Alternatieven voor schaarse aardmetalen

AMSTERDAM - Slimheid gaat een heel eind komen bij de vervanging van 'zeldzame' aardmetalen. Er is een scala van veel alledaagser alternatieven in de maak voor zulke metalen, die niet zozeer zeldzaam zijn als wel moeilijk te isoleren en afkomstig van een paar monopolisten.

Die alternatieven zouden een einde kunnen maken aan de groeiende vrees dat voor talloze hightechtoepassingen van zeldzame aarden, van displays en leds tot batterijen en compacte magneten in elektromotoren en generatoren, niet genoeg grondstoffen voorhanden zullen zijn, of de aanvoer te onzeker.

Die vrees is reëel sinds China in 2010 de uitvoer van neodymium naar Japan tijdelijk opschortte. China bezit ongeveer de helft van alle wereldvoorraden zeldzame aardmetalen, is de schatting, met Brazilië als een goede tweede. De winning is grof en smerig.

Vrijdag publiceerde het wetenschappelijke tijdschrift Science liefst drie verschillende nieuwe katalysatoren voor de zogeheten hydrogenering van organische verbindingen. Zulke chemische reacties, waarbij waterstofatomen in moleculen worden verplaatst, verlopen van nature uiterst moeizaam. In de buurt van metalen als palladium of ruthenium gaat dat opeens veel vlotter, weten chemici allang.

Hoewel formeel geen zeldzame aardmetalen, zijn de goedkope voorraden van bijvoorbeeld palladium beperkt. In Science laten groepen uit Duitsland, Canada en de VS op drie manieren zien dat goedgekozen nanoverbindingen van ordinair ijzer of kobalt misschien zelfs effectiever zijn.

Drie alternatieven tegelijk in dezelfde Science is een teken dat er werkelijk iets aan het veranderen is in de wereld van de materialen, zegt de Delftse materiaalkundige Erik Offerman. Recentelijk organiseerde hij een internationale conferentie over schaarse materialen, waar hij vooral probeerde uiteenlopende disciplines bij elkaar te brengen.

Recycling

'Rationeel gebruik van materialen gaat over de hele keten, van erts tot recycling', zegt Offerman. 'Dat vergt kennis uit allerlei vakgebieden, kennis die nog niet veel gecombineerd wordt.'

Nieuwe trends zijn er genoeg. In Japan wordt inmiddels serieus werk gemaakt van recycling. Autofabrikant Honda peutert gebruikte nikkel-metaalhydride batterijen tot op het element weer uit elkaar. In Kosaka staat een recyclingfabriek waar zeventien zeldzame aarden uit elektronisch afval gescheiden kunnen worden.

In de elektrotechniek worden intussen de eerste elektromotoren en generatoren zonder zeldzame aardmetalen ontworpen. Daarin worden permanente magneten van ingewikkelde gesinterde metaalverbindingen vervangen door elektromagneten.

In de regel zijn zulke systemen minder compact, maar ook weer niet onwerkbaar. Onder andere Tesla Motors, Hitachi en BMW werken hieraan. Het zijn belangrijke markten, zeker met de opkomst van de elektrische auto en de explosief groeiende windturbine-industrie, denkt Offerman.

Zelf doet hij onderzoek naar de toepassing van calcium als vervanging voor een hele reeks zeldzame aardmetalen in constructief en hittebestendig magnesium. Een collega rekent aan aluminium met alternatieve bijmengingen.

Dat sluit aan bij ontwikkelingen in de VS, waar sinds 2011 het Materials Genome Initiative bestaat, een pot geld voor onderzoek naar alternatieve materialen. Een substantieel deel daarvan gaat niet naar laboratoria voor experimenten, maar naar rekencapaciteit. Met grote computersystemen worden modellen gemaakt die moeten voorspellen van welke combinaties van overvloedige elementen eigenschappen te maken zijn die lijken op wat zeldzame aardmaterialen van nature doen.

Offerman werkte mee aan het opstellen van een roadmap voor een Europees onderzoeksprogramma, maar dat is er nog niet van gekomen. Hij betreurt dat.

Terwijl, zegt hij, op termijn de alternatieven echt wel te vinden zullen zijn. Offerman: 'Het zijn de hightechtoepassingen die begrijpelijk de meeste aandacht krijgen. Maar ik schat eerlijk gezegd dat het in de bulkindustrie, waar deze schaarse materialen door het volume een rol spelen, nog belangrijker wordt. In een dure laser of back-lit screen maakt een prijsverhoging door een duurdere grondstof niet zoveel uit. In de bulkchemie of de velgen van een auto wel.'

Na de incidenten met monopolist China in de VS en Australië zijn de laatste jaren nieuwe mijnen geopend (of oude heropend) die belangrijke metaalertsen leveren. Begrijpelijk, maar niet ideaal, zegt Offerman. 'Het gaat niet alleen om voorraden, maar ook om het niet duurzame karakter van de productie. Smerig en verspillend. Als het eleganter kan, moeten we dat als moderne samenleving gewoon doen, lijkt me.'

undefined