El metal del espacio exterior que podría transformarlo todo

En la tarde del 27 de junio de 1966, un ruido similar al de un avión rompiendo la barrera del sonido estalló de repente sobre la localidad de Saint-Séverin, en el suroeste de Francia. Los residentes recordaron «detonaciones y sonidos silbantes» como la fuente del ruido, un meteorito, cruzó el cielo dejando una estela. Pronto, la gigantesca roca espacial, de color gris opaco y con un peso de casi 115 kilos, se estrelló contra la tierra, enterrándose en el suelo de un sendero local. Dejó un cráter de impacto de aproximadamente 0,6 metros de profundidad y 0,7 de ancho. Dos días después, un equipo del Museo Nacional de Historia Natural de Francia llegó para tomar varias muestras pequeñas de la roca.

Los meteoritos, como el pesado que impactó en Saint-Séverin, pueden contener metales preciosos y restos de las regiones más lejanas de nuestra galaxia, pistas geológicas sobre cómo se formó nuestro propio planeta. Hace miles de años, las sociedades antiguas valoraban los meteoritos por sus altas concentraciones de níquel y hierro, formados durante millones de años mientras las rocas caían por el sistema solar. Civilizaciones desde 2500 a.C. usaban metales espaciales para forjar herramientas y armas. Los antiguos egipcios llamaban al metal meteórico «hierro del cielo», y quizás el ejemplo más famoso es la daga de hierro de 33 centímetros enterrada con el faraón egipcio Tutankamón en 1350 a.C.

Sin embargo, el meteorito que cayó en Francia tenía algo tal vez incluso más valioso. Geólogos que examinaron esas muestras más de 20 años después hicieron un emocionante descubrimiento: la bola de roca espacial que cayó en Saint-Séverin contenía una pequeña cantidad de un metal raro, conocido como tetrataenita, que solo se había identificado recientemente. La muestra recuperada del meteorito tenía aproximadamente 40 micrómetros de diámetro, justo el ancho de un cabello humano, pero el metal podría revolucionar la producción global de electrónicos, desde iPhones hasta aviones de combate.

El faraón egipcio Tutankamón fue enterrado con esta daga de 33 centímetros, fabricada con metal extraído de meteoritos.DEA / S. VANNINI

El nombre del metal proviene de su forma y composición: la tetrataenita tiene una estructura tetragonal compuesta por taenita, una aleación formada cuando el níquel se combina con el hierro. Es similar a los metales de tierras raras necesarios para producir los imanes potentes que alimentan muchos de los dispositivos electrónicos de consumo, baterías de vehículos eléctricos, armas militares y hardware esencial para la infraestructura de energía renovable de hoy en día.

«Las tierras raras están entrando en segmentos absolutamente vitales de la industria y la tecnología», dice Ariel Cohen, investigador principal en el Consejo Atlántico. «Son componentes clave para la informática y para toda la nueva tecnología que impulsa o respalda la transición energética».

Pero la extracción de estos metales ocurre solo en algunos lugares en todo el mundo. El trabajo es difícil, peligroso y con riesgos ambientales. Y el país que controla el 70 por ciento de la producción mundial, China, ha amenazado con reducir su suministro de metales de tierras raras durante las negociaciones comerciales y militares con los Estados Unidos y otras naciones. A pesar de su inmenso potencial, la tetrataenita ha sido considerada como demasiado poco común para ser útil, ya que se encuentra exclusivamente en los meteoritos. Hasta el año pasado, claro está.

En el otoño de 2022, Lindsay Greer, PhD, profesora de ciencia de materiales en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, y varios colegas anunciaron que habían sintetizado tetrataenita, calentando minerales comúnmente encontrados por encima de su punto de fusión (aproximadamente 1.443 grados Celsius) para crear el metal una vez esquivo. La versión producida en laboratorio tiene propiedades magnéticas que son sorprendentemente similares a los minerales de tierras raras como el neodimio, praseodimio y disprosio. La tetrataenita magnética podría ocupar su lugar, alimentando innumerables dispositivos en las décadas venideras.

El descubrimiento de Greer llega en un momento crucial. El deseo de productos que contienen tierras raras sigue en aumento, lo que convierte al grupo de 17 elementos metálicos en algunos de los recursos más buscados en el planeta. Según el Departamento de Energía de los Estados Unidos, se espera que la demanda mundial de tierras raras aumente en un 400 por ciento en las próximas décadas.

Varios metales de tierras raras expuestos en la mina Mountain Pass de California. La mina es la única fuente de tierras raras de Estados Unidos.Bloomberg via Getty Images

«Cuando te enfrentas a un problema de materiales críticos, puedes hacer una de dos cosas: Puedes encontrar más, o puedes usar menos», dice Tom Lograsso, director del Instituto de Materiales Críticos, un laboratorio de investigación de minerales del Departamento de Energía de Estados Unidos.

La cantidad pura de tierras raras requerida para la producción de imanes es asombrosa cuando se expresa en cifras brutas. Por ejemplo, un submarino de ataque nuclear de clase Virginia requiere 4.175 kilos de imanes permanentes fabricados con tierras raras. (Los imanes permanentes son siempre magnéticos, a diferencia de los imanes eléctricos que requieren una carga eléctrica para funcionar). Y una propuesta de los Departamentos de Energía e Interior de los Estados Unidos para generar 86 gigavatios de energía eólica marina para 2050 requeriría más de 17.000 toneladas de neodimio.

«La mayor preocupación para la industria de los imanes es el riesgo de suministro», dice Greer. Eso convierte su avance, un imán poderoso que no depende de las tierras raras, en un posible cambio de juego.

Inicialmente, Greer no estaba interesado en sustitutos de las tierras raras. Su investigación se centra en cómo los materiales metálicos cambian sus estructuras, y principalmente estudia aleaciones, incluidas aquellas hechas de hierro y níquel. A finales de 2019, su equipo en Cambridge, en colaboración con colegas de la Academia de Ciencias de Austria, estaban investigando las propiedades mecánicas de aleaciones de hierro y níquel que contenían pequeñas cantidades de fósforo. Todo parecía ser auspicioso: los meteoritos como el que se estrelló en Saint-Séverin ya contenían hierro, níquel y fósforo.

Con la esperanza de crear un vidrio metálico, que es una aleación de átomos mezclados sin una forma discreta, los investigadores del equipo de Greer colocaron trozos de hierro, níquel y un compuesto de fosfuro en un recipiente de cobre dentro de un horno eléctrico simple. Es una versión en miniatura de los hornos industriales más grandes utilizados para fundir hierro: corrientes eléctricas de alto voltaje atraviesan un arco suspendido sobre el material, generando un intenso calor que derrite el metal. Pero cuando el equipo de Greer terminó el proceso de fundición, obtuvieron un subproducto inesperado. Al examinar su creación bajo un microscopio, Greer se sorprendió al descubrir que los átomos de hierro y níquel estaban dispuestos en formas tetragonales ordenadas, justo como la tetrataenita que proviene de los meteoritos.

«Eso fue una sorpresa», dice Greer. «Estábamos observando esta aleación en particular con un interés completamente diferente, sin centrarnos en el magnetismo». Pero después de investigar la tetrataenita, especialmente sus propiedades magnéticas, Greer y los demás comenzaron a preguntarse cuánto de este valioso material cósmico podrían producir. «Nos metimos de lleno en la historia de reemplazar las tierras raras», comenta.

Alrededor del mismo tiempo en que Greer y su equipo hicieron su anuncio, ingenieros de la Universidad Northeastern en Boston revelaron que también habían ideado un medio para producir tetrataenita. Sus esfuerzos son dirigidos por Laura Lewis, PhD, profesora de ingeniería química. El método de Northeastern es similar al de Greer en el sentido de que se calienta níquel y hierro en un horno, con una excepción: a medida que el fundido se enfría, el equipo de Lewis aplica «estrés existencial», según su patente, que implica golpear o triturar el subproducto para que los átomos internos formen esas formas tetragonales.

Eso podría ser un paso importante. Para que la tetrataenita funcione tan bien como lo hacen las tierras raras, su estructura debe resistir el estrés involucrado en la producción de imanes fuertes y de alta calidad. Las tierras raras ya hacen eso de manera excepcional, gracias a su composición única. A diferencia de la mayoría de los metales, las tierras raras tienen una capa adicional de electrones llamada capa de electrones F, que la mayoría de los elementos no poseen. Esa dosis adicional de electrones evita que un imán pierda su magnetismo a medida que los materiales se calientan. Los fabricantes agregan minerales de tierras raras como el neodimio y el praseodimio para asegurarse de que los imanes mantengan su polaridad incluso a temperaturas superiores a 150 grados. El disprosio y el terbio, otras dos tierras raras, a veces se mezclan en imanes fabricados para productos particularmente exigentes, como turbinas eólicas y submarinos estadounidenses.

Para aumentar la resistencia y la durabilidad de un imán permanente, los fabricantes aplican calor y presión a las tierras raras en polvo, soldándolas esencialmente juntas. Esto crea un imán en masa, que se enfría y se corta en diversas formas. Los imanes terminados pueden ser pequeñas piezas delgadas, no más gruesas que un billete de dólar para un altavoz de iPhone, o formarse en grandes cuñas y sinterizarse juntas para crear los imanes utilizados en turbinas eólicas. Independientemente de su forma y tamaño, los imanes permanentes están en todas partes. ¿Las fotos de la cámara de tu iPhone? ¿La música en tus AirPods? Ninguno de estos sería posible sin los imanes de tierras raras. Y cada avión de combate furtivo F-35 contiene 417 kilos de imanes de tierras raras, que se utilizan para controlar sus sistemas de armas, radar y timones.

Si desarmaras el motor de un vehículo eléctrico, encontrarías imanes permanentes, cada uno hecho con un poco de neodimio y praseodimio, dispuestos alrededor de una bobina de cobre que se enrolla alrededor de un eje de transmisión central. Al pisar el acelerador, se envía una corriente eléctrica a través de la bobina, creando un campo magnético con la polaridad opuesta de los imanes. Las fuerzas opuestas hacen que la bobina gire rápidamente, haciendo girar el eje de transmisión, lo que hace girar las ruedas. Los imanes de tierras raras sobresalen en esta transferencia de energía de mecánica a eléctrica y viceversa. Con una libra de imanes permanentes y una carga eléctrica no mayor que la que alimenta un iPad, el Tesla Model Y puede acelerar de cero a 60 millas por hora en menos de cuatro segundos. Esa potencia ha llevado al mundo a clamor por los minerales de tierras raras y sus propiedades supermagnéticas.

En la última década, la demanda de tierras raras ha aumentado drásticamente. La necesidad de disprosio por sí solo aumentará en más del 2.500 por ciento para 2035, según analistas del Centro Kleinman de Política Energética de la Universidad de Pensilvania. La producción minera de tierras raras también ha aumentado de manera significativa. En 2010, el mundo extrajo 133.000 toneladas de materiales de tierras raras; en 2022, esa cifra superó las 300.000 toneladas, con un valor de 9,5 mil millones de dólares. Para 2028, se espera que el comercio de tierras raras valga 21 mil millones de dólares.

Las reservas de minerales de tierras raras se están volviendo cada vez más escasas. Se dice que China está explorando limitar la cantidad de materiales cruciales que exporta a contratistas de defensa estadounidenses. Sin un avance en la fabricación o el descubrimiento de fuentes adicionales de tierras raras, un material sintético como la tetrataenita podría ser nuestra mejor opción para mantener armas importantes, tecnologías verdes y dispositivos electrónicos queridos en funcionamiento en el futuro.

Aunque China domina la minería de tierras raras, Estados Unidos tiene solo una mina operativa. Ubicada en lo profundo de la Cordillera de Clark en California, a unas 200 millas al sureste de Los Ángeles, la inmensa mina a cielo abierto de Mountain Pass tiene casi la longitud de nueve campos de fútbol. Y si plantaras el Monumento a Washington en el punto más profundo de la mina, el cañón de color óxido, creado por el hombre, aún superaría al obelisco de 169 metros de altura en aproximadamente 15 metros.

Durante aproximadamente 20 años, a partir de mediados de la década de 1960, Estados Unidos lideró la minería de tierras raras en el mundo. Eso cambió en la década de 1980, cuando China intensificó sus esfuerzos mineros. Bendecido con ricos depósitos de tierras raras, el país acaparó el mercado al extraer los metales de manera más económica (principalmente al pagar bajos salarios a los trabajadores) y venderlos a precios muy bajos. Su enfoque relajado en la regulación ambiental también le dio una ventaja. El año pasado, las minas chinas produjeron 210.000 toneladas de tierras raras, casi el 70 por ciento del suministro mundial. Las minas en Estados Unidos lucharon por mantener el ritmo, cerrando una por una hasta que solo quedó en operación la operación más grande, Mountain Pass. Sin embargo, esta también cerró por un tiempo después de un derrame de desechos tóxicos en 2002.

La extracción de tierras raras es una tarea difícil, cara y peligrosa que requiere enormes minas a cielo abierto, como la de Mountain Pass, en California.Bloomberg via Getty Images

La degradación ambiental es parte del territorio. La minería es destructiva por sí sola, pero las tierras raras también deben ser separadas químicamente de los depósitos minerales más grandes, un proceso desordenado y potencialmente peligroso. En enormes minas a cielo abierto como Mountain Pass, las excavadoras crean bancos de tierra en el suelo que permiten a los mineros acceder a elevaciones más bajas. Allí, los mineros perforan agujeros, los llenan de explosivos y hacen volar la roca para extraer el mineral de óxido de tierras raras denso. Enormes camiones volquetes transportan el mineral a máquinas trituradoras que lo convierten en gránulos parecidos a la arena. Incluso en esta forma, los gránulos aún contienen minerales no deseados. En las plantas químicas del lugar, el mineral granulado se recubre con productos químicos o compuestos para crear una reacción y luego se coloca en tanques de «flotación por espuma», donde las tierras raras se elevan a la superficie y se recogen de la parte superior. Los sólidos que quedan se separan del lodo y el agua se recicla de nuevo en el proceso de flotación.

El problema es aún peor en China, donde los estándares ambientales son más bajos. El distrito de Bayan-Obo en Mongolia Interior contiene la mina de tierras raras más grande del mundo y la laguna de desechos más grande del mundo, que ha estado llena de productos químicos tóxicos desde la década de 1950. Las consecuencias para la salud son alarmantes. Según informes de los medios estatales chinos, la laguna nunca fue revestida adecuadamente y el agua venenosa se filtra en el suelo, destruyendo los cultivos cercanos, matando al ganado y llegando al río Amarillo, una fuente vital de agua potable en la región.

A nivel mundial, ninguna mina de tierras raras opera sin causar algún daño a sus trabajadores y al medio ambiente. La cifra comúnmente citada es que la minería de solo una tonelada de elementos de tierras raras produce 2,000 toneladas de desechos de cola en forma de polvo tóxico, productos químicos de separación, aguas residuales y residuos radiactivos.

En Estados Unidos, Mountain Pass tiene un historial ambiental en mejora. Después del derrame de 2002 que cerró las operaciones, la mina cambió de manos varias veces. En 2017, MP Materials, una empresa pública con sede en Las Vegas, asumió la propiedad y reactivó las operaciones mineras. Entre otros cambios, implementó un proceso para reciclar las aguas residuales tóxicas necesarias para procesar las tierras raras, lo que cree que reducirá la posibilidad de otro desastre ambiental.

La producción en la mina también está aumentando. Hace cinco años, Mountain Pass producía 14.000 toneladas, o el 8 por ciento, de las tierras raras del mundo; el año pasado, esa cifra aumentó a 42.000 toneladas, o el 14 por ciento. Aun así, la demanda supera esos aumentos en la producción minera. En Estados Unidos, los altos costos y las estrictas regulaciones impiden la apertura de nuevas minas. Y existen preocupaciones profundas sobre la destrucción ambiental causada por las minas de tierras raras en China y en otros lugares.

«Va más allá de la escasez», dijo Lewis, de Northeastern, el otoño pasado. «Porque los métodos necesarios para procesar el mineral que sale de la tierra son realmente peligrosos para el medio ambiente, yo diría que incluso perjudiciales».

Con escasa producción estadounidense, incluso los metales de tierras raras extraídos en Estados Unidos deben enviarse a China para su posterior procesamiento.The Washington Post via Getty Images

La tetrataenita puede mitigar esos problemas. Sus metales base, hierro y níquel, son dos de los metales más abundantes en la Tierra. Son los elementos estándar en el acero inoxidable, por ejemplo. Ambos son más baratos y más fáciles de extraer de la Tierra que las tierras raras, con repercusiones ambientales menos severas.

La tetrataenita también podría permitir a los productores evitar una etapa crucial de procesamiento requerida para purificar los metales después de separarlos de otros minerales en la mina. Esa etapa se realiza casi en su totalidad en China, que controla el 87 por ciento del procesamiento mundial de tierras raras. China domina tanto la minería como el procesamiento de las tierras raras que en 2018, el Congreso de Estados Unidos ordenó al Pentágono dejar de comprar imanes de neodimio fabricados en China. El año pasado, varios senadores estadounidenses propusieron una legislación adicional que impediría que cualquier contratista de defensa obtuviera tierras raras de China para 2026.

«Si estamos en confrontación con Pekín, pueden detener el suministro», dice Ariel Cohen, del Atlantic Council, quien señala que Estados Unidos actualmente importa el 95 por ciento de sus compuestos y imanes de tierras raras. «Toda la cadena de suministro debe fortalecerse en Estados Unidos», dice. «Entonces, si en general el proceso [para la tetrataenita] es económico y más seguro o ambientalmente mejor, ¿por qué no?»

Subrayando la importancia, el Departamento de Defensa de Estados Unidos otorgó a Mountain Pass una subvención de $35 millones en 2022 para que pudiera comenzar a procesar tierras raras en California, evitando por completo a China. Esto se suma a los $9.6 millones que el Pentágono proporcionó en 2020 para aumentar la producción de la mina. MP Materials también está construyendo una instalación de fabricación en Fort Worth, Texas, que, según dice, producirá suficientes imanes permanentes cargados con tierras raras para 2025 para alimentar a 500.000 motores de vehículos eléctricos, una cantidad que podría alimentar cada vehículo eléctrico nuevo comprado en el país.

Aún queda mucho por hacer para satisfacer la creciente demanda en Estados Unidos y a nivel mundial. Con las patentes en mano, los equipos dirigidos por Greer y Lewis están trabajando para convertir sus descubrimientos en cantidades significativas de tetrataenita producida en masa. No será fácil. Lo mejor que ambos equipos pueden hacer ahora es producir cantidades mínimas, que aún deben ser verificadas por completo, en sus pequeños laboratorios. A continuación, deben desarrollar un proceso de fabricación capaz de producir tetrataenita de manera constante y a gran escala. Greer reconoce que es probable que falten años. «Nuestra investigación en curso ha demostrado lo difícil que es hacer tetrataenita», dice.

Uno de los mayores obstáculos que enfrentan es encontrar una forma de lidiar con las temperaturas. A temperaturas por encima de varios cientos de grados, a los átomos de hierro y níquel les gusta moverse. (Esto es lo que le otorgó a hierro meteórico su maleabilidad, haciéndolo popular entre las sociedades antiguas y los faraones egipcios que blandían dagas). Pero a medida que las aleaciones de hierro y níquel se enfrían, los átomos en su interior se vuelven menos móviles y, por lo tanto, menos propensos a organizarse en la estructura tetragonal que crea la tetrataenita magnética. La fabricación del material a gran escala requerirá que los investigadores aceleren drásticamente la manera en que los átomos de hierro y níquel se organizan en esa estructura tetragonal estable y permanezcan fijos en su lugar a medida que los metales se enfrían a las temperaturas ambiente.

Eso es solo la mitad del desafío. Los imanes permanentes hechos de tierras raras deben resistir altas temperaturas, a veces por encima de 149 grados Celsius en motores de vehículos eléctricos, por ejemplo. Pero calentar la tetrataenita a esos niveles descompone los enlaces entre los átomos, colapsando la estructura tetragonal que le otorga al material sus impresionantes propiedades magnéticas.

«El desafío real no está en crear la estructura tetragonal o lograr que los átomos se organicen de la manera deseada, sino mantenerlos en ese estado mientras se trabaja en el mundo real», dice Lograsso.

Si alguno de los equipos de investigación logra superar con éxito esos obstáculos, sería un avance monumental, uno que podría reorganizar la cadena de suministro global. Los países sin sus propios depósitos de tierras raras podrían obtener más fácilmente los materiales necesarios para alimentar computadoras, vehículos eléctricos, turbinas eólicas y tecnología militar. Sería un impulso para el movimiento de energía verde, al tiempo que frenaría el daño ambiental causado por la minería y el procesamiento de tierras raras.

Si la tetrataenita podría ser ese material heroico sigue siendo una pregunta abierta. Pero si podemos aprovechar la magia de los meteoritos, podríamos descubrir que expandir el grupo de imanes permanentes no proviene de excavar minas más grandes, sino de un metal espacial producido aquí mismo en la Tierra.

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