Fomento de la innovación en aplicaciones y tecnologías de metales raros

Este contenido procede de una presentación de Jahsean Meikle a la beca 2025 de la Stanford Advanced Materials College.

Resumen

Casi todas las tecnologías esenciales para la industria contemporánea se basan en metales raros: el neodimio y el disprosio alimentan los imanes permanentes de las turbinas eólicas y los coches eléctricos, el tungsteno refuerza los componentes aeroespaciales y el tantalio garantiza la fiabilidad de sofisticados dispositivos electrónicos e implantes médicos. Sin embargo, el impacto ambiental insostenible de la minería y el refinado convencionales, así como unas cadenas de suministro muy concentradas en un pequeño número de países, plantean dos retos concurrentes para estos materiales irremplazables.

Este proyecto, centrado en la recuperación de elementos de tierras raras (ETR), en particular el neodimio, de discos duros de ordenador usados, ofrece una vía sostenible a través de la "minería urbana", que permite recuperar óxidos de ETR de gran pureza con emisiones significativamente inferiores a las de la minería tradicional combinando la desmagnetización térmica, la separación mecánica selectiva y la extracción química bioinspirada.

La idea aborda dos problemas acuciantes en todo el mundo: la rápida expansión de los residuos electrónicos y la creciente necesidad de metales raros en las industrias de alta tecnología. Industrias como las de energías renovables, aeroespacial, electrónica y defensa se benefician de una base material más segura y sostenible a medida que los REE recuperados se reintegran en las cadenas de suministro de fabricación.

Al convertir los residuos electrónicos en una materia prima fiable para las tecnologías futuras, esta innovación posiciona la minería urbana como una estrategia de recursos industriales, así como una estrategia de reciclaje. Esta estrategia aseguraría los metales raros necesarios para impulsar la innovación en el próximo siglo, al tiempo que fortalecería la fabricación avanzada y minimizaría el daño ambiental para los EE.UU. y sus aliados en todo el mundo.

1. Introducción

Los héroes anónimos de las economías contemporáneas son los metales raros. Son esenciales para tecnologías vitales en la electrónica de consumo, la sanidad, las energías renovables y la industria aeroespacial debido a sus especiales características eléctricas, térmicas y magnéticas. Los imanes permanentes de motores y turbinas están hechos de neodimio, disprosio y praseodimio.Por su alta densidad y punto de fusión, el wolframio es esencial para el blindaje contra la radiación, las herramientas de corte y los motores a reacción. El tántalo es un componente esencial de los condensadores de alto rendimiento y los implantes médicos por su resistencia a la corrosión.

Los metales raros son cada vez más difíciles de obtener, a pesar de su importancia. La concentración geopolítica crea importantes vulnerabilidades, como el hecho de que una nación se encargue de más del 90% del refinado mundial de REE. La minería tradicional también tiene graves problemas de sostenibilidad, como los residuos radiactivos y la deforestación. Al mismo tiempo, los residuos electrónicos aumentan en todo el mundo; según la ONU, se producen más de 60 millones de toneladas métricas al año.

La creciente demanda y la oferta limitada son dos presiones que ofrecen tanto oportunidades como desafíos. La sociedad no puede seguir soportando el coste ecológico, pero las industrias no pueden permitirse experimentar escasez. La recuperación de REEs de discos duros desechados es una solución sostenible que propongo. Este procedimiento de "minería urbana" sirve como ejemplo de cómo la circularidad, la innovación y la escalabilidad industrial deben coexistir con las futuras tendencias de desarrollo de metales raros.

2. El panorama actual de los metales raros

Los metales raros tienen una amplia gama de usos industriales interrelacionados:

• Aeroespacial: El titanio confiere ligereza a los armazones de los aviones, el hafnio estabiliza las superaleaciones y las aleaciones de wolframio refuerzan los álabes de las turbinas.
• Energías renovables: Los imanes de neodimio se utilizan en las turbinas eólicas; el germanio y el indio se emplean en las células solares; y el litio y el cobalto son cada vez más importantes en el almacenamiento de energía.
• Tecnología médica: Ejemplos de cómo los metales raros contribuyen a la salud mundial son el berilio en dispositivos de diagnóstico por imagen, los implantes de tantalio y los imanes de resonancia magnética que utilizan tierras raras.
• Electrónica e informática: La estabilidad del circonio en cerámicas y condensadores, el papel del niobio en los superconductores y los imanes de tierras raras en el almacenamiento de datos ponen de relieve su importancia.

Sin embargo, conseguir estos materiales sigue siendo difícil. Por cada kilogramo de óxidos de tierras raras, las menas tradicionales de REE suelen contener toneladas de roca estéril, o sólo un 0,05% de minerales aprovechables. Los ácidos y disolventes necesarios para su procesamiento suelen contaminar las fuentes de agua cercanas. Las cadenas de suministro de metales como el tantalio y el wolframio se concentran en zonas susceptibles de sufrir restricciones comerciales o conflictos.

Al mismo tiempo, las concentraciones de metales en los residuos electrónicos son significativamente más altas que en los minerales naturales. De una sola tonelada métrica de teléfonos inteligentes se puede extraer más oro, cobalto y elementos de tierras raras (REEs) que de muchas minas. Sin embargo, las tasas de reciclaje en todo el mundo siguen siendo inferiores al 20% en general y menos del 1% en el caso de las tierras raras. Esta disparidad demuestra cómo la infraestructura y la innovación, y no la escasez, son las principales causas de la ineficiencia de los recursos.

3. La innovación propuesta: Minería urbana de discos duros

Aunque el marco subyacente tiene aplicaciones más amplias en todos los metales raros, la innovación que aquí se presenta se centra en la recuperación del neodimio.

Ya existen sistemas de recogida y desmontaje de activos informáticos, que gestionan los ordenadores retirados de empresas e instituciones académicas. Los imanes de neodimio pueden extraerse eficazmente de los discos duros como componentes distintos y reconocibles.

Procesamiento mecánico y desmagnetización

Para garantizar una manipulación más segura, los imanes se calientan en condiciones controladas para eliminar sus propiedades magnéticas. A fin de optimizar la superficie para las reacciones químicas, se trituran posteriormente.

Extracción y disolución selectivas

Este enfoque contempla protocolos híbridos -ácidos minerales suaves combinados con quelantes orgánicos inspirados en las estructuras proteínicas naturales- en lugar de ácidos muy cáusticos, que dejan atrás impurezas como el hierro o el níquel y se centran en los iones de tierras raras. El resultado es una separación selectiva con menos residuos secundarios.

Limpieza y reutilización

El óxido de neodimio de gran pureza se produce calcinando las soluciones recuperadas después de que se hayan precipitado en oxalatos. Estos óxidos salvan la distancia entre las aplicaciones industriales de nueva generación y la electrónica al final de su vida útil al reintegrarse en el proceso de producción de imanes.

Otros metales raros, como el litio de las baterías, los filamentos de wolframio o los condensadores de tántalo, también pueden procesarse de este modo. Por consiguiente, la minería urbana ofrece una forma versátil de abordar la criticidad de los metales más grandes.

4. Aplicaciones industriales y tendencias futuras

Los metales raros y otros ETR que se recuperan se reintegran inmediatamente en los sistemas industriales:

• Aeroespacial y defensa: las aleaciones de alta temperatura, los componentes de satélites y los sistemas de propulsión a reacción dependen de un suministro fiable de tungsteno, tántalo e imanes de tierras raras. Para estas industrias vitales, la minería urbana mejora la seguridad del suministro.
• Energía verde: se prevé que para 2030 se triplique la demanda de neodimio para vehículos eléctricos; una recuperación fiable equilibra la intensidad de la minería y las dependencias geopolíticas.
• Sistemas médicos: Los dispositivos implantables, los equipos de radiación y la tecnología de resonancia magnética se apoyan en un suministro constante de tantalio y berilio.
• Electrónica: El circonio y el niobio recuperados sirven de apoyo a los circuitos integrados y los condensadores, haciendo avanzar la tecnología de los semiconductores.

Se prevé que el consumo mundial de metales pase de las tendencias lineales a las circulares. La normativa promueve el abastecimiento sostenible, los agentes industriales adoptan procedimientos de reciclado con mayor frecuencia y los avances en el diseño favorecen la electrónica modular que facilita la recuperación de componentes. Así pues, la minería urbana repercute en la competitividad industrial del siglo XXI, así como en los objetivos de sostenibilidad.

5. Conclusión

Aunque los metales raros son esenciales para la tecnología moderna, su futuro es incierto a menos que la industria adopte nuevas prácticas de abastecimiento. La minería urbana es una forma viable, escalable y ecológica de recuperar metales valiosos de los residuos electrónicos.

Este invento allana el camino hacia cadenas de suministro sostenibles en los campos de la electrónica, la energía, la sanidad y la industria aeroespacial, concentrándose en los imanes de neodimio de los discos duros y avanzando hacia otros metales vitales. De este modo, los residuos se replantean como un recurso industrial y no como un lastre.

La sociedad puede garantizar que los metales necesarios para el progreso sigan siendo abundantes, seguros y sostenibles si la próxima generación de científicos, ingenieros e innovadores sigue creando estos marcos. La minería urbana es el futuro de la resistencia industrial y de las aplicaciones de metales raros; es algo más que reciclaje.