری برای سرعت‌بخشی به واکنش‌های شیمیایی هستند.

بدون حضور این عناصر، توسعه بسیاری از فناوری‌های پیشرفته نظیر تجهیزات ارتباطی هوشمند، خودروهای برقی و تسلیحات مدرن غیرممکن یا بسیار پرهزینه و کم‌بازده خواهد بود. طبق داده‌های سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده، بخش عمده تولید جهانی این مواد تحت کنترل کشور چین قرار دارد.

اهمیت استراتژیک این فلزات به حدی است که رقابت‌های ژئوپلیتیکی سختی برای تامین آن‌ها شکل گرفته است.

کاربرد در فناوری اطلاعات و صنایع الکترونیک

عناصر نادر خاکی به عنوان ستون فقرات فناوری مدرن شناخته می‌شوند و حضور آن‌ها در ساخت تجهیزات الکترونیکی اجتناب‌ناپذیر است. برای ساخت گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها و رایانه‌های شخصی، عناصری همچون نئودیمیم و پرازئودیمیم در ساخت آهنرباهای بسیار قدرتمند اما کوچک برای اسپیکرها، موتورهای لرزاننده و هارد دیسک‌ها به کار گرفته می‌شوند.

همچنین در بخش نمایشگرها، عناصری مانند اروپا و تربیوم رنگ‌های زنده و شفاف در صفحات LCD و OLED را تولید می‌کنند و لانتانیم نیز در لنز دوربین جهت ارتقای وضوح تصویر و کاهش اعوجاج نوری استفاده می‌شود.

در حوزه ذخیره‌سازی داده‌ها و تجهیزات بصری نیز نقش این عناصر برجسته است. آهنرباهای نئودیمیم-آهن-بور (NdFeB) جزء حیاتیِ هدهای خواندن و نوشتن در هارد دیسک‌ها هستند که سرعت و ظرفیت ذخیره‌سازی را تضمین می‌کنند.

علاوه بر این، در صنایع تلویزیون‌سازی و تولید مانیتور، فسفرهای حاوی ایتریم و اروپا برای تولید نورهای قرمز، سبز و آبی و ایجاد تصاویر باکیفیت ضروری هستند.

برای ایجاد روشنایی نیز لامپ‌های کم‌مصرف و LED با استفاده از تربیوم و اروپا، نور آبی را به سایر رنگ‌ها تبدیل کرده و بازدهی انرژی را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهند.

بدون دسترسی به این منابع، صنعت الکترونیک با چالش‌های جدی در کوچک و سبک‌سازی اشیاء و ارتقای عملکرد مواجه خواهد شد.

نقش عناصر نادر خاکی در زندگی روزمره و کالاهای مصرفی

دامنه نفوذ عناصر نادر خاکی فراتر از فناوری‌های دیجیتال است و در بسیاری از کالاهای مصرفی روزمره نیز مشاهده می‌شود.

در صنعت خودروسازی، این عناصر در مبدل‌های کاتالیزوری اگزوز جهت کاهش گازهای سمی و همچنین در ساخت شیشه‌های مقاوم کاربرد دارند.

در نسل جدید خودروهای برقی و هیبریدی، نئودیمیم برای ساخت موتورهای الکتریکی پرقدرت و لانتانیم در باتری‌های نیکل-متال هیدرید استفاده می‌شود که مستقیما بر کارایی و پیمایش خودرو تاثیر می‌گذارند.

علاوه بر حمل‌ونقل، لوازم خانگی مدرن نیز از این فناوری بهره می‌برند. موتورهای یخچال‌ها و ماشین‌های لباسشویی جدید برای کاهش مصرف انرژی و افزایش طول عمر به این عناصر وابسته‌اند.

در صنایع شیشه و سرامیک، اکسیدهای لانتانیم و سریم به عنوان مواد پولیش‌دهنده برای ایجاد شفافیت بالا در عدسی‌های عینک و آینه‌ها و همچنین محافظت در برابر اشعه فرابنفش به کار می‌روند.

کاربردهای متنوع دیگری نیز از جمله استفاده در باتری‌های قابل شارژ، دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی مانند MRI و حتی جوهرهای امنیتی اسکناس برای جلوگیری از جعل وجود دارد. همه این موارد، نفوذ عمیق این مواد در تاروپود زندگی روزمره را نشان می‌دهند.

اهمیت در صنایع دفاعی و امنیت ملی

صنایع نظامی و دفاعی یکی از وابسته‌ترین بخش‌ها به عناصر نادر خاکی هستند و این موضوع برای امنیت ملی کشورها اهمیت حیاتی دارد.

سیستم‌های پیشرفته هدایت و ناوبری، رادارها، سونارها و موشک‌های هوشمند، متکی به آهنرباهای پایدار ساخته‌شده از نئودیمیم و ساماریوم هستند. این مواد مقاومت حرارتی و دقت بالایی دارند.

در حوزه صنایع هوایی نظامی، جنگنده‌های پیشرفته‌ای مانند F-35 در بخش‌های مختلفی از جمله موتور، سیستم‌های کنترل پرواز و رادارهای آرایه‌فازی به این عناصر نیاز مبرم دارند. آلیاژهای سبک و مستحکم حاوی ایتریم نیز در بدنه هواپیماها برای تحمل فشارهای بالا استفاده می‌شود.

تجهیزات جنگ الکترونیک، دوربین‌های دید در شب، لیزرهای نظامی و سیستم‌های هدف‌گیری دقیق نیز همگی بر خواص نوری و مغناطیسی عناصری چون اروپا و تربیوم استوار هستند.

وابستگی زنجیره تامین این مواد به منابع خارجی، ریسک امنیتی بزرگی برای برای ارتش‌ها و نیروهای نظامی هر کشور است.

کاربرد عناصر نادر خاکی در انرژی‌های پاک و توسعه پایدار

در گذار جهانی به سمت اقتصاد سبز و انرژی‌های تجدیدپذیر، عناصر نادر خاکی نقشی کلیدی ایفا می‌کنند.

توربین‌های بادی نسل جدید برای تولید برق با راندمان بالا و ابعاد بهینه‌تر، نیازمند ژنراتورهایی با آهنرباهای نئودیمیم هستند.

در تولید خودروهای الکتریکی که نماد حمل‌ونقل پاک محسوب می‌شوند، این عناصر در موتورها و باتری‌ها برای تضمین طول عمر و بازدهی بالا ضروری هستند.

همچنین در پنل‌های خورشیدی پیشرفته، استفاده از این مواد در سلول‌های لایه نازک باعث افزایش نرخ تبدیل نور خورشید به الکتریسیته می‌شود.

کاربردها در صنایع شیمیایی و پزشکی

علاوه بر موارد ذکر شده، این عناصر در صنایع مادر نیز کاربرد دارند. سریم و لانتانیم در پالایشگاه‌های نفت و پتروشیمی به عنوان کاتالیزور برای شکستن مولکول‌های سنگین و سرعت‌بخشی به واکنش‌ها استفاده می‌شوند. در علم متالورژی، افزودن این عناصر به آلیاژهای فولاد و آلومینیوم باعث بهبود خواص مکانیکی می‌شود.

همچنین در صنعت مخابرات، فیبرهای نوری و لیزرها برای انتقال پرسرعت داده‌ها به اربیوم و سایر عناصر نادر خاکی وابسته‌اند.

در حوزه پزشکی نیز علاوه بر دستگاه‌های تصویربرداری، در برخی داروهای خاص و درمان‌های سرطان از ایزوتوپ‌های این عناصر بهره گرفته می‌شود.

بررسی‌ها نشان می‌دهد که عناصر نادر خاکی، به‌رغم چالش‌های موجود در استخراج، به جزئی جدایی‌ناپذیر از تمدن صنعتی مدرن تبدیل شده‌اند. از ابزارهای ارتباطی شخصی گرفته تا پیچیده‌ترین سامانه‌های دفاعی و زیرساخت‌های انرژی پاک، همگی به جریان پایدار این مواد وابسته‌اند.

مراجع معتبر پیش‌بینی‌ می‌کنند که تقاضای جهانی تا سال ۲۰۳۰ دو برابر شود. به همین دلیل مدیریت منابع و ایجاد زنجیره‌های تامین مطمئن برای این عناصر، یکی از اولویت‌های اصلی اقتصادی و امنیتی در سطح بین‌المللی محسوب می‌شود.

منبع:تجارت نیوز