Un equipo encabezado por Worcester Polytechnic Institute recibió US$3,3 millones para investigar procesos bioinspirados capaces de recuperar elementos críticos desde cenizas de carbón, relaves y otros residuos industriales. La iniciativa combinará inteligencia artificial, biotecnología, geoquímica y procesamiento de materiales durante cinco años.
Las enormes acumulaciones de cenizas de carbón y otros residuos industriales podrían convertirse en una fuente secundaria de tierras raras si una nueva línea de investigación logra trasladar al procesamiento de minerales mecanismos que organismos naturales utilizan para capturar y transformar elementos químicos.
El proyecto es encabezado por Worcester Polytechnic Institute (WPI), en Estados Unidos, y recibió un financiamiento de US$3,3 millones de la National Science Foundation (NSF). El programa tendrá una duración de cinco años y contempla dos fases de investigación, con participación de especialistas de George Mason University, University of California San Diego, University of Massachusetts Amherst y University at Buffalo.
El objetivo no consiste únicamente en recuperar tierras raras. Los investigadores buscan desarrollar un esquema que permita aprovechar una proporción mucho mayor de residuos ricos en silicio, separando minerales estratégicos y transformando simultáneamente otros componentes en materiales con potencial comercial.
Entre las materias primas que serán estudiadas aparecen las cenizas de carbón, lodos rojos provenientes del procesamiento de aluminio, relaves mineros, escorias metalúrgicas, residuos de hormigón y vidrio descartado. Todos ellos comparten un problema: pueden contener elementos de interés económico, pero su baja concentración y compleja mineralogía dificultan una recuperación rentable mediante procesos convencionales.
Inteligencia artificial para diseñar biomoléculas
Uno de los componentes centrales del proyecto será utilizar inteligencia artificial y modelamiento computacional para diseñar biomoléculas especializadas y anticipar cómo interactúan con materiales industriales ricos en silicio.
La estrategia toma como referencia procesos presentes en diatomeas, esponjas marinas y determinadas plantas, organismos capaces de capturar formas disueltas de silicio y construir estructuras de sílice bajo condiciones relativamente moderadas.
El desafío científico consiste en reproducir y adaptar esos mecanismos para descomponer componentes ricos en sílice, liberar tierras raras y otros minerales críticos atrapados en la matriz y posteriormente reconstruir o transformar el silicio en productos aprovechables.
La inteligencia artificial tendrá un papel de acelerador experimental. En lugar de evaluar mediante ensayo y error grandes cantidades de moléculas y combinaciones químicas, los modelos computacionales permitirán seleccionar candidatos con mayor probabilidad de interactuar de manera efectiva con los residuos.
El trabajo combinará biología, geoquímica, ciencia de materiales, metalurgia, ingeniería, química computacional e inteligencia artificial.
Cenizas de carbón como recurso mineral secundario
La magnitud potencial del recurso explica el interés por estas tecnologías.
Las estimaciones utilizadas en el proyecto apuntan a que los depósitos de cenizas de carbón en Estados Unidos contendrían alrededor de 11 millones de toneladas de elementos de tierras raras, con un valor estimado de US$8.400 millones. La cifra corresponde al contenido potencial de estos elementos en los residuos y no implica que todo ese volumen pueda recuperarse técnica o económicamente.
Ese último punto será determinante. La existencia de tierras raras dentro de una corriente residual no convierte automáticamente al material en una reserva económicamente explotable. Concentración, mineralogía, consumo de reactivos, recuperación metalúrgica, separación de elementos individuales, energía y costos de tratamiento condicionan cualquier eventual desarrollo industrial.
Estudios recientes sobre carbón y cenizas en Estados Unidos también han mostrado que el valor económico puede concentrarse especialmente en elementos utilizados para fabricar imanes permanentes, como neodimio, praseodimio, terbio y disprosio. En investigaciones sobre la región estadounidense de la Costa del Golfo, estos elementos representan una fracción significativa del valor potencial de las tierras raras presentes en el material.
Recuperar minerales sin desperdiciar el resto
La propuesta de WPI busca abordar una dificultad habitual en el tratamiento de residuos: recuperar un componente valioso dejando nuevamente grandes cantidades de material sin utilización.
Por eso, el programa estudiará un concepto de aprovechamiento integral. Además de liberar tierras raras y minerales críticos, pretende transformar el silicio recuperado en materiales que puedan destinarse a aplicaciones como hormigón, vidrio, cerámicas y productos derivados del silicio.
La investigación estará dirigida por Mingjiang Tao, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Civil, Ambiental y Arquitectónica de WPI. Carrick Eggleston trabajará en las reacciones relacionadas con disolución y reconstrucción de silicatos, incluyendo procesos de repolimerización, carbonatación y formación de vidrio, mientras Yan Wang encabezará el desarrollo de procesos bioingenieriles orientados a la recuperación de minerales críticos.
El programa también deberá determinar si estas tecnologías pueden trasladarse desde experimentos controlados hacia sistemas económicamente viables a escala industrial.
La biominería ya muestra resultados en tierras raras
La utilización de proteínas y sistemas biológicos para separar tierras raras no parte desde cero.
Investigaciones anteriores han probado proteínas bioingenierizadas como adsorbentes selectivos para recuperar estos elementos desde cenizas volantes de carbón. Un estudio publicado en 2024 utilizó polipéptidos similares a elastina diseñados para capturar tierras raras y posteriormente separarse mediante cambios de temperatura.
En esos ensayos, el material mantuvo aproximadamente 95% de su capacidad inicial de unión después de cuatro ciclos de reutilización. Bajo soluciones simuladas de baja concentración, el sistema también consiguió incrementos de hasta 100.000 veces en la pureza de tierras raras recuperadas.
Son resultados de laboratorio y no equivalen todavía a una operación metalúrgica comercial, pero muestran por qué la biosorción, la bioingeniería y el diseño molecular están ganando espacio dentro de la investigación sobre minerales críticos.
La dificultad está en trasladar esa selectividad a residuos industriales reales, donde las tierras raras aparecen mezcladas con numerosos elementos competidores y en concentraciones que pueden ser reducidas.
Un nuevo frente para los residuos mineros
Para la industria minera, el proyecto forma parte de una tendencia más amplia: considerar relaves, escorias, cenizas y otros pasivos no solamente como materiales que deben almacenarse, sino también como posibles recursos minerales secundarios.
El atractivo aumenta en el caso de las tierras raras porque su demanda está vinculada a motores eléctricos, generación eólica, electrónica avanzada, sistemas de defensa y tecnologías que utilizan imanes permanentes de alto desempeño.
Sin embargo, la investigación estadounidense recién comienza una etapa de cinco años. Antes de hablar de una alternativa comercial será necesario demostrar recuperación, selectividad, estabilidad de las biomoléculas, capacidad de reutilización, consumo energético, tratamiento de grandes volúmenes y costos competitivos.
Si esas barreras pueden superarse, la combinación de inteligencia artificial, biotecnología y metalurgia extractiva podría abrir una ruta adicional para obtener minerales críticos desde materiales que actualmente permanecen almacenados como residuos. Para una industria que enfrenta simultáneamente presión por asegurar nuevas fuentes minerales y reducir su huella ambiental, convertir pasivos industriales en materias primas vuelve a instalarse como uno de los campos tecnológicos que vale la pena observar.
