La necessità dei metalli e minerali ''hi-tech'' critici

C’è una serie di materie prime che è considerata di importanza strategica per l’economia della transizione ecologica Europea, ma che presenta notevoli rischi per l'approvvigionamento a causa del monopolio cinese su queste risorse. Infatti, la Cina, che detiene la maggior parte dei giacimenti, ha immesso sul mercato notevoli quantità di tali elementi per anni. Questo sia perché la sua economia al tempo non ne necessitava sia per diminuirne il valore sul mercato internazionale. Ha poi investito nell’acquisto di molte miniere fuori dei suoi confini e alla fine ha alzato di dieci volte il loro prezzo, assorbendone, inoltre, una maggiore quantità per via del suo boom economico, creando così una precarietà cronica di approvvigionamento per gli altri paesi.

Da qui la necessità di tutti i paesi compratori di muoversi per cercare queste risorse anche all’interno dei loro confini. Ma di cosa si tratta? Queste risorse vengono definite “metalli critici” e sono necessari per i prodotti “hi-tech”. Tuttavia solo pochi di questi elementi sono attualmente estratti da giacimenti all'interno dell'UE.

Delle 20 materie prime identificate come critiche dalla Commissione Europea ci sono gli elementi del gruppo delle terre rare pesanti (HREE); elementi di terre rare leggere (LREE); niobio (Nb); fluorite (CaF₂) e fosfati (PO₄^2-). Altri elementi che sono sempre più importanti per applicazioni "hi-tech” includono afnio (Hf), tantalio (Ta), scandio (Sc) e zirconio (Zr). 

I rapidi sviluppi tecnologici sono una caratteristica della vita moderna e dipendono dalla fornitura di un numero crescente di queste materie prime necessarie per produrre telefonini, luci led, computer e tanti altri prodotti di ampio consumo. Uno degli usi più importanti e in crescita è nei magneti permanenti, in particolare i magneti Nd-Fe-B, che sono ampiamente utilizzati in applicazioni come dischi rigidi, altoparlanti, motori di turbine eoliche e auto elettriche. Nd è il più importante dei REE per i magneti, ma vengono utilizzati anche Dy, Tb e Sm. Le REE sono utilizzate anche in quantità nei catalizzatori, led, vetri, ceramiche, batterie e leghe metalliche e sono fondamentali in numerose applicazioni mediche, aereonautiche, spaziali e, purtroppo, anche militari.

La maggiore possibilità di trovare giacimenti di questi elementi è legata alla presenza di un tipo di roccia, detta carbonatite, che presenta le maggiori probabilità di essere adatta per l'estrazione dei metalli critici rispetto a qualsiasi altro tipo di roccia. Infatti, e non a caso, la maggior parte delle miniere attive di questi elementi si trova proprio nelle carbonatiti. Queste ultime sono rocce ignee abbastanza inusuali per la maggior parte dei petrologi. In Italia sono stato io,  esperto di carbonatiti, il primo studioso che le ha scoperte e studiate dedicandoci tutta la mia carriera di ricercatore cosi come si evince da questa pubblicazione in materia. Da qui l’impegno da alcuni anni ad individuare giacimenti utili in Italia. Il gruppo di ricerca di cui sono leader comprende giovani ricercatori che investigano i vari minerali che contengono metalli critici (es. pirocloro, perovskite, hellandite, gadolinite, brockite, minerali del gruppo dell’apatite e del gruppo dell’epidoto e tanti altri ancora) ed affioramenti che potenzialmente sono buoni candidati per estrarre questi minerali in Italia.

I lavori pubblicati sulle principali riviste scientifiche internazionali ci hanno consentito di vincere un H2020, insieme con un ampio gruppo di importanti ricercatori europei ed internazionali, che ha dato un forte impulso alla ricerca portandola vicino a una fase applicativa. Per questo motivo, abbiamo iniziato a collaborare con industrie minerarie ed a studiare come concentrare e separare questi elementi in maniera sostenibile, limitando l’inquinamento.

Ma quali sono le caratteristiche specifiche di utilizzo dei metalli critici?

Il niobio (Nb) è un superconduttore con temperature di fusione molto elevate e un'elevata resistenza alla corrosione. È quindi ampiamente utilizzato nelle leghe, in particolare per la produzione di acciai ad alta resistenza impiegati nelle carrozzerie di veicoli, scafi di navi, motori a reazione e infrastrutture petrolifere e del gas. Le leghe di niobio sono utilizzate anche nei magneti superconduttori, necessari per le apparecchiature di imaging medico.

La fluorite (CaF2) si usa ampiamente per produrre acido fluoridrico, una materia prima per un'ampia gamma di processi chimici e come flusso nella produzione di acciaio e alluminio. L'acido fluoridrico è vitale per la produzione di molti fluorochimici utilizzati come refrigeranti, rivestimenti antiaderenti, propellenti e anestetici.

Il fosfato è principalmente impiegato nella produzione di fertilizzanti, sebbene abbia anche una vasta gamma di applicazioni industriali.

Altri metalli associati a rocce carbonatitiche includono scandio (Sc), tantalio (Ta), zirconio (Zr) e afnio (Hf). Sebbene l'uso di Sc sia principalmente nelle leghe di alluminio ad alta resistenza e per l'illuminazione, i nuovi progressi nella conversione da gas a energia vedranno un aumento significativo della domanda di questo elemento nel prossimo futuro. Il Ta trova impiego principalmente nella produzione di condensatori, per la sua capacità di trattenere una carica elettrica e per l'elevato intervallo di temperature in cui può operare; tali condensatori sono una componente importante dei telefoni cellulari. Viene anche utilizzato nelle leghe, in particolare quelle per applicazioni ad alta temperatura e sollecitazioni elevate come pale di turbine a gas e usi militari. Zr è particolarmente importante per l'uso nell'industria nucleare e chimica, principalmente come lega per tubi e altri raccordi, ma è anche utilizzato nei magneti superconduttori e nelle ceramiche ultraresistenti. Hf è richiesto nell'industria nucleare, nelle barre di controllo dei reattori nucleari, nelle apparecchiature elettroniche e negli usi medici. Si prevede che l'uso di Hf crescerà rapidamente e il fabbisogno di Hf di aziende europee come Nanobiotex o Siemens ne è testimone.

In termini di approvvigionamento, solo il 9% circa di tutta la fornitura di materie prime è prodotta direttamente nell’Unione Europea, mentre per le venti materie prime critiche, questa quota scende sotto al 3%. Ad eccezione, infatti, dell’esplorazione in alcune parti del Nord Europa, i metalli critici associati alle rocce alcaline e alle carbonatiti non vengono prodotti in UE. In Italia, fino a pochi anni fa, non erano noti depositi primari di tali minerali, ma la presenza di abbondanti rocce vulcaniche di composizione carbonatitica indica la probabilità che esistano depositi a profondità moderate sotto la superficie. A tal proposito è in corso un progetto di esplorazione dei giacimenti laziali e dei giacimenti del Vulture in Basilicata. Tra i giacimenti laziali abbiamo scoperto un ampio e sfruttabile deposito di fluorite.

I depositi di fluorite sono solitamente associati all'interazione a bassa temperatura tra i fluidi derivati dalla carbonatite e le acque sotterranee. Essi potrebbero contenere il 5% delle riserve europee. Al momento però con le tecniche estrattive a disposizione queste risorse hanno un potenziale sub-economico, ragione per cui stiamo studiando sistemi per concentrarle e rendere i giacimenti economici. L'attività idrotermale tardiva nelle rocce carbonatitiche può concentrare ulteriormente tutti questi metalli ma può anche creare una mineralogia complessa che è difficile da elaborare. Tant’è vero che con le nostre ricerche stiamo identificando specie mineralogiche contenenti quantità significative di REE e altri metalli critici, che necessitano ancora di uno studio attento per la loro caratterizzazione e nomenclatura.

Tutti questi depositi di minerali sono tipicamente associati alle parti più profonde del sistema igneo carbonatitico (la camera magmatica). Tuttavia, in molte aree, le camere magmatiche non sono esposte in superficie. Serve quindi localizzare la profondità di questi giacimenti per verificare se sono raggiungibili per essere estratti e comprendere i legami tra rocce superficiali e depositi mineralizzati più profondi.

I metalli critici ci potrebbero consentire di produrre energia in maniera più efficiente e risparmiando l’uso di fonti fossili ma è necessario che la loro estrazione e il loro impiego sia sostenibile e non produca inquinamento. La sfida più importante è provare a lasciare ai giovani un mondo in cui si possa fare a meno dei combustibili fossili, purché le alternative a queste ultime possano essere sostenibili da un punto di vista ambientale.