Los extraordinarios elementos detrás de la tecnología diaria
Como si de una escena de película se tratará una tenue luz ilumina el estudio, un brillo misterioso ilumina su Tablet PC, en el centro de su escritorio. Para desbloquearla, de forma casual desplaza el dedo a través de la pantalla táctil. En cuestión de segundos, pulsos de la información están siendo descargados de Internet ¿Un poco de música para acompañar? Tan pronto como cree que los Beach Boys es lo apropiado sus acordes comienzan a sonar a través de los imanes de neodimio de los auriculares.
Para muchos de nosotros, tal escena es la realidad mundana. Rara vez nos detenemos a pensar en los avances en los materiales que subyacen a nuestra tecnología. Sin embargo, casi todos nuestros gadgets personales e innovaciones tecnológicas tienen algo en común: se basan en algunos materiales muy poco usuales provenientes de la tabla periódica. Incluso si usted nunca ha oído hablar de hafnio, erbio o tantalio, lo más probable es que haya algunos no muy lejos de donde usted está sentado.
No obstante pronto podría estar escuchando mucho más de ellos. La demanda de muchos de estos elementos desconocidos se está disparando, hasta el punto de que pronto podría superar a la oferta. Eso es en parte producto de nuestra hambre insaciable de los últimos aparatos, pero también está siendo impulsada por la revolución de energía verde. Todos los auriculares o discos duros de computadoras, dependen de las propiedades magnéticas del neodimio o disprosio, sin embargo una turbina eólica o el motor de un coche eléctrico exige aún más. Del mismo modo, las propiedades que hacen indispensable el indio en cada pantalla táctil hace que sea un referente en la próxima generación de celdas solares.
Lo que no significa que nos estemos dirigiendo a una crisis. En su Estrategia de Materiales Críticos (PDF), publicado en diciembre del año pasado, el Departamento de Energía de EE.UU. evaluó 14 elementos de especial importancia para tecnologías de energía limpia. Se identificaron seis como "críticos" en riesgo de interrupción de suministro en los próximos cinco años: entre ellos el indio y cinco "tierras raras", elementos como europio, neodimio, terbio, itrio y disprosio. Y las tasas de otros tres -de cerio, lantano y telurio- como "casi-críticos".
¿Cuál es el alboroto?
No es que estos elementos no esten ahí: por lo general se componen de unas pocas partes por mil millones de la corteza terrestre. "Nosotros simplemente no sabemos dónde están", dice Murray Hitzman, un geólogo económico en la Escuela de Minas de Colorado en Golden. Tradicionalmente, estos elementos sólo han valido la pena que muchos de nosotros. Estos están a menudo aislados como subproductos durante la extracción de materiales ya utilizados en grandes cantidades, como el aluminio, el zinc y el cobre. La minería del cobre, por ejemplo, nos ha dado más que suficiente telurio, un componente clave de la próxima generación de celdas solares, para cubrir nuestras necesidades actuales y lo hizo con precios artificialmente baratos.
"Las personas que están tratando con estas nuevas tecnologías, miran el precio de telurio, piensan y dicen, bueno, esto no es tan caro para lo que es el problema" dice Robert Jaffe, un físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Fue presidente de un comité conjunto de la American Physical Society y la Sociedad de Investigación de Materiales en "Elementos críticos de energía", que publicó resultados en febrero de este año. El problema, como deja claro el informe, es que los cambios económicos radicales en la demanda de estos materiales supera lo que puede se puede suministrar de manera tradicional. "Entonces, de repente tienes que pensar sobre la extracción de estos elementos directamente, como minerales primarios", añade Jaffe. Que eleva el costo dramáticamente, presumiendo incluso de que sepamos dónde cavar.
El precio de un elemento no es el único problema. El grupo de elementos de tierras raras, a la que muchos de elementos usados en tecnología más críticos pertenecen, generalmente se encuentran junto a minerales que también contienen pequeñas cantidades de elementos radiactivos como el torio y el uranio. En 1998, el procesamiento químico de estos minerales, se suspendió en la única mina de EE.UU. para los elementos de tierras raras en Mountain Pass, California, debido a los problemas ambientales asociados a estos contaminantes radiactivos. La mina se espera vuelva a abrir con garantías de mejora a finales de este año, pero hasta entonces el mundo depende de China para casi todos sus suministros. Desde 2005, China ha logrado imponer límites cada vez más estrictos a las exportaciones, citando la demanda de sus propias industrias de fabricación en expansión.
Esto significa que los políticos tienen la esperanza de alejar su dependencia del petróleo del oeste encontrandose con una desagradable sorpresa: las nuevas tecnologías verdes apenas son una receta para la auto-suficiencia. "No hay ningún país que tenga los recursos suficientes de todos estos minerales para cerrar el comercio con el resto del mundo", afirma Jaffe.
Entonces, ¿qué podemos hacer? La búsqueda de más materiales disponibles y de fácil obtención que realicen la misma función tecnológica es poco probable, opina Karl Gschneidner, un metalúrgico en Ames del Departamento de Energía del Laboratorio de Iowa. Europio ha sido utilizado para generar la luz roja en la televisión durante casi 50 años, mientras que los imanes de neodimio han sido empleados durante 25 años. "La gente ha estado buscando desde el primer día reemplazar tales materiales y nadie lo ha hecho todavía".
Otros toman como ejemplo la historia de éxito de renio. Este es probablemente el elemento más raro de origen natural, con una concentración de apenas 0,7 partes por mil millones en la corteza terrestre. Hace diez años, fue el elemento clave de la resistencia al calor en superaleaciones para motores de turbina de gas en los aviones y en la generación de energía industrial. En 2006, el principal fabricante General Electric descubrió que una crisis se avecinaba y promovió tanto un plan de reciclaje para recuperar el elemento de las turbinas desechadas y un programa de investigación que desarrolló superaleaciones de renio reducido y renio libre.
Ya no desechar estos materiales es una forma obvia de recuperar los suministros. "El telurio debería considerarse como algo más precioso que el oro – es más raro -", añade Jaffe. Sin embargo, en muchos casos, menos del 1 por ciento de estos materiales tecnológicamente críticos terminan siendo reciclados, según el último informe del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente sobre el reciclaje de metal, publicado en mayo.
Incluso si fuéramos a mejorar de manera espectacular este proceso, un poco de investigación geológica básica para encontrar nuevas fuentes de estos elementos es crucial y necesaria. Inquietudes tecnológicas con miras ambientales y sociales significa que puede tomar 15 años desde el descubrimiento inicial de un depósito de mineral en el mundo desarrollado para su explotación comercial, comenta Hitzman.
Renio demuestra una vez más la rapidez con que la perspectiva puede cambiar. En 2009, los mineros en una mina de cobre en Cloncurry, Queensland, Australia, descubrió un enorme yacimiento de renio geológicamente diferente a todo lo visto antes. "Se podría saturar el mercado mundial de renio desde hace varios años – y se encontró por casualidad", agrega Hitzman.
Al final, debemos dar gracias a China por su decisión de restringir las exportaciones de tierras raras, considera Jaffe, como lo ha señalado en cuestión de elementos tecnológicos fundamentales cuya atención una década antes no habría sucedido. Aún así, el destete a nosotros mismos de estas sustancias exóticas será un gran reto, como muestra un breve estudio de algunas de estas se muestran los elementos desconocidos pero indispensables.
Neodimio
Elemento de tierras raras
Número atómico: 60
Se utiliza en: imanes de alto rendimiento
Calificación de importancia en DoE: crítica
El neodimio es el epítome de la tecnología verde, después de haber sido el primer elemento aprovechado para generar la luz en punteros láser verdes. Oportunamente, se ha comenzado en usar en imanes que mantienen los motores de turbinas de viento y los coches eléctricos de inflexión.
Cuando se mezcla con hierro y boro, los imanes de neodimio se vuelven 12 veces más fuertes que los imanes convencionales de hierro. Esa es una de las razones de su uso portátil siendo compactos y ligeros: los imanes permiten un mayor control de los motores que hacen girar el disco duro y el brazo que escribe y lee los datos desde y hacia él, lo que permite mucha más información que se almacena en la misma zona.
Estos usos múltiples la vuelven una tormenta perfecta amenazando el suministro futuro. En su estrategia de Materiales Críticos, que evalúa los elementos cruciales para el futuro de la energía verde tecnologías, el Departamento de Energía de EE.UU. estima que las turbinas de viento y los coches eléctricos podrían hacer que el 40 por ciento de la demanda de neodimio lo vuelva un mercado ya sobrecargado. Junto con la creciente demanda de los elementos de los dispositivos electrónicos personales, que lo convierte en un claro "crítico" en la calificación.
Erbio
Elementos de tierras raras
Número atómico: 68
Se utiliza en: fibras ópticas
Calificación de importancia en DoE: sin clasificar
¿Navega en Internet? ¿O revisa su correo electrónico mientras lee? Si es así, probablemente lo está haciendo con iones de erbio.
El erbio es un elemento crucial en las fibras ópticas utilizadas para transportar a través de la luz información codificada en todo el mundo. Estos cables son buenos para mantener que la luz rebote a lo largo, superando fácilmente un cable de cobre para transportar de una señal eléctrica. Aun así, la señal de luz poco a poco se desvanece a medida que los kilómetros aumentan, por lo que la amplificación necesaria.
Los iones de erbio son excitables. Integrados en tramos cortos de la pared de la fibra óptica, ascienden a estados de alta energía por la irradiación con un láser. Las señales de luz que entran a lo largo de la fibra luego estimulan los iones de erbio encantados de lanzar su energía almacenada en forma más precisa la luz de la longitud de onda, dando las señales de un alza.
La buena noticia es que los suministros de erbio a pesar de que son relativamente escasos, la demanda de fibra óptica no se ha disparado como en otras tecnologías. Con las tendencias actuales, se trata de uno de los elementos vamos a seguir para poder vivir.
Telurio
Metaloide
Número atómico: 52
Se utiliza en: las celdas solares
Calificación de importancia en DoE: casi crítica
En 2009, las celdas solares hechas de películas delgadas de teluro de cadmio permitieron reducir el elevado costo por vatio de capacidad de generación eléctrica.
Tanto el cadmio y teluro son subproductos de la minería, el cadmio del zinc y el telurio del cobre. La toxicidad del cadmio significa que está en abundancia: los productores de zinc están obligados a retirarlo durante la refinación y tiene muy pocos otros usos. "Las personas que fabrican fotoceldas a menudo dicen que una de las mejores cosas que puedes hacer con el cadmio es ponerlo entre dos hojas de cristal y dejarlo ahí", dice Robert Jaffe, un físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts.
Pero en el telurio, la situación se invierte. Debido a que el mercado global para el elemento es infimo en comparación con la de cobre – 100 millones de dólares contra más de $ 100 mil millones – no ha habido pocos incentivos para extraerlo. Lo anterior cambiará a medida que crezca la demanda, pero los métodos de extracción duplicarán el suministro, que será en absoluto suficiente para cubrir la demanda prevista, si las nuevas celdas solares despegan. El Departamento de Energía de EE.UU. prevé un déficit de oferta en el año 2025.
Hafnio
Metal de transición
Número atómico: 72
Se utiliza en: los chips de computadora
Calificación de importancia en DoE: sin clasificar
Resistencia al calor sin igual en el hafnio ha permitido viajar a a la luna y volver, como parte de la aleación utilizada en la punta de los cohetes propulsores instalados en el módulo lunar Apollo. Desde el año 2007, sin embargo, también se encuentra más cerca de casa, en los pequeños transistores de chips para computadoras.
Eso es porque el óxido de hafnio es un aislante eléctrico muy eficaz. En comparación con el dióxido de silicio, que se utiliza convencionalmente en
transistores, es más eficiente para evitar que corrientes no deseadas se filtren. También cambian el 20 por ciento más rápido, lo que permite que pase más más información. Esto ha permitido reducir el tamaño del transistor de 65 nanómetros empleando dióxido de silicio primero en 45 nm y ahora a 32 nm.
Tales innovaciones mantienen nuestros smartphones pequeños. El hafnio probablemente no será lo que haga más lento el progreso: a pesar de su bajo perfil, es un elemento relativamente abundante. Integran varias partes por millón de la corteza terrestre y está distribuido ampliamente en todo el mundo.
Tantalio
Metal de transición
Número atómico: 73
Se utiliza en: Casi todos los dispositivos electrónicos de mano
Calificación de importancia en DoE: sin clasificar
Un teléfono inteligente o Tablet PC es una maravilla verdadera de la tecnología en cuanto a uso de materiales modernos, con su interfaz de pantalla táctil que incorpora indio (ver más abajo), una batería compacta de iones de litio y los procesadores llenos de transistores a nanoescala (ver arriba).
Esto se extiende también a los condensadores, los humildes componentes que almacenan energía y el flujo de potencia suave en circuitos electrónicos. Es gracias al tantalio que siguen siendo tan delgados. En su forma pura, este metal constituye una de dos placas conductoras en las cuales la carga se almacena. Como óxido, por su parte, es un aislante muy eficaz, sólo una capa delgada se necesita para evitar la fuga entre las placas. Como beneficio adicional, el óxido se pueden reparar, se reforma rápidamente para tapar cualquier filtración que permita el paso de la corriente.
Es una fortuna, entonces, que el Servicio Geológico de EE.UU. considere que el tantalio es abundante, con depósitos conocidos que cubren las necesidades proyectadas. De hecho, durante la reciente desaceleración económica mundial, varias minas fueron cerradas temporalmente ya que la demanda cayó.
Tecnecio
Metal de transición
Número atómico: 43
Se utiliza en: imagen médica
Calificación de importancia en DoE: sin clasificar
El tecnecio es extremadamente raro. Hasta 1937, era sólo un agujero en la tabla periódica. Cuando el elemento 43 fue finalmente aislado, era un expediente en el entonces innovador sistema de síntesis que modificaba la minería en la Tierra.
Esto se debe a que el tecnecio, aunque presente en minerales de uranio en la corteza terrestre, se desmorona rápidamente a través de la desintegración radiactiva. Una de las formas del elemento, el isómero tecnecio-99m, tiene una vida media de sólo 6 horas – tiempo suficiente para que al ser inyectado en un paciente y proyectado con la luz sea de ayuda en la médicina, pero a la vez es lo suficientemente corto como para minimizar la exposición a radiaciones.
A nivel mundial, alrededor de 30 millones de procedimientos médicos con tecnecio se realizan cada año. Sin embargo, dos nuevos reactores canadienses que iban a asegurar el suministro de tecnecio y otros isótopos médicos han suspendido su actividad. Por lo tanto, preguntarse si estos procedimientos pueden continuar en la misma proporción.
Indio
Posterior a los metales de transición
Número atómico: 49
Se utiliza en: pantallas táctiles, celdas solares
Calificación de importancia en DoE: crítica
Pasamos mucho tiempo conviviendo con indio, pero rara vez lo vemos. La aleación de óxido de indio y estaño (ITO) posee la rara combinación de ser a la vez conductor de la electricidad y ópticamente transparente. Eso lo hace esencial en pantallas plana y televisores, donde se forma la imagen a través de electrodos que controlan cada pixel. Una capa de ITO en la pantalla de un teléfono inteligente ofrece conductividad y al mismo tiempo sensibilidad, lo que permite que el dispositivo detecte los gestos y movimientos.
Cuando se mezcla con otros metales, el indio pierde su transparencia y en su lugar se convierte en un colector de luz. Junto a las celdas de cadmio (ver arriba), las deldas solares están hechas de cobre, indio y selenio, a veces con un poco de galio, empezando a desafiar la preeminencia del silicio.
El Departamento de Energía de EE.UU. pone en "crítico" la alarma sobre el suministro de indio para los próximos cinco años, pero reducirá el número a "casi crítico" para el período 2015 a 2025 a medida que se mejore la exracción del elemento indio o se desarrollen tecnologías libres tales como los polímeros conductores o nanocables. Aún así, sin expansión de la producción después de 2015, el Departamento de Energía dice que la reducción de "la demanda de energía no limpia" será necesario "para evitar la escasez y alzas de precios". En otras palabras, se tendra que elegir entre teléfonos inteligentes o celdas solares.
Disprosio
Elementos de tierras raras
Número atómico: 66
Se utiliza en: imanes de alta temperatura
Calificación de importancia en DoE: crítica
Como el neodimio, el disprosio es muy apreciado por sus propiedades magnéticas – no menos importantes, cuando se mezcla con terbio y el hierro para formar la aleación Terfenol D. Se tiene la capacidad sin par de cambiar de forma en respuesta a un campo magnético.
Este "magnetostrictivo" la propiedad ha llevado a algunos de sus usos. La Marina de EE.UU. ha utilizado Terfenol-D para desarrollar un transductor avanzado sonar activo, produciendo y recogiendo de alta potencia de "pings" bajo el agua.
Sin embargo, soporta el calor. Imanes a partir de aleaciones puras de neodimio-hierro-boro pierden sus propiedades magnéticas a temperaturas superiores a 300 ° C. La adición de una pequeña cantidad de disprosio, en torno al 5 por ciento en peso, resuelve el problema, por lo que el elemento es un componente vital en el alto rendimiento de los imanes que proporciona un sinnúmero de tecnologías en discos duros.
De acuerdo con el Departamento de Energía de EE.UU., la amplia gama de sus usos actuales y previstos, junto con la falta del adecuado reemplazo de inmediato, hace que disprosio sea uno de los elementos individuales más importante para las nuevas tecnologías de energía limpia. China es el único país con importantes yacimientos conocidos, con la apertura de nuevas minas en Australia y Canadá que contiene pequeñas cantidades del elemento en sus minerales de tierras raras. Incluso el Departamento de Energía de EE.UU. en sus proyecciones más conservadoras predicen un déficit de disprosio antes del 2015.
Lantano y cerio
Elementos de tierras raras
Números atómicos: 57, 58
Se utiliza en: Baterías
Calificación de importancia en DoE: casi crítica, casi crítica
Cuando se trata de las baterías, el litio es el verdadero Olimpo. Las baterías de litio son insuperables en la densidad de energía y dominan el mercado de computadoras portátiles, teléfonos celulares y otros dispositivos.
Sin embargo, también es uno de los elementos más explosivos más explosivos: el fabricante de computadoras Dell recuerda cuando cuatro millones de baterías de portátiles de litio en 2006 podían podría estallar si se sobrecalentaban. Este riesgo hace inadecuados su uso en vehículos eléctricos híbridos y eléctricos, dejando el mercado a los menos propensos a explosiones como es el hidruro de níquel en baterías.
Aquí es donde lantano y cerio se consideran como los principales componentes de un mezcla de elementos de tierras raras que constituyen el electrodo negativo de la batería de níquel. La creciente demanda de coches eléctricos, y las funciones de los elementos "subsidiarios en bombillas de bajo consumo de luz, dan un lugar a corto plazo del lantano y cerio por parte del Departamento de Energía de EE.UU. en la lista casi crítico de tecnologías verdes, una posición que también asumió en litio en a medio plazo.
Mientras tanto, una mezcla no es totalmente inerte. Esta propiedad se ha visto que esta siendo ampliamente adoptado como elemento de ignición en los encendedores de cigarrillos.
Europio, terbio e itrio
Elementos de tierras raras
Números atómicos: 63, 65, 39
Se utiliza en: iluminación eficiente
Calificación de importancia en DoE: crítica, crítica, crítica
Europio y terbio han sido durante mucho tiempo un entretenimiento doble: sus propiedades fosforescentes – terbio en amarillo-verde y europio en azul y rojo – ayudan a producir las imágenes en las pantallas de la mayoría de los televisores. La tierra rara, el itrio juega un papel silencioso pero fundamental de apoyo, participando en la liberación de iones del europio.
Estas cualidades han asegurado recientemente que el olorido del dúo europio terbio favorezca también el ahorro de energía en bombillas compactas de luz fluorescente. Estas bombillas estimulan el vapor de mercurio emitiendo luz ultravioleta, que luego es absorbido por los materiales de recubrimiento fosforescente su interior para producir frecuencias de luz visible. Una queja acerca de las primeras versiones fue que no producían la misma luz cálida que las bombillas de tungsteno incandescente las cuales sustituyen – un problema resuelto por el cambio del revestimiento con la mezcla correcta de terbio y europio.
La próxima generación de iluminación de bajo consumo, basada en LEDs, podría relegar el papel del europio: la adición de iones de europio a un LED azul vuelve parte de su color amarillo claro, dando una salida de blanco en general. Eso podría liberar el terbio a llevar a cabo sus propios proyectos, como es sustituir el disprosio en la fabricación de imanes permanentes de alta temperatura.
Todo depende de garantizar el suministro adicional. De acuerdo con el DoE, el europio podrían ser escaso en el 2015 y el terbio incluso antes. De itrio ya hemos llegado a hora de la verdad: la demanda superó la oferta en 2010.
Referencia:
James Mitchell Crow, "13 exotic elements we can't live without", New Scientist.
Imagen de cabecera: New Scientist.
Fuente: Jonathan Hernández Cantú – mipropiadecadencia.blogspot.com
