Elementi in “via d’estinzione” e materie prime critiche

Scienza

elementi tavola periodica

L’implementazione di nuove tecnologie e la loro sostenibilità a lungo termine dipendono dalla disponibilità di risorse essenziali e finite.

Al giorno d’oggi tale disponibilità è argomento di particolare dibattito, soprattutto per quanto riguarda gli elementi utilizzati come componenti di dispositivi di uso comune, quali cellulari e computer.

La richiesta di tali dispositivi è in fase crescente, viste anche le necessità legate all’incremento della produzione di energia da fonti rinnovabili.

Contenuti nascondi
1 Elementi critici ed in via d’estinzione
2 Sostituibilità delle materie prime critiche
3 Burnoff-time e Hitchhiker elements
4 Minerali e Risorse di conflitto

Elementi critici ed in via d’estinzione

Dei 118 elementi che compongono (ad ora) la Tavola Periodica, 44 sono definiti come critici ed in via d’estinzione poiché il loro approvvigionamento potrebbe subire o subirà limitazioni negli anni a venire.

Questi elementi critici includono le terre rare (spesso indicate con l’acronimo REE, dall’inglese Rare-Earth Elements), i metalli preziosi, ma anche elementi essenziali alla vita come il fosforo.

Nella figura seguente è riportata una Tavola Periodica che mostra quali sono gli elementi critici e quale la loro disponibilità.

tavola periodica elementi
Tavola Periodica con gli Elementi Critici in evidenza

La Commissione Europea ha compilato una lista delle “Materie Prime Critiche” (Critical Raw Materials, CRMs), periodicamente aggiornata, per le quali occorre avere accesso per il normale funzionamento della società. L’ultima versione risale al 2020 e comprende 30 diversi materiali.

In questo contesto occorre comunque tenere a mente che la parola “critiche” non indica necessariamente che queste materie prime stiano scarseggiando, ma che:

  1. hanno un’importanza significativa per settori chiave dell’economia europea, quali elettronica, tecnologie ambientali, automobilistico, aerospaziale, difesa, salute e siderurgico;
  2. hanno un alto rischio di approvvigionamento perché altamente importate e presenti in alte quantità in poche nazioni;
  3. c’è una mancanza di possibili sostituti a causa delle proprietà uniche di questi materiali.

Sostituibilità delle materie prime critiche

Le materie prime critiche sono insostituibili per alcune applicazioni quali celle fotovoltaiche, turbine eoliche, veicoli elettrici e illuminazione efficiente, così come potrebbero essere essenziali per nuove tecnologie in via di sviluppo.

La disponibilità di un particolare materiale viene spesso stimata, in modo molto utile anche se grezzo, sulla base del rapporto tra le riserve stimate di tale materiale e la sua velocità di consumo annuale (R/P). Chiaramente nessun materiale può essere prodotto ad una velocità costante fino al suo esaurimento, ma ci si aspetta il raggiungimento di un picco di produzione nel tempo. Tuttavia, il rapporto R/P ci permette di fare previsioni economiche molto semplici: man mano che ci si avvicina all’esaurimento della riserva, il suo prezzo aumenta con la conseguente entrata nel mercato di altre fonti precedentemente troppo care. Questo incrementa la durata della riserva presa inizialmente in considerazione, in aggiunta alla quantità fornita dalle nuove riserve. Il prezzo è un fattore critico nella discriminazione tra riserva e risorsa: la riserva è costituita da ciò che possiamo estrarre e/o sfruttare ad un costo compatibile e impiegando tecnologie attualmente a disposizione, mentre la risorsa comprende sia le riserve, sia tutto ciò di cui si conosce/stima l’esistenza e che può essere potenzialmente sfruttato in futuro. Di conseguenza, al crescere del prezzo, una quantità crescente di materiale passa da risorsa a riserva (e viceversa se il prezzo cala).

lista materie prime critiche
Lista delle Materie Prime Critiche (in grassetto i materiali aggiunti con l’ultimo aggiornamento)

Esistono vari metodi per stimare la velocità e la durata della produzione per un dato materiale, inclusi quelli basati sull’adattamento di varie funzioni (es. logistica, Gaussiana) agli attuali dati relativi alla produzione o quelli che utilizzano modelli di dinamica dei sistemi. In questo modo sono stati previsti picchi di produzione entro il 2050 per numerosi elementi come oro, argento, rame, zinco, piombo, indio, ferro, cromo, molibdeno, nickel, metalli del gruppo del platino, fosforo e per i combustibili fossili. Il raggiungimento del picco di produzione non indica il punto di esaurimento della risorsa in questione, ma il punto in cui la produzione raggiunge il suo massimo: da quel momento in poi ci si aspetta che la disponibilità del materiale in questione cali inesorabilmente fino a raggiungere una condizione di scarsità.

Burnoff-time e Hitchhiker elements

Il rapporto R/P può essere collegato al concetto di “burn-off time” (tempo di esaurimento). Da un punto di vista pragmatico, l’analisi dei rapporti R/P risulta utile poiché un basso valore di tale rapporto può indicare un elemento o una materia prima che potrebbe scarseggiare a breve o la cui produzione potrebbe rivelarsi insufficiente per soddisfare l’espansione di nuove tecnologie. Infine, per una completa valutazione della disponibilità di un dato elemento o materia prima, occorre anche tenere conto delle possibilità di recupero e riciclo dei rifiuti che lo contengono in quantità non trascurabili.

Con il termine inglese “Hitchhiker elements”, letteralmente “elementi autostoppisti”, si è soliti indicare un gruppo di elementi critici che non possono essere prodotti direttamente, ma che costituiscono il sottoprodotto dell’estrazione di altri elementi, definiti primari o attrattori. Di conseguenza, una volta terminata la disponibilità dell’elemento primario, termina anche quella dei suoi hitchhikers.

Per soddisfare una domanda crescente per uno di questi elementi, sarebbe quindi necessario incrementare la produzione dell’elemento primario, incrementarne il recupero dagli scarti, trovare fonti alternative e indipendenti oppure sostituire il materiale con uno avente proprietà simili, ma meno critico.

La prima opzione non risulta fattibile, almeno dal punto di vista economico, a meno che anche la domanda dell’elemento attrattore non incrementi notevolmente, mentre le altre opzioni richiedono innovazioni tecnologiche e maggiori investimenti di capitale iniziale. La strategia migliore sarebbe quella di migliorare le tecnologie di recupero delle risorse, il riciclo e ridurre la domanda o compensarla con materiali o elementi più accessibili. In Tabella 3 sono riportati alcuni elementi critici, la loro produzione percentuale come hitchhikers e il rispettivo elemento primario o attrattore.

elementi hitchhikers
Alcuni elementi critici e loro produzione come “hitchhikers”

Minerali e Risorse di conflitto

I minerali e le risorse di conflitto sono risorse naturali che vengono estratte in zone in cui sono presenti conflitti armati di intensità variabile e vendute per finanziare i combattimenti. I quattro minerali di conflitto più estratti (spesso indicati come 3TG, dalle loro iniziali inglesi) sono cassiterite (stagno, tin), wolframite (tungsteno, tungsten), coltan (tantalio, tantalum) e minerali aurei (oro, gold).

La Commissione Europea ha introdotto una normativa, entrata in vigore il 1° gennaio 2021, i cui obiettivi sono:

  • assicurare che le raffinerie e le fonderie dei cosiddetti 3TG scelgano responsabilmente le loro fonti di approvvigionamento;
  • rompere il legame tra i conflitti e lo sfruttamento illegale dei minerali;
  • porre fine allo sfruttamento delle comunità locali, inclusi i minatori, e supportare lo sviluppo locale.

La normativa richiede, inoltre, che le compagnie europee coinvolte nella catena di approvvigionamento importino questi minerali da fonti responsabili e non direttamente coinvolte nei conflitti.

Nonostante non sia nella lista ufficiale dei minerali di conflitto, particolare attenzione va anche posta all’estrazione del cobalto, di cui la maggior parte della produzione mondiale proviene dalla Repubblica Democratica del Congo. Questo elemento risulta particolarmente importante nelle tecnologie per la produzione di energia rinnovabile in quanto ampiamente presente nel catodo delle batterie ricaricabili agli ioni litio (57% della produzione).

Dr. Leonardo Alberto Luciano, Università di Torino

Prof. Marco Minella, Dipartimento di Chimica – Università di Torino

 

Bibliografia