O abandono dos combustíveis fósseis e a adoção de tecnologias de baixo carbono são nossas melhores opções para afastar a ameaça acelerada das mudanças climáticas. O acesso a elementos de terras raras, ingredientes essenciais em muitas dessas tecnologias, determinará, em parte, quais países atingirão suas metas de redução de emissões ou de aumento da proporção de eletricidade gerada por fontes não fósseis. Mas algumas nações, inclusive os EUA, estão cada vez mais preocupadas com a estabilidade do fornecimento desses elementos.
De acordo com a Agência Internacional de Energia, espera-se que a demanda por elementos de terras raras alcance de três a sete vezes os níveis atuais até 2040; a demanda por outros minerais essenciais, como o lítio, pode ser multiplicada por 40. O cumprimento do Acordo de Paris de 2016, segundo o qual as nações signatárias são obrigadas a reduzir as emissões para limitar o aumento da temperatura global, exigiria que o suprimento global de minerais quadruplicasse no mesmo período. No ritmo atual, o fornecimento está a caminho de apenas dobrar.
A obtenção de elementos de terras raras começa com a obtenção de materiais de origem, o que pode acontecer, em termos gerais, de três maneiras: extração primária ou mineração diretamente da terra; recuperação de fontes secundárias, como eletrônicos em fim de vida útil; e extração de fontes não convencionais, incluindo resíduos industriais como cinzas de carvão e produtos residuais de minas. Mas a China domina tanto o mercado — controlava 60% da produção global em 2021 — que outros países estão em desvantagem. Depois que o país anunciou restrições à exportação de gálio, germânio e grafite em 2023, as outras nações se esforçaram para encontrar fontes alternativas em antecipação a futuras restrições.
A extração primária nos EUA é limitada; apenas uma mina ativa, a Mountain Pass Rare Earth Mine and Processing Facility, na Califórnia, produz elementos de terras raras no país. A abertura de novas minas pode levar décadas. Como resultado, cientistas e empresas estão empenhados em aumentar o acesso e melhorar a sustentabilidade explorando fontes secundárias ou não convencionais.
Encontrando materiais críticos
Todos os 17 elementos de terras raras, com exceção de um, aparecem em uma lista de 50 “materiais essenciais” designados em 2022, o que significa que são economicamente importantes, mas vulneráveis à interrupção do fornecimento. Os 17 elementos, como o praseodímio (usado em motores de aeronaves), o gadolínio (usado em imagens de ressonância magnética) e o neodímio (usado em discos rígidos de computadores), incluem a “série de lantanídeos” — os 15 elementos com números atômicos de 57 a 71, próximos à parte inferior da tabela periódica — bem como dois elementos quimicamente semelhantes. O “raro” em “elementos de terras raras” não se refere à quantidade disponível, mas sim à sua ampla dispersão — é difícil encontrar uma quantidade economicamente significativa em um único local.
Uma fonte não convencional de elementos de terras raras é a cinza de carvão, o resíduo sólido resultante da queima de carvão em usinas elétricas. Historicamente, as cinzas de carvão costumam ser misturadas com água para formar uma pasta que é armazenada em lagoas (também chamadas de represas de superfície). Essa cinza, que contém concentrações elevadas de elementos de terras raras, pode ser uma fonte doméstica significativa de materiais em antigas cidades carboníferas dos EUA, que enfrentam desafios devido ao fechamento de usinas. Existem mais de 1.000 tanques de cinzas de carvão nos EUA, a maioria espalhada pela parte leste do país. Uma das maiores instalações, a Usina Barry, no Condado de Mobile, Alabama, contém mais de 21 milhões de toneladas de cinzas espalhadas por 600 acres.
Essas lagoas não são inofensivas; de acordo com a Agência de Proteção Ambiental dos EUA, o gerenciamento inadequado delas pode comprometer os cursos d’água (subterrâneas e potável) e o ar por meio de contaminantes como mercúrio, cádmio e arsênico. Um documento enviado pela Earthjustice, uma organização de direito ambiental sem fins lucrativos, e pela Earthworks, uma organização sem fins lucrativos focada na prevenção dos impactos destrutivos da extração de petróleo, gás e minerais, respondendo a uma solicitação de informações do Departamento de Energia dos EUA em 2023, observou que “91% das usinas de energia que armazenam resíduos de combustão de carvão (CCRs) poluem as águas subterrâneas subjacentes em níveis que excedem os padrões federais de água potável”. As lagoas também podem ser desestabilizadas durante eventos climáticos extremos, e a inundação resultante de material contaminado pode destruir a vida selvagem, danificar propriedades e ameaçar a saúde e a segurança da comunidade.
Uma startup, a Rivalia Chemical, acredita que o risco à saúde representado pelos tanques de cinzas pode ser resolvido com o reaproveitamento das cinzas para criar um suprimento doméstico de elementos de terras raras. Laura Stoy, a engenheira ambiental que fundou a Rivalia em 2021, diz que é motivada tanto por preocupações ambientais quanto pelo potencial de revitalização econômica.
Stoy começou a desenvolver a principal tecnologia da Rivalia durante a pós-graduação no Instituto de Tecnologia da Geórgia e agora está trabalhando para ampliá-la no programa Chain Reaction Innovations do Laboratório Nacional de Argonne. Em 2019, o instituto Georgia Tech apoiou a empresa iniciante no registro de uma patente (atualmente pendente) para sua tecnologia, para a qual a Rivalia detém uma licença exclusiva.
Essa tecnologia extrai elementos de terras raras das cinzas de carvão, deixando para trás uma solução rica nesses elementos e um sólido residual contendo ferro e outros metais. Por meio de etapas sequenciais de aquecimento e resfriamento, as terras raras são transferidas para um líquido iônico — um sal no estado líquido — por meio de um mecanismo de troca de prótons. Técnicas de redução à base de ácido e lixiviação à base de sal podem reduzir a quantidade de ferro na solução final, após o que as terras raras devem ser separadas para produzir metais puros ou óxidos. A Rivalia pode vender produtos primários para empresas que lidam com etapas de processamento subsequentes ou para fabricantes que usam terras raras, e vender sólidos residuais para produtores de concreto. Stoy diz que os esforços da Rivalia produzirão materiais que poderão ser usados em produtos mais limpos e fontes alternativas de energia. Além disso, eles poderiam ajudar a reduzir a pegada de carbono da produção de concreto, reaproveitando o resíduo sólido como substituto do cimento Portland, que é um ingrediente importante do concreto. (Para saber mais sobre isso, consulte “Os problemas mais difíceis do clima“).
A Rivalia prefere trabalhar com produtos residuais existentes em vez de carvão que ainda não foi queimado. Essa abordagem é arriscada; a extração de fontes não convencionais pode custar mais do que a mineração, dadas as baixas concentrações de elementos de terras raras e a maior concentração inicial de contaminantes tóxicos.
Ainda assim, diz Stoy, esse é um movimento estratégico em função da necessidade de diversificar o fornecimento. É também uma oportunidade de fazer uso de um material amplamente disponível com poucos usos alternativos e valor econômico significativo; o valor dos elementos de terras raras nas reservas de cinzas de carvão dos EUA foi estimado anteriormente em US$ 4,3 bilhões (com base nos preços de 2013) e provavelmente cresceu desde então. Como uma startup relativamente nova, a empresa ainda está na fase de P&D e, no momento, está concentrada na redução dos custos de extração.
A corrida para produzir elementos de terras raras internamente nos EUA é, pelo menos parcialmente, uma tentativa de descobrir como fazer isso de forma econômica; no entanto, é improvável que as empresas consigam reduzir suficientemente os custos de produção para competir apenas com base no preço. Os especialistas esperam que os consumidores estejam dispostos a pagar um prêmio, absorvendo parcialmente o aumento dos custos.
“Esperamos que haja um mercado para um material produzido internamente de maneira ambientalmente consciente e ética, respeitando os trabalhadores que produzem o material”, diz Evan Granite, gerente do programa de minério de carbono do Escritório de Energia Fóssil e Gerenciamento de Carbono do DOE.
Os órgãos reguladores começaram a abordar o problema das cinzas de carvão, portanto, as empresas iniciantes que esperam usar o material precisarão acompanhar de perto os desenvolvimentos em andamento. A EPA começou a regulamentar o gerenciamento de lagoas de cinzas de carvão em 2015, após derramamentos destrutivos em 2008 e 2014. Uma atualização recentemente proposta para a regra de 2015 exige que as lagoas mais antigas e inativas, que antes eram isentas, sejam cobertas ou escavadas.
De acordo com a regulamentação de 2015, a Earthjustice afirmou que o fechamento de lagoas por meio de uma tampa é insuficiente se elas estiverem a menos de um metro e meio do lençol freático e que, nesses casos, somente a escavação completa evitará danos futuros. Qualquer uma das opções — tamponamento ou escavação – tornaria as cinzas de carvão mais difíceis de serem acessadas por empresas como a Rivalia. Stoy diz que considera isso um motivo para agir de forma decisiva.
Stoy diz que teme a criação inadvertida de novos mercados para subprodutos do carvão, o que poderia prejudicar as ambições de energia limpa do país. Ironicamente, se os serviços públicos parassem de usar carvão, as fontes de materiais da Rivalia acabariam se esgotando. No entanto, ela ainda não está preocupada — mesmo na ausência de uma nova produção, os EUA têm atualmente 2 bilhões de toneladas métricas de cinzas, e muitos outros países parecem propensos a continuar queimando carvão no futuro próximo.
O manuseio de todas essas cinzas terá de ser feito com cuidado, diz Lisa Evans, advogada sênior do programa de energia limpa da Earthjustice. Evans afirma que, mesmo para as empresas motivadas pela esperança de limpeza, é necessária uma supervisão regulatória adicional para garantir que elas descartem os subprodutos de forma adequada. “O que tenho observado em tantos anos de observação do comportamento das indústrias é que elas não fazem nada que não lhes seja exigido”, diz ela, acrescentando que o governo também deve garantir que as comunidades recebam aviso adequado sobre as atividades de extração nas proximidades.
Modernizando a extração
Outra fonte não convencional de materiais essenciais são os rejeitos — os produtos residuais das próprias minas. A Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA) ainda não regulamenta os rejeitos das minas, embora eles sejam semelhantes às cinzas de carvão no que se refere aos riscos ambientais que representam, diz Evans, da Earthjustice.
A Phoenix Tailings é uma startup sediada em Massachusetts que extrai elementos de terras raras de locais de mineração. Dois dos fundadores da Phoenix, que cresceram em comunidades afetadas pela mineração, dizem que são motivados pela experiência pessoal, além da crescente demanda por elementos de terras raras.
Além das quatro terras raras usadas mais comumente em ímãs (neodímio, praseodímio, disprósio e térbio), a Phoenix recupera metais de bateria, metais do grupo da platina, ferros com baixo teor de carbono e outros materiais no que ela chama de “abordagem de portfólio” que melhora a viabilidade econômica. Assim como a Rivalia, a Phoenix reaproveita materiais residuais em concreto e outros agregados. Isso proporciona um armazenamento de longo prazo para materiais carbonáceos, reduzindo o impacto ambiental ao retê-los e evitar que acabem no abastecimento de água.
A Phoenix trabalha para modernizar a extração, reduzindo a quantidade de energia, equipamentos e financiamento necessários, diz o cofundador Anthony Balladon. “Desenvolvemos produtos químicos que são ajustados para as terras raras, em vez de tentarmos fazer força bruta para extraí-las”, diz ele.
Depois de obter um concentrado de óxido contendo as terras raras, a Phoenix usa técnicas de separação para extrair os produtos finais desejados. Em seguida, é feita a redução para produtos finais de metal e ligas usando eletrólise de sal fundido com haletos mistos, o que resulta em uma redução de 35% a 45% nos requisitos de energia. O diretor de tecnologia Tomás Villalón diz que o processo da Phoenix reduz a quantidade de material perdido inadvertidamente entre as etapas de processamento e melhora a pureza do produto final. Os fundadores da Phoenix também destacam a sustentabilidade do processo da empresa, que, segundo eles, não utiliza materiais perigosos e não gera emissões diretas de carbono. Atualmente, a empresa está produzindo metais de terras raras para clientes comerciais e espera produzir mais de 3.000 toneladas por ano de metais de terras raras acabados até 2026.
Villalón estima que a Phoenix estará ocupada por um longo tempo: pelo menos 10 bilhões de toneladas de rejeitos de minas são criados a cada ano a partir de novas atividades.
Aumento da demanda por ímãs
Algumas empresas buscam materiais reciclados em vez de resíduos de carvão como fonte de terras raras recuperáveis. A Noveon Magnetics — antiga Urban Mining — extrai materiais essenciais de ímãs comerciais descartados (de motores ou dispositivos médicos, por exemplo, ou de unidades de armazenamento usadas por data centers) ou daqueles retirados da cadeia de suprimentos devido a defeitos de fabricação ou obsolescência. A partir desses materiais, a Noveon fabrica novos ímãs sinterizados de neodímio e boro, componentes essenciais de geradores em turbinas eólicas e motores em veículos elétricos. A sinterização é uma operação que consiste na aglomeração e compactação de pós ou partículas muito pequenas, a altas temperaturas, mas abaixo da temperatura de fusão, para obter blocos ou peças sólidas.
De acordo com as projeções do DOE, a demanda dos EUA por esses ímãs de terras raras deve mais do que quadruplicar até 2050. Isso se deve, em parte, ao aprimoramento das tecnologias industriais, afirma o diretor comercial da Noveon, Peter Afiuny. “Bombas industriais, compressores, sistemas HVAC… 50% do nosso consumo de eletricidade está sendo acionado por esses motores. Se estivermos falando de neutralizar o carbono, precisamos atualizar esses sistemas e torná-los mais eficientes”, diz ele.
Há menos de 10 fabricantes de ímãs ativos fora da China; a Noveon é a única nos EUA. A Afiuny afirma que adquire todos os seus materiais no mercado interno.
A empresa produz um novo tipo de ímã de alto desempenho, que chama de “EcoFlux”, usando menos material do que as versões convencionais, diz Afiuny. Embora seja difícil que os ímãs reciclados tenham um desempenho tão bom quanto o de produtos não reciclados, Afiuny diz que a Noveon conseguiu a façanha combinando uma tecnologia proprietária que melhora a composição e as propriedades dos materiais magnéticos com sua tecnologia patenteada Magnet-to-Magnet, que pode reciclar até 99,5% dos materiais de entrada. Ele acrescenta que a Noveon tem vários clientes e produz em escala comercial em suas instalações no Texas. Ele diz que a empresa planeja produzir 10.000 toneladas por ano dentro de cinco anos.
Esses novos ímãs atendem aos mesmos tipos de clientes dos quais os materiais foram coletados, como empresas que usam motores para alimentar produtos eletrônicos de consumo e produtos médicos ou automotivos. O resultado é um ciclo de reutilização.
Essas fontes alternativas podem substituir as importações existentes? Em um artigo recente publicado na revista da Academia Nacional de Engenharia, The Bridge, os pesquisadores do DOE estimam que, para alguns materiais essenciais, como o germânio, as cinzas de carvão podem atender à demanda dos EUA por quase 4.000 anos, mas, para a maioria dos materiais, o suprimento durará menos de 20 anos (e para o níquel, apenas um pouco mais de um ano).
São necessárias novas fontes adicionais, diz Granite: “Serão necessários muitos materiais residuais diferentes e fontes não tradicionais para atender à demanda de longo prazo, porque projetamos demandas crescentes para muitos desses metais essenciais”.
Os pesquisadores sugerem que uma gama muito mais ampla de fontes de resíduos poderia ser considerada, incluindo “lama vermelha”, criada durante a produção de alumínio, e “águas produzidas”, resultantes da produção de petróleo, bem como materiais provenientes do fundo do oceano ou até mesmo do espaço sideral.
Uma prioridade política universal
Entre 2015 e 2021, o DOE concedeu pelo menos US$ 27 milhões a projetos relacionados à extração de elementos de terras raras de recursos convencionais e não convencionais. Em 2022 e 2023, o governo anunciou pelo menos US$ 1 bilhão de financiamento disponível para apoiar trabalhos relacionados, incluindo valores significativos da Lei de Infraestrutura Bipartidária. Outras agências também anunciaram apoio a empresas que trabalham para ajudar a aumentar o suprimento de materiais essenciais do país, sinalizando um senso de urgência renovado para um item antigo da agenda política. A Rivalia, a Phoenix e a Noveon se beneficiaram do apoio do governo, o que sugere que o governo está disposto a apostar em empresas de diversos tamanhos e estágios de progresso.
Essas alocações de verbas geralmente revelam as prioridades da administração em exercício; o foco do ex-presidente Donald Trump, por exemplo, era a independência da China, enquanto o apoio do governo Biden à produção doméstica de terras raras parece estar mais ligado ao seu impulso para a adoção mais ampla de veículos elétricos. Independentemente da motivação, todas as partes parecem estar alinhadas quanto à importância dos elementos de terras raras.
“É algo amplamente apoiado de forma bipartidária”, diz Stoy, da Rivalia. “Acho que é algo muito seguro do ponto de vista do financiamento da pesquisa. O governo está interessado nisso e vai financiá-lo por um longo tempo.”
À medida que a corrida para alcançar a autossuficiência em elementos de terras raras e materiais essenciais se intensifica, é provável que os EUA ampliem ainda mais o número de organizações envolvidas e a diversidade de fontes potenciais.
Apesar da crescente concorrência, Stoy diz que há espaço para todos. “Quero ser um participante em um grande ecossistema em que haja muitas pessoas produzindo terras raras”, diz ela. “Esse é o melhor resultado para todos.”
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Mureji Fatunde é um acadêmico e escritor que explora como as empresas e os consumidores tomam decisões.
MIT Technology Review
