יסודות קריטיים לטכנולוגיה

יסוד קריטי לְטכנולוגיה (באנגלית: Technology-critical element; בראשי תיבות: TCE) הוא יסוד כימי שדרוש לטכנולוגיה צומחת כלשהי. כתוצאה מזה נוצר לו ביקוש גבוה בהרבה ממה שהיה בעבר, וההיצע דל יחסית לביקוש או האספקה נמצאת בסכנה. מתחילת המאה ה-21 יותר יסודות מהטבלה המחזורית נעשו חשובים מבחינה טכנולוגית. יסודות קריטיים הם כאלה שמספקים פונקציונליות הכרחית לטכנולוגיה כלשהי, אין להם חלופות טובות, ואין ביטחון באספקה שלהם לטווח של עשור או מספר עשורים. חוסר הביטחון באספקה עשוי לנבוע מכך שהרזרבות העולמיות מידלדלות, או שהפקת היסוד כרוכה בנזקים אקולוגיים גדולים, או שהאספקה תלויה במספר קטן של מדינות ועלולה להתערער בגלל סיבות גאופוליטיות. תעשיית האנרגיה הירוקה שמתפתחת במהירות תלויה ביסודות אלה, למשל מכוניות חשמליות תלויות בליתיום שהוא מרכיב קריטי לסוללות שלהן, וטורבינות רוח תלויות בנאודימיום בגלל המגנטיות החזקה שלו. גם מוצרי צריכה מתקדמים תלויים ביסודות הקריטיים, בכל סמרטפון יש לפחות 31 יסודות כימיים (לפעמים אף כפול מזה) – זהו מוצר הצריכה עם המספר הגדול ביותר של יסודות שונים – ומתוכם כ-8 קריטיים לטכנולוגיה. הרשימה כוללת 35 יסודות, יסודות עשויים להיכנס או לצאת מהרשימה בתלות בקריטריונים של הגוף או הארגון המעריכים את רמת הקריטיות. ערך מורחב – יסודות נדירים היסודות הנדירים, הנקראים גם מתכות נדירות, הם לאו דווקא נדירים, הם שכיחים כמו נחושת או בדיל אך אינם מרוכזים בעפרות שניתן לכרות, אלא מפוזרים ומופקים כתוצר לוואי של כריית מחצבים אחרים. תכונותיהן של המתכות הנדירות דומות, והן נצמדות בחוזקה זו אל זו ואל מתכות אחרות, גם אל מתכות רדיואקטיביות כמו אורניום ותוריום. מסיבות אלה קשה להפריד ביניהן ולהפיק אותן. בתהליך המיצוי שלהן יש שימוש בחומצות חזקות ותהליכים עתירי אנרגיה, כדי לזקק כמות קטנה בלבד. הפסולת מהתהליכים האלה כוללת מים רדיואקטיביים, פלואור רעיל, וחומצות. בגלל הקושי להפיק את היסודות הנדירים מחירם הוא גבוה. אינדיום ממשפחת המתכות הנדירות הוא המתכת הרכה ביותר. בדומה לשאר המתכות הנדירות צבעו אפרפר, אך יש לו תכונה יוצאת דופן, תרכובת אינדיום טין אוקסיד (תחמוצת אינדיום בדיל) היא מוליכת חשמל ושקופה. עד סוף המאה ה-20 הוא שימש בעיקר כתוסף למתכות הלחמה, משום שהוריד את טמפרטורת ההתכה שלהן והתאים לשימושים שרגישים לחום, בעיקר במעגלים אלקטרוניים. עם התפתחות מסכי LCD נעשה בו שימוש באלקטרודות שקופות לשליטה על המתח החשמלי בכל פיקסל. מראשית המאה ה-21 הוא נעשה מרכיב חיוני במסכי סמרטפונים - שכבה דקיקה של אינדיום טין אוקסיד על המסך מאפשרת להשתמש בו בתור מקלדת ועכבר כאחת, משום שהן המסך והן האצבעות מוליכים חשמל, ובכך הוסר הכורח לשלב מקלדת במכשירי התקשורת הניידים. כ-90% מהאינדיום מופק כתוצר לוואי מכריית אבץ. ספקיות האינדיום העיקריות הן סין 40% ודרום קוריאה 31%. קנדה ויפן מספקות 9% כל אחת. כמות האינדיום בכל מכשיר היא זעירה, בסמרטפון למשל יש כ-0.02 גרם בלבד, אבל בכל שנה נמכרים כמיליארד סמרטפונים. יחד עם הטאבלטים וכל המכשירים האחרים בעלי מסך מגע, וביחד עם טכנולוגיות אחרות שמשתמשות באינדיום, הביקוש לו הגיע ב-2016 למעל 800 טון לשנה. לפי הערכות הביקוש צפוי להגיע ל-1,400 טון בשנת 2025. אינדיום מוגדר יסוד קריטי משום שהוא מוצר לוואי של תעשיית האבץ והפקתו תלויה בביקוש לאבץ, רוב האספקה שלו היא מסין, ומיחזור אינדיום קשה ולא כלכלי בגלל הכמות הזעירות שלו במכשירים. נאודימיום שייך לקבוצת המתכות הנדירות, וכמו שאר היסודות בקבוצה זו הוא אינו מרוכז בעפרות אלא מפוזר בדלילות בתוך מחצבים אחרים. ב-1983 התגלה שסגסוגת של נאודימיום עם ברזל ובורון היא בעלת המגנטיות הקבועה החזקה ביותר הידועה. למשל, השדה המגנטי שנוצר מפיסה בעובי 3 מילימטר של סגסוגנת זו הוא בסדר גודל של אלקטרומגנט שנוצר מליפוף תיל נחושת שעוברים בו כמה אלפי אמפר. עד תחילת המאה ה-21 נאודימיום שימש בין היתר למגנטים של רמקולים וכוננים קשיחים ואפשר להקטין את ממדיהם, עם צמיחת האנרגיה הירוקה במאה ה-21 הוא הפך יסוד חיוני בטורבינות רוח. טורבינות הרוח המוקדמות היו בנויות על בסיס אלקטרומגנט, הרוח מניעה את זרועות הטורבינה במהירות איטית של 10 עד 20 סיבובים לדקה, ומנגנון מורכב של גלגלי שיניים מגביר את מהירות הסיבוב עשרת מונים למהירות שהגנרטור זקוק לה. מנגנון זה אינו יעיל והוא מועד לתקלות, לפי דוח ב-2007 רוב התקלות בטורבינות רוח נבעו מתקלות במסבים. בתחילת המאה ה-21 הוכנסה טכנולוגיה שמשתמשת במגנטי נאודימיום קבועים, השדה המגנטי שלהם הוא כה חזק שהוא מייצר זרם חזק גם במהירות הסיבוב הנמוכה של זרועות הטורבינה ללא צורך בהמרת המהירות על ידי גלגלי השיניים. מגנט נאודימיום מאבד את המגנטיות שלו בחום, אך תוספת של כמות קטנה של דיספרוסיום, שגם הוא יסוד קריטי, מעלה את עמידותו לחום. נאודימיום נחשב יסוד קריטי משום שהביקוש לו עולה וההפקה שלו מרוכזת במדינות בודדות. היסטורית מכרה בודד בקליפורניה סיפק את רוב הביקוש העולמי, אך משנות 1990 סין הפכה ליצרנית העיקרית, ב-2011 היא ייצרה 95% של הצריכה העולמית. ליתיום הוא המתכת הקלה ביותר, מספרו 3 בטבלה המחזורית, הוא יעיל כאנודה בסוללות משום שהפוטנציאל האלקטרוכימי שלו גבוה, ולכן הקיבול של סוללת ליתיום ליחידת משקל הוא גבוה. מסיבה זאת הוא נמצא בליבה של כל המרת אנרגיה ירוקה והוא חיוני בסוללות לאגירת אנרגיה במכשירים, מטלפונים ניידים, דרך כלי רכב חשמליים, ועד לאגירת חשמל בתחנות כוח סולריות ואחרות. 60% מהרזרבות העולמיות של ליתיום נמצאות כיום בצ'ילה, בוליביה וארגנטינה, 96% מהליתיום שסופק בעולם בשנת 2019 יוצר בסין, אוסטרליה, צ'ילה. יסודות נדירים מגנטים נדירים בכדור הארץ Indium, באתר American Chemical Society Indium Market Size Worth $584.8 Million By 2025 Magnetism באנציקלופדיה בריטניקה Neodymium Magnets in Wind Turbines & Generators Neodymium באתר ACS Mineral Commodity Summeries 2020 באתר USGS