一台巨大的风力涡轮机——能够将微风转化为 200 万瓦的电力——拥有 40 米长的玻璃纤维叶片，塔高 90 米，重达数百吨，并且从根本上依赖于大约 300 公斤被称为钕的柔软银色金属——一种所谓的稀土。
这种元素构成了涡轮机中使用的磁铁的基础。“大型永磁体使发电机成为可能，”材料科学家、美国能源部 (DoE) 艾姆斯实验室主任亚历克斯·金解释说。艾姆斯实验室于 1940 年代开始作为曼哈顿计划的一部分制造稀土磁铁。磁铁越强，发电机就越强大——而钕等稀土元素构成了最强大的永磁体的基础。
在现代世界，稀土的应用远不止于磁铁。稀土跨越 17 种元素——从镧到镥，加上钪和钇——它们被用于计算机、屏幕、超导体、炼油厂、混合动力或电动汽车、催化转化器、紧凑型荧光灯泡、发光二极管、激光器、扬声器和麦克风、手机、核磁共振成像仪、电信、电池电极、先进武器系统、抛光玻璃，甚至用于运行汽车车窗的电动机。“五角大楼使用的任何军事系统都包含稀土，”金指出，从艾布拉姆斯坦克到雷达系统。
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强大的吸引力
但是，在很大程度上，磁铁推动了钕和镝等稀土需求的增长——根据《科学》杂志发表的一项分析，每年增长 15%。当然，磁铁是发电的关键，而电是使用更清洁能源的关键——无论是风力涡轮机还是电动汽车。
在这些设备的核心是当今最强大的磁铁——钕、铁和硼的混合物，可以产生高达 60 兆高斯-奥斯特（一种磁强度单位）的能量积。相比之下，典型的铁磁体的能量积仅为 4 兆高斯-奥斯特，而冰箱磁体通常仅为 0.5 兆高斯-奥斯特。“磁铁越强，磁铁就可以越小，”通用电气高温合金和加工实验室的经理 Luana Iorio 解释说。
幸运的是，这些元素“既不稀有也不是土”，就像土壤一样（尽管可以在那里找到它们），金补充说。这个名字来源于它们在 18 世纪末在瑞典于特比附近发现的矿石中首次被发现时的稀缺性。不幸的是，“发现经济上可提取的合理浓度是相当罕见的。”
目前的情况是，每年生产的 124,000 吨钕、镝（这个名字的意思是“难以获得”）和其他重要的稀土元素中，有 97% 来自一个地方：中国。“当对钕的需求开始上升时，部分原因是风力涡轮机和混合动力汽车，中国人是唯一剩下的供应商，”金说。而且，对稀土的需求持续超过供应，特别是由于中国实施了出口配额。
因此，目前正在寻找更好的稀土使用方法，以及更好的开采方法，也许更重要的是，清洁地分离稀土以供使用。
关键一环
在中国包头市 190 公里外的黄河岸边，巨大的废料池给景观留下了伤疤。从太空可见，内蒙古的白云鄂博铁矿是世界上最大的稀土来源地，而向其供应稀土的中国公司使用酸将它们从矿石中溶解出来，这些矿石通常还含有钍、镭甚至铀等放射性元素。用强酸进行密集的煮沸——由于元素在化学上非常相似而重复数千次——最终分离出钕、镝或铈。
如此困难的生产过程是美国不再开采稀土的原因之一。直到 1990 年代，美国还是稀土的主要供应商，主要来自加利福尼亚州山隘的一个矿场，该矿场由石油公司优尼科所有，该公司现在是雪佛龙的一部分。优尼科在 2002 年关闭了该矿场和加工厂，因为他们无法与中国在 1990 年代开始涌入市场的更纯净产品竞争。优尼科“认为不需要高纯度产品，”化学家约翰·伯巴解释说，他是 Molycorp 的首席技术官，该公司希望在山隘矿重新开始稀土生产。
此外，这些运营并不完全环保。“在 1990 年代，该工厂每分钟将 850 加仑的废水通过管道排入蒸发池，”伯巴指出。“由于他们使用的化学物质，这是一种糟糕的混合物。”此外，山隘的稀土与放射性钍混合在一起，需要特别小心地处理和处置。
由于它们的化学相似性，所有稀土元素都难以分离——而且它们永远不会单独存在。“稀土的挑战在于它们总是同时出现，”通用电气的 Iorio 解释说。“将它们彼此分离需要加工成本。”
尽管如此，中国海洋石油总公司 (CNOOC) 还是想在 2005 年收购优尼科及其在加利福尼亚州的稀土资产，据伯巴称，美国军方阻止了这一举动。现在 Molycorp 希望在 2012 年使用一种新工艺重新开始运营，这将需要 Molycorp 以 5 亿美元的成本基本上重建整个运营。该工艺采用强酸和强碱来分离稀土——即所谓的氯碱溶剂萃取法——但它仍然不会产生纯稀土；相反，它将产生铈、镧、镨和钕的氧化物。
本质上，山隘将成为一家化工厂，从现场天然气锅炉中吸取电力和蒸汽。此外，该过程的废水将被回收以生产重新开始该过程所需的强酸和强碱——盐酸和氢氧化钠。“采矿只是我们运营的一小部分，”伯巴说，并指出采矿含有稀土的矿石仅占他公司成本的 10%。“我们所做的大部分是先进化学。”
当然，仍然会有副产品——例如采矿和分离产生的残留矿石或尾矿，以及化学过程产生的碳酸钙、碳酸镁和氢氧化镁，以及讨厌的钍。但是，氯碱过程产生的主要盐是氯化钠（也称为食盐），它将被回收利用到该过程中，利用现场产生的一些蒸汽，并使用氯碱装置制造新的酸和碱。“这是一个巨大的盐水循环，”伯巴解释说。“我们的用水量是该场地历史上用水量的 10% 或更少。”
到明年，该场地希望每年生产 270 万公斤稀土氧化物——使用液体离子交换工艺从矿石中分离元素。到 2015 年，他们希望达到全面生产，每年生产 1800 万公斤各种稀土氧化物。“我们拥有超过 30 年的采矿能力，每年 4000 万磅，”伯巴说。
但这仅占目前全球市场的 6%，而全球市场仍在增长。美国政府问责办公室估计，需要 7 到 15 年的时间才能找到新的稀土矿藏，建立加工基础设施，并使它们可供制造商使用。“这不像出去淘金，”伯巴指出。“这种加工需要大量的化学加工。你必须有良好的基础设施。”
地质学家在澳大利亚、加拿大、蒙古、越南甚至格陵兰岛都发现了矿藏，并且还在努力开始开采当今大量废弃电子产品中的矿藏。“在二手产品中有很多稀土材料；从那个城市矿山中提取将是可行的，”艾姆斯实验室的金争辩道，该实验室也有科学家正在研究更好的提取方法，例如从矿石或旧发电机中提取钕。“回收肯定会是解决这个问题的重要组成部分。”
但在可预见的未来，中国将继续主导稀土生产——并且拥有世界上最大的储量，几乎是其北部和西部的邻国（独立国家联合体，该组织是苏联解体后由前苏联共和国组成的）的两倍，是美国储量的三倍。中国是镝的唯一生产国，镝对于美国军方和混合动力汽车制造商青睐的耐热磁铁至关重要。
材料挤压
今年秋天，中国据报道因外交纠纷而切断了对日本汽车制造商和其他用户的稀土供应，世界开始意识到这种主导地位的危险。毕竟，到 2005 年，所有美国钕铁硼磁铁制造商（由通用汽车研究人员在 1980 年代初发明）都已关闭。但是，即使在中国展示其市场主导力量之前，许多科学研究人员一直在研究如何通过制造更好的磁性材料来减少稀土的使用——甚至完全不使用稀土。
磁性来自某些元素的原子核周围轨道上的电子。当原子以某种方式排列时，就会产生强大的磁场。像铁或钕这样的磁性元素通常会以这种方式排列，从而产生永久磁场。
但是，通过调整这种排列——使用其他材料将其分隔开或将其嵌入到纳米级的晶格复合材料中（一纳米是十亿分之一米）——科学家们可以潜在地成倍增加这些磁铁的强度：磁铁越强，您需要的磁铁就越少。“大约 15 年来，一直有理论认为，如果你有一个非常受控的纳米结构磁铁，你可以将它的强度提高一倍，”通用电气的 Iorio 说。“如果你可以将强度提高一倍，你可以使用更小的磁铁并获得相同的性能——或者具有相同的大小并获得更高的性能。”这也意味着通用电气可以在金属材料上花费更少；该公司目前每年花费约 40 亿美元购买金属和合金。
通用电气获得了美国能源部 ARPA-E 项目 220 万美元的奖励，用于开发散装此类纳米复合材料磁铁，以期将稀土元素的使用量减少 80%。挑战在于使如此微小的微结构稳定——并在更大的、散装的规模上可重复。但是，Iorio 说，在两年内，“我们将拥有一个足够大可以放在你手掌中的磁铁。可以 [贴在] 你冰箱上的东西。”
2009年10月，美国能源部高级研究计划署（ARPA-E）也向特拉华大学的物理学家乔治·哈吉帕纳伊斯领导的团队提供了440万美元的资助，用于创建一种钕铁硼磁体的纳米结构版本，该版本可以减少对钕的需求。其秘诀在于：将其与较软的磁性材料混合，这些材料仅在暴露于磁场时才保持磁性。“钕铁硼纳米粒子很难制造，因为它们非常活泼，”哈吉帕纳伊斯说，此外，它们也很难在给定的纳米结构中对齐。“很难获得对齐的磁性材料，”他补充说。“我的挑战是制造更大数量的这些纳米粒子，确保保护它们，并找到一种组装它们的方法。”
与此同时，哈吉帕纳伊斯正在研究是否可以使用更广泛可用的稀土作为替代品，或者是否可以制造不使用任何稀土元素的强大磁体，例如铁钴合金。“任何能出来的东西，我们都会接受，”他在寻找钕替代品时说，尽管已知唯一与稀土一样强的合金由铁和铂组成，但铂太昂贵，无法在商业上竞争。“当你找到某种东西时，需要5到10年才能将其商业化。我预计未来15到20年内不会出现无稀土材料。”
这意味着稀土带来的材料挑战不会很快解决，特别是在更多的风力发电场覆盖陆地、紧凑型荧光灯泡和发光二极管大量普及以及越来越多的混合动力或电动汽车上路的情况下。“有一些材料危机，例如全球对铬的需求，很容易解决——我们只是停止在汽车上使用铬，”金指出。“这个问题没那么容易解决。”