יסודות נדירים

IUPAC מגדירה כ"יסודות נדירים" או "מתכות נדירות" (באנגלית: Rare Earth Elements או Rare Earth Metals) את 15 היסודות מקבוצת הלנתנידים (מס' אטומי 57-71) ובנוסף להם גם את הסקנדיום והאיטריום, הקרובים לקבוצה זו בטבלה המחזורית ודומים לה בתכונותיהם, ואשר נוטים להופיע בעפרות הכרייה ביחד עם הלנתנידים. היסודות הנדירים דומים זה לזה במראם ובתכונותיהם, הם מוליכים, מגנטיים, וזוהרים כשמחממים אותם. למרות שמם, ניתן למצוא את היסודות הנדירים בשפע יחסי בקרום כדור הארץ, אולם בגלל תכונותיהם הגאוכימיות, הם מפוזרים ואינם מרוכזים במקום אחד שהוא נוח להפקה ולמיצוי, ועל כן הם יקרים יחסית. היסודות הנדירים התגלו לראשונה בשנת 1787 עם גילוי המינרל איטרביט (ytterbite) אשר שמו שונה מאוחר יותר לגדוליניט, על ידי קרל אקסל ארניוס בתוך עפרה שנחצבה במכרה ליד הכפר איטרבי בשוודיה. עד שנת 1803 בודדו וזוהו שני יסודות חדשים מתוך העפרה: איטריום וצריום, אולם לחוקרים נדרשו 30 שנים נוספות כדי לזהות יסודות נוספים. בשנת 1839 הופקו לראשונה תחמוצות של יסודות חדשים, אולם רק בשנת 1842 הוכרז באופן רשמי על הגילוי והמיצוי הטהור של שישה יסודות חדשים: צריום, לנתן, דידימיום, איטריום, ארביום וטרביום, כששמות שלוש האחרונים גזורים משמה של העיירה אשר בקרבתה נמצאו. במשך 30 השנים הבאות לא התגלו יסודות נוספים. בשנת 1879 התגלה באמצעות ספקטרוסקופיה כי היסוד דידימיום מכיל מספר קווים ספקטרלים חדשים כלומר מורכב מיסודות נוספים אשר לא התגלו. באותה השנה התגלה היסוד החדש סמריום כמרכיב של המינרל סמרסקיט. בשנת 1886 התגלה יסוד נוסף מתוך המינרל ונקרא גדוליניום על שמו של חוקר עפרות האיטרביט הראשון. סדרת מחקרים ספקטרוסקופים נוספים שנערכו בין השנים 1886 עד 1901 העלו את האפשרות לקיומו של יסוד נוסף, ובשנת 1901 הוכרז על גילויו של היסוד אירופיום. בשלב זה טרם הוסכם בין החוקרים על מספרם המדויק של היסודות הנדירים הקיימים, אך ההערכות הגיעו למספר מקסימלי של 25 יסודות כאלו. תגליות שגויות, לעומת זאת, בגלל הקשיים בהפרדה וטיהור, נמנו בעשרות. הכנסת השימוש בספקטרוסקופיה בעזרת קרני רנטגן איפשר לקבוע באופן מוחלט את כמות הלנתנידים על 15 באמצעות קביעת מספרם האטומי. בסוף המאה ה-19 עדיין לא נמצא שימוש ליסודות החדשים שהתגלו. הראשון שהכניס יסודות נדירים לשימוש מסחרי הוא הממציא האוסטרי קארל אוור פון ולשבאך (Carl Auer von Welsbach) ב-1880. הוא ניצל את תכונת החומרים להפיץ אור כשהם מתחממים, ופיתח גוף תאורה לפנס גז. גוף התאורה נקרא "מעטפת ולשבאך" והיה בנוי ממעטפת של חוטי כותנה טבולים באוקסיד של היסודות הנדירים לנתן, איטריום, וכן מגנזיום שאינו מתכת נדירה. בשימוש הראשון בפנס היו חוטי הכותנה נשרפים, והאוקסידים היו מתחברים ויוצרים רשת מתכת (שבירה למדי). הגז שבפנס היה מחמם את הרשת, והיא הייתה מפיצה אור. במהלך שנות ה-40 של המאה העשרים פותח בארצות הברית במסגרת פרויקט מנהטן, תהליך טכנולוגי של החלפת יונים אשר איפשר להפריד ולזקק יסודות נדירים. בראשונה נעשה שימוש בטכניקה זו בקבוצת האקטינידים לצורך הפרדת פלוטוניום 239 ונפטוניום מתוך אורניום, תוריום ואקטיניום. הטכנולוגיה החדשה והיעילה להפרדת החומרים איפשרה את הכנסת היסודות הנדירים לשימוש תעשייתי ובמהלך עשרות השנים הבאות פותחו טכנולוגיות הפרדה ומיצוי נוספות אשר איפשרו את הרחבת השימוש בחומרים הללו לצרכים תעשייתיים ומסחריים. עד שנת 1948 רוב ההפקה של יסודות נדירים התבצעה בהודו וברזיל מתוך מאגרי חול. בשנות ה-50 תפסה דרום אפריקה את מקומה כמקור העיקרי לחומרים אלה לאחר שמרבץ גדול של המינרל מונזיט התגלה בה. בשנות ה-60 ועד שנות ה-80 שימשה ארצות הברית כמפיקה העיקרית של יסודות נדירים מתוך "מכרה מעבר ההרים" בקליפורניה. כיום, לאחר הידלדלות המקורות הללו משמשת סין כמפיקה העיקרית של יסודות נדירים, כאשר 97% מן התפוקה העולמית מקורם במכרות באזור מונגוליה הפנימית שבשטחה. ב-2019 התגלו מרבצי־ענק של יסודות נדירים סמוך ליפן. עם זאת, טרם קיימות טכנולוגיות לכרייה בקרקעית הים. בשנת 2002 הקצתה ממשלת ארצות הברית תקציב של שני מיליון דולרים לבחינת תוכנית מחזור בוצת הפסולת ממכרי פחם, הכוללים את היסודות הנדירים. עד כה, עלות הפקת החומרים מתוך הפסולת לא השתלמה בשל עלות מיצוי החומרים מפסולת זאת. אך, חוקרים באוניברסיטת UVW מפתחים כיום דרכים זולות יותר להפקת חומרים אלה. מערב וירג'יניה היא אחת הספקיות העיקריות של פחם בארצות הברית, ולכן פוטנציאל ההפקה ממכרים קיימים גבוה ביחס למדינות נוספות . הגידול בדרישה התעשייתית ליסודות הנדירים שנובע מעליה בשימוש בהם, מציב אתגר ייחודי להפקתם במטרה להימנע מיצירת תלות באספקת החומרים מסין. מדינות רבות בעולם החלו להשקיע בשנים האחרונות משאבים רבים במחקרים לגילוי ופיתוח של אתרי הפקה חדשים על מנת להימנע מן התלות הזו, אשר עלולה לשתק ואו להפחית את התפוקה במגזרי יצור רבים ובעיקר בתחומי הטכנולוגיה העילית. מקור נוסף להפקת יסודות נדירים שהתפתח מתוך הצורך והאילוצים כאמור לעיל הוא חילוץ והפקת החומרים מתוך פסולת של מכשירים אלקטרונים שיצאו משימוש. טכנולוגיות חדשות של מיחזור אשר נכנסו לשימוש ביפן מאפשרות על פי הערכה הפקה של כ-300,000 טון של יסודות נדירים לשימוש חוזר. יסודות קריטיים לטכנולוגיה מגנטים נדירים בכדור הארץ מדיה וקבצים בנושא יסודות נדירים בוויקישיתוף אנרגיה ירוקה? לעולם נגמרים החומרים שיאפשרו אותה, באתר וואלה, 21 במאי 2021 יסודות נדירים, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) מתכות עפרות נדירות, דף שער בספרייה הלאומית The History and Future of Rare Earth Elements Japan finds a huge cache of scarce rare-earth minerals From Pollutant to Resource