Teksti Ari Väisänen, kuva Jyväskylän yliopisto
”Vihreää siirtymää ei voi toteuttaa ilman harvinaisia maametalleja”, muistuttaa professori Ari Väisänen Jyväskylän yliopistosta. Hän kertoo juttusarjan päättävässä kolmannessa osassa, että yliopistotutkimuksessa otetaan parhaillaan kehitysaskeleita niin harvinaisten maametallien talteenotossa kuin magneettisia ja optisia ominaisuuksia sisältävien sensorimateriaalien valmistuksessakin.
Miksi harvinaiset maametallit ovat niin tärkeitä?
Harvinaiset maametallit ovat Euroopan talouden kannalta välttämättömiä, ja ne mahdollistavat vihreän teknologian. Niitä käytetään erilaissa korkean teknologian sovelluksissa ja ne on luokiteltu strategisesti tärkeiksi elektroniikan ja viestintälaitteiden magneettisissa sovelluksissa, uusiutuvassa energiassa, robotiikassa, sähköajoneuvoissa sekä ilmailu- ja puolustusteollisuudessa. Vihreää ja digitaalista siirtymää ei siis yksinkertaisesti ole mahdollista toteuttaa ilman harvinaisia maametalleja.
Harvinaisia maametalleja tarvitaan erityisesti kestomagneeteissa (NdFeB magneetit), joissa on neodyymiä, praseodyymiä, dysprosiumia ja terbiumia. Lämmönsietokykyä vaativissa kohteissa, kuten mm. puolustusvoimien sovelluksissa on käytössä myös samariumkobolttimagneetteja. Kestomagneettien osuus harvinaisten maametallien käytöstä on reilut 43 prosenttia, ja osuus tulee kasvamaan sähköisen liikenteen yleistyessä. Kestomagneetteihin perustuvat tehokkaat sähkömoottorit luovatkin perustan sähköiselle liikkumiselle. Sähköautoista 95 prosentissa on sähkömoottoreita, joiden tehokkuus perustuu harvinaisista maametalleista valmistettuihin kestomagneetteihin.
Sähköisen liikkumisen lisäksi harvinaisia maametalleja sisältäviä magneetteja käytetään mm. tuulivoimaloissa, erilaisissa sähkömoottoreissa työkoneista aina akkuporakoneisiin ja lämpöpumppuihin. Muista sovelluksista mainittakoon vielä dronet ja robotiikka, joissa on magneettien lisäksi autonomiset toiminnot mahdollistavia sensoreita. Kehittyneet sensorit perustuvat harvinaisia maametalleja hyödyntävään sensoriteknologiaan. Autonomisten toimintojen lisääntyessä myös sensoreihin tullaan tarvitsemaan entistä enemmän harvinaisia maametalleja. Edellä esitettyjen käyttökohteiden lisäksi harvinaisia maametalleja käytetään katalyytteinä.
”Suurin uhkakuva on, että Kiina rajoittaa harvinaisten maametallien tuotantoa tai myyntiä länsimaihin.”
Mikä on mielestäsi suurin harvinaisten maametallien tuotantoon liittyvä uhkakuva maailmanlaajuisesti?
Harvinaisten maametallien tarve kasvaa lähitulevaisuudessa paljon, ja tämä aiheuttaa painetta tuotannolle. Neodyymin ja dysprosiumin tarpeen on ennustettu kasvavan EU:n alueella 5–6-kertaiseksi vuoteen 2030 mennessä. Vaadittava tuotantokapasiteetti on vaikea saavuttaa, ja tämä vaikuttaa hintoihin.
Suurin uhkakuva on, että Kiina rajoittaa harvinaisten maametallien tuotantoa tai myyntiä länsimaihin. Eurooppalainen teollisuus on riippuvainen Kiinassa tuotetuista kestomagneeteista ja niiden saatavuuteen liittyy samoja uhkakuvia kuin metallien tuotantoon ja myyntiin Kiinan ulkopuolelle.
Mitä pitäisi tehdä, jotta harvinaisten maametallien saanti pystyttäisiin varmistamaan jatkossakin?
EU:n Critical raw materials act toteutuessaan vauhdittaa mm. kaivosteollisuuden sivukivien hyödyntämistä sekä muita kiertotalouden ratkaisuja, jotta mm. elektroniikkaromusta otettaisiin jatkossa harvinaiset maametallit talteen. Nykyisin harvinaisten maametallien kierrätys on hyvin vähäistä ja kierrätysasteen nosto vaatii huomattavia panostuksia tutkimukseen, potentiaalisiksi havaittujen talteenottoteknologioiden pilotointiin ja skaalaukseen teollisen mittakaavan prosesseiksi.
Harvinaisten maametallien talteenoton kehittäminen ja kaivostoiminnan käynnistäminen EU:n alueella edistää omavaraisuutta ja parantaa huoltovarmuutta, mutta se ei pelkästään riitä, vaan tarvitaan myös separointia, eli metallien erottamista toisistaan. Kiina hallitsee harvinaisten maametallien erotusprosessit, mutta länsimaissa on edelleenkin hyvin vähän osaamista tällä alalla. Norjassa on REEtec yritys, joka on kehittänyt ja skaalamassa erotusprosesseja kohti teollista tuotantoa, mutta uusille toimijoille ja innovatiivisille sekä ympäristöystävällisille prosesseille on tarvetta.
”Suurin uhkakuva on, että Kiina rajoittaa harvinaisten maametallien tuotantoa tai myyntiä länsimaihin.”
Mitä Suomessa tällä hetkellä tapahtuu harvinaisten maametallien tutkimuksessa?
Jyväskylän yliopistolla on useampi tutkimushanke, missä kehitetään harvinaisten maametallien talteenottoa. Turun yliopiston kanssa on käynnissä ns. Tulevaisuuden tekijät -hanke, josta alla enemmän. Tämän lisäksi yhteistyössä SYKE:n kanssa kehitämme kriittisten raaka-aineiden talteenottoa sähköisistä kulkuneuvoista, kuten sähköpyöristä ja skoottereista. Hankkeen rahoituksesta vastaa Business Finland. Kiertotalouden ekosysteemit -hankkeessa hyödynnetään biokaasuprosessissa muodostuvia orgaanisia happoja kestomagneettien liuotuksessa ja edelleen harvinaisten maametallien talteenotossa. Hanke toteutetaan yhteistyössä LUKE:n kanssa.
Edellä esitettyjen hankkeiden lisäksi Jyväskylän yliopiston kemian laitoksella kehitetään harvinaisten maametallien talteenottoon soveltuvia funktionaalisia ryhmiä, jotka kykenevät sieppaamaan liuoksessa olevat ionimuotoiset harvinaiset maametallit. Funktionaalisia ryhmiä sisältävät materiaalit seostetaan sopivan polymeerin kanssa ja 3D tulostetaan suodattimiksi, jotka toimivat metallisieppareina.
Elinkeino- ja kehitysyhtiö Prizztech ja magneetteja tuottava Neorem kehittävät kestomagneettijauheiden kierrätystä magneettien valmistusprosessissa. Hankkeessa on saatu lupaavia tuloksia ja kestomagneettien valmistusprosessissa muodostuvaa pölyä on voitu seostaa uusien magneettien valmistuksen raaka-aineisiin.
Apulaisprofessori Sami Virolaisen tutkimusryhmässä LUT:issa on tehty harvinaisten maametallien talteenottoon ja separointiin liittyvää tutkimustyötä. Lappeenrannassa on kehitetty harvinaisten maametallien talteenottoa mm. fosfaattikaivoksella.
Mikä on Jyväskylän yliopiston ja Turun yliopiston yhteisen hankkeen keskiössä?
Hankkeessa kehitetään prosessi, missä jätemateriaaleista (piirikortit, lamppujen loisteaineet ja kestomagneetit) otetaan harvinaiset maametallit talteen ja niistä tuotetaan korkean jalostusasteen metalliyhdisteitä, jotka soveltuvat sellaisenaan sensoriteknologian sovelluksiin. Olennaisessa asemassa prosessia ovat metallien liuotus hapoilla sekä orgaaniset metallisiepparit, joiden avulla pienetkin harvinaisten maametallien pitoisuudet voidaan ottaa talteen teollisuuden jäte- ja sivuvirroista. Tämä tehostaa raaka-aineiden käyttöä ja erityisesti harvinaisten maametallien osalta lisää teollisuuden huoltovarmuutta Suomessa ja EU:n alueella. Koska talteen otetut harvinaiset maametallit ovat suoraan käyttökelpoisessa muodossa uuden sukupolven magneettisten ja optisten sensorimateriaalien raaka-aineiksi, prosessi yksinkertaistaa huomattavasti korkean jalostusasteen tuotteiden valmistusta.
Kolmivuotisen hankkeen tavoitteet ovat multifunktionaalisten orgaanisten metallisieppareiden suunnittelu ja valmistus, metallien liuotus sähkö- ja elektroniikkaromusta, loisteaineista sekä kestomagneeteista, metallien talteenotto selektiivisesti happoliuoksista sekä uusien molekylaaristen opto-magneettisten materiaalien valmistus kierrätetyistä harvinaisista maametalleista.
Kehitämme erityisesti sellaisia multifunktionaalisia orgaanisia metallisieppareita, jotka saostavat kohdemetallit ulos suoraan happamasta vesifaasista. Tällöin harvinaisille maametalleille kehitettävässä talteenottoprosessissa ei tarvita haitallisia liuottimia ja saostetut metallikompleksit, jotka muodostuvat käytetyistä metallisieppareista ja kierrätetyistä metalleista, ovat sellaisenaan potentiaalisia lähtöaineita magneettisten ja optisten sensorimateriaalien valmistukseen.
”Onnistuessaan hanke johtaa merkittävään tieteelliseen läpimurtoon kiertotalouden ja materiaalitekniikan alalla.”
Paljonko projektissa on tutkijoita mukana?
Projektissa on tällä hetkellä 4 tutkijaa, mutta harvinaisiin maametalleihin liittyvää talteenoton tutkimusta tekee 6 tutkijaa.
Millaisia tuloksia tutkimukselta odotetaan ja millä aikataululla? Suhtaudutko itse siihen toiveikkaasti?
Onnistuessaan hanke johtaa merkittävään tieteelliseen läpimurtoon kiertotalouden ja materiaalitekniikan alalla ja suoraviivaistamaan metallien talteenottoa ja jatkojalostamiseen liittyviä prosesseja merkittävästi. Metallien talteenottoprosessien skaalautuvuutta tullaan tutkimaan Jyväskylän yliopiston kemian laitoksen bench scale -mittakaavan koelaitteistolla.
Magneettisten ja optisten sensorimateriaalien tutkimus hankkeessa avaa taas uuden sivun kierrätysmetalleista valmistettujen materiaalien tutkimuksessa ja jatkojalostamisessa, jonka pohjalta on hyvä lähteä kehittämään kiertotalouden ja vihreän kemian periaatteita noudattaen uudenlaisia älykkäitä materiaaleja.
Hankkeen tulokset näyttävät lupaavilta ja kolmen vuoden kuluessa on odotettavissa huomattavia kehitysaskeleita niin harvinaisten maametallien talteenotossa kuin magneettisia ja optisia ominaisuuksia sisältävien sensorimateriaalien valmistuksessakin.
Ari Väisänen toimii analyyttisen kemian ja kiertotalouden professorina Jyväskylän yliopistossa.
Lue lisää:
