Tierras raras. China nos tiene cogidos por las nuevas tecnologías

En el año 1992, con 88 años, Den Xiaoping, que había liderado las grandes reformas en China y que las veía en peligro, probablemente como consecuencia del frenazo económico sufrido por la incertidumbre y el aislamiento internacional tras la represión violenta de las protestas de Tian’anmen, sorprendió a los medios de comunicación de China y el mundo al visitar en la llamada Gira del Sur diversas ciudades de esa zona del país, pronunciando varios discursos en los que anunciaba la continuación y profundización de las reformas por él emprendidas. Fue durante este viaje cuando pronunció su famosa frase “enriquecerse es glorioso” y otra que ahora, treinta y tres años después, ha cobrado especial interés este mes de octubre: “Hay petróleo en Oriente Medio. Y hay tierras raras en China. Tenemos que sacar ventajas de estos recursos”.

Supongo que todos mis lectores saben que nuestro mundo material está constituido por los llamados elementos químicos, que el químico ruso Dmitri Mendeleev empezó a organizar en 1869 en la llamada Tabla Periódica que, a día de hoy, engloba 118 elementos, aunque solo 92 se encuentran en la naturaleza. Diecisiete de ellos se conocen como Tierras Raras y son los que aparecen en la Figura que ilustra esta entrada con sus símbolos y nombres un tanto extraños, cada uno de los cuales tiene su historia. Aunque el adjetivo “raras” podría llevar a la conclusión de que se trata de elementos escasos en la corteza terrestre, algunos como el cerio (Ce), el itrio (Y) o el neodimio (Nd) son bastante abundantes. En realidad el término se refiere a que es poco habitual encontrarlos en una forma pura, aunque hay depósitos de minerales de ellos, más o menos abundantes y repartidos por todo el globo terráqueo. Lo de “tierra” no es más que una forma arcaica (de finales del siglo XVIII) de referirse a las sustancias oxidadas o no metálicas que se obtenían de minerales (como “tierra de alúmina”, “tierra de sílice”).

El pasado 9 de octubre, el Ministerio de Comercio chino adoptó una serie de controles muy restrictivos a las exportaciones de esas tierras raras, así como de los llamados imanes permanentes, unos imanes mucho más potentes que los habituales y en los que esas tierras raras juegan un papel fundamental. Los más conocidos y potentes son los constituidos por neodimio (Nd), hierro y boro, cientos de veces más potentes que los imanes convencionales y que permiten que sean utilizados en aplicaciones que ahora detallaremos, usando tamaños más pequeños que los anteriores. Según las medidas anunciadas, las empresas extranjeras deberán obtener la aprobación del gobierno chino para exportar imanes que contengan incluso trazas de tierras raras de origen chino, o que se hayan producido mediante tecnologías chinas de minería y procesamiento de tierras raras o de fabricación de imanes. China domina ampliamente todo el sector ya que controla el 70% de la minería global en tierras raras, el 90% de su separación y procesamiento o refinado y el 93% del mercado de los imanes permanentes.

Y eso puede afectar a múltiples ingenios que constituyen nuestro actual modo de vida. Por ejemplo, en lo tocante a la obtención de energía eléctrica a partir de turbinas eólicas, los imanes permanentes son cruciales en los llamados generadores síncronos de imanes permanentes (PMSG), cada vez más usados en turbinas modernas en las que pueden usarse hasta 300 kilos de tierras raras, generalmente neodimio (Nd), por megavatio de potencia. Y qué decir de nuestros gadgets electrónicos. Apple, por ejemplo, emplea prácticamente toda la familia de tierras raras en sus iPhones, iPads, Macs y relojes, para cosas como los imanes de altavoces y micrófonos, luminosidad de las pantallas, los cargadores MagSafe o hasta el imán que cierra la funda protectora de un iPad. Las cantidades por dispositivo son realmente pequeñas (en un iPhone se estima que hay solo unos 100 miligramos de esos elementos) pero dado el número de teléfonos fabricados de cada modelo, ello supone que Apple sea uno de los mayores consumidores individuales del mundo de estos elementos. La compañía ya se dio cuenta de que tenía que reducir su dependencia de los mismos, provenientes no solo de China sino también de Myanmar (la antigua Birmania) y, en 2023, Apple recicló más de 1.000 kg de disprosio y 5.000 kg de neodimio.

Pero la decisión del Departamento de Comercio chino irritó a Trump porque esas mismas tierras raras ponen en dificultades al arsenal militar americano. Según datos del otrora Departamento de Defensa (ahora bautizado por Trump como de la Guerra), un avión de combate F‑35 Lightning II requiere casi media tonelada de tierras raras, un destructor de la clase Arleigh Burke DDG‑51 necesita dos toneladas y media y un submarino de tipo Virginia casi cinco. La reacción fue subir los aranceles (más aún) a los productos chinos y veremos qué pasa en la gira asiática de Trump que esta teniendo lugar estos días y en la que se entrevistará con su homólogo chino, Xi Jinping, que de tierras raras sabrá algo más que el americano porque es ingeniero químico.

Y si Den Xiaoping lo anunció hace años, ¿cómo se ha llegado a esta situación?. Pues porque la minería y el tratamiento de los minerales para obtener las tierras raras son actividades “sucias” que los países occidentales han ido abandonando en manos de países con menos ascos medioambientales. Y China se ha aprovechado de ese hecho para crear grandes centros de refinado de los minerales existentes en las tierras raras que extrae en su territorio. En un interesante libro que acabo de leer, La guerra de los metales raros de Guillaume Pitron, el autor expone el alto costo ambiental producido en la principal planta china de refinado de tierras raras (situado en Baotou, Mongolia Interior) y critica la “eco-hipocresía” de los países occidentales que presumen de nuevas tecnologías limpias (las mencionadas turbinas eólicas por ejemplo) basadas en procesos sucios ejecutados en otros lugares.

Ante esa situación y además de promover el reciclaje de estos materiales, el Gobierno Trump ha decidió reactivar la minería y el refino de tierras raras en EEUU. El pasado julio, el Secretario de Energía Chris Wright asistió en Wyoming a la puesta en marcha de la primera mina de tierras raras que se abre en 70 años. Simultáneamente, el gobierno ha decidido participar de modo agresivo en el accionariado de otras minas que siguen abiertas, como la situada en California, en el desierto de Mojave, la denominada Mountain Pass Mine que lleva funcionando desde 1950. No está muy claro por el momento cómo van a sortear el asunto de la contaminación ambiental del procesado del mineral que obtengan de esas minas, pero el Secretario de Estado dijo en el acto mencionado que la mina Brook (así se llama) y Wyoming “son fundamentales para romper el estrangulamiento de China sobre el procesado de tierras raras”.

La decisión china de la que venimos hablando afecta también gravemente a Europa que importa las tierras raras procesadas casi exclusivamente de China. Y ello a pesar de que hay minas que contienen minerales de tierras raras en países como Suecia, Noruega, Finlandia, Dinamarca, Francia o España. La mayoría de los proyectos están en exploración inicial o avanzada, mientras que otros se han paralizado por decisiones gubernamentales justificadas en cuestiones ambientales y/o por la oposición de la ciudadanía debido, en algunos casos, a la presencia junto a las tierras raras de elementos radioactivos como el uranio o el torio. Ese es el caso español, donde se identificaron tierras raras en el proyecto de Matamulas, ubicado en el Campo de Montiel (Ciudad Real). El mineral principal allí existente es la monacita, un fosfato de cerio, lantano, neodimio y praseodimio. Se estima que en ese yacimiento puede haber del orden de 7000 toneladas de compuestos de los que se pueden recuperar tierras raras. El proyecto fue rechazado por la Junta de Castilla-La Mancha en 2019 por razones ambientales y de biodiversidad a lo que se sumó el rechazo de los grupos ambientalistas que han aducido la presencia de torio. De acuerdo con la legislación española y europea, cualquier material con torio o uranio se considera como residuo radiactivo de baja actividad y está sujeto a control por el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN), lo que evidentemente complicaría aún más la minería de la monacita española y su posterior refino a tierras raras.

Así que a ver qué hace la pareja Trump/Xi Jinping. El americano tiene alguna carta que jugar en el asunto de otros elementos de la Tabla Periódica que se pueden considerar estratégicos. Estados Unidos tienen un casi monopolio del cuarzo ultra puro, que se extrae en Spruce Pine, una pequeña ciudad en Carolina del Norte y que se necesita para hacer las obleas de silicio de extrema pureza que convertimos en semiconductores y paneles solares. Y ahí le puede doler a China. Mientras edito esta entrada (lunes 27 de octubre), las agencias parecen vislumbrar una marcha atrás en el conflicto. Ver venir…

Para terminar, un extracto de la suite Primavera Apalache de Aaron Copland, con la Filarmónica de Berlin y Marin Alsop como directora.

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Conexión asturiana

Cuando uno era bastante más joven, varios de mis veranos tuvieron que ver con los Picos de Europa. Con lo que, en esa época, la Búha y un servidor nos movíamos como peces en el agua a lo largo y ancho del Parque Nacional. Era una época en la que, a muchos sitios, no se podía llegar mas que a pinrel. Como a Caín. O a Bulnes, que ahora se puede llegar hasta en teleférico (¡manda huevos!). También fuimos seguidores compulsivos del Rallye Príncipe de Asturias, lo que nos permitió conocer las carreteras más recónditas del Principado. Luego empezamos a perseguir pelotas blancas y la cosa ya bajó de nivel. Alguna vez hemos visitado alguno de los campos de esa zona pero sin la intensidad de visitas de la época anterior.

A Oviedo se fueron muchos compañeros de mi promoción de Zaragoza, siguiendo la estela de profesores con futuro, como el entrañable (al menos para mí) Pepe Barluenga. Resumiendo, que tengo vivencias y vínculos con Asturias que no tengo con la mayoría de las provincias españolas. Así que, cuando el Colegio de Químicos de Asturias y León me pidió alguna colaboración para su Revista oficial (Alquímicos) no dudé en hacerlo. Publiqué una cosa en junio de 2018 sobre el descubrimiento del aluminio (ver este enlace) y ahora, en febrero de 2019, lo he vuelto a hacer con una especie de refrito de las entradas que he dedicado en el Blog a los descubrimientos por chiripa de algunos de los polímeros más conocidos. Si lo queréis leer, no tenéis más que seguir este otro.

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La trucha alcalina

Ya estaban avisados los lectores de este sitio que el nuevo año 2109 ha sido declarado Año Internacional de la Tabla Periódica de los elementos químicos. Así que nada mejor para inaugurar las entradas de este 2019 que hacerlo con cosas relacionadas con uno de esos elementos: el sodio. Lo que me hace rebobinar hasta principios de los setenta, cuando uno era un imberbe estudiante de Química en la Universidad de Zaragoza. En ese tiempo, una "travesura" bastante habitual entre los estudiantes era distraer un pequeño trozo de sodio de alguno de los laboratorios de prácticas y echarlo en uno de los estanques situados frente a la entrada de la Facultad de Ciencias. Al entrar en contacto con agua, la reacción del sodio con la misma es inmediata y, lo que ocurre, ha llamado la atención de generaciones de químicos en ciernes, que no lo suelen olvidar nunca.

Como le pasó al famoso neurólogo Oliver Sacks. En su libro El tío Tungsteno, varias veces citado en este Blog, menciona cómo siendo aún un niño consiguió, en una droguería de su ciudad, casi un kilo de sodio (en Hernani, mis amigos y yo también teníamos un droguero solidario con nuestros experimentos). Con el sodio como un tesoro se fue con dos amigos a los estanques de Highgate, al Norte de Londres, y desde lo alto de uno de los puentes que los cruzan, arrojaron un buen pedazo del metal al agua. "Al instante se incendió y se puso a dar vueltas a toda velocidad sobre la superficie del agua como un meteorito enloquecido, con una enorme llama amarilla en la parte superior. ¡Estábamos eufóricos. Eso sí era química, y de la buena!".

A los estudiantes se les enseña que la explosión resultante se produce porque la reacción entre el sodio y el agua da lugar a hidróxido sódico, hidrógeno gas y una gran cantidad de calor, que es capaz de generar vapor de agua con el agua líquida de los alrededores y la ignición del hidrógeno, que arde gracias al oxígeno del aire. Pero siempre ha habido incógnitas sobre la extremada rapidez a la que se desarrolla el proceso, porque ello implicaría un íntimo y continuo contacto del sodio con el agua, algo complicado pues la propia formación del hidrógeno y del vapor de agua tendría que impedir un continuo flujo de agua hacia el sodio, lo que debería ir haciendo el proceso más lento en lugar de muy rápido y explosivo.

El verdadero desencadenante del fenómeno no se comprendió bien hasta que, en 2015, un equipo de investigadores checos y alemanes [Nature Chemistry 7, 250–254 (2015)] utilizaran cámaras de vídeo de alta velocidad y simulaciones por ordenador para comprender lo que ocurre durante los primeros milisegundos del proceso. Sus resultados indican que la reacción explosiva se activa por una liberación casi inmediata de electrones desde el sodio, justo cuando contacta con el agua, lo que da lugar a la formación de iones sodio cargados positivamente, que se repelen fuertemente entre sí, provocando la llamada explosión de Coulomb, que genera múltiples puntas de metal en la zona externa del metal, lo que aumenta considerablemente su superficie y facilita la reacción, lo que explica su rápida propagación y el comportamiento explosivo.

Al hilo de la peligrosidad de la reacción entre el sodio y el agua, en un artículo del 16 de diciembre pasado, Craig Bettenhausen del Chemical Engineering News, preguntaba en su titular qué se puede hacer con muchas toneladas de sodio, lo que le permitía contar dos cortas pero interesantes historias. Yo solo voy a hacer mención a la segunda. En 1947, y como consecuencia del fin de la segunda guerra mundial, el ejército americano se encontró con un sobrante de nueve toneladas de sodio metálico con las que no sabía qué hacer. Y tras considerar una serie de posibilidades, decidió llevarlas en camiones hasta las zonas elevadas que delimitan el Lago Lenore en el Estado de Washington y tirarlas al mismo. Hay incluso un vídeo (de no muy buena calidad) que muestra esas operaciones y se ve la instantaneidad de las explosiones y las columnas de vapor de agua que se generan.

Ya sé lo que estaréis pensado sobre los militares americanos ante lo que parece un auténtico despropósito. Y, en principio, no os falta razón. Teniendo en cuenta el volumen de agua habitual de ese lago, si su pH antes de la operación militar fuera cercano a la neutralidad (7), las nueve toneladas darían lugar a que el pH se elevara hasta 9 y, consiguientemente, ello tendría inmediatas repercusiones en los seres vivos que poblaran el lago en el momento de la operación. Pues va a ser que no. Los militares habían elegido el Lago Lenora porque estaba documentado que el valor medio del pH de ese lago era un cifra bastante alcalina (9,9), así que los cálculos les indicaban que, incluso el verter las nueve toneladas de sodio, ello no iba a suponer una variación sustancial de ese pH, más allá de los cambios naturales que en diferentes épocas del año se dan en el propio lago.

Pero, ¿a qué viene lo de la trucha en el título de esta entrada?. Pues resulta que hay un tipo especial de esta especie, la trucha degollada de Lahontan que, además de ser el símbolo del Estado de Nevada, puede tolerar sin problemas aguas de semejante alcalinidad. Así que, a mediados de los ochenta, el Departamento de Pesca y Fauna Silvestre del Estado de Washington decidió poblar las aguas del Lago Lenora con esta especie. Desde entonces se ha convertido en un sitio muy visitado por los pescadores de la zona. Por otro lado, la trucha en cuestión es un activo depredador de insectos, anfibios y de otros pequeños peces que también aguantan el medio alcalino, lo que le hace jugar un activo papel en un ecosistema tan especial.

Y pienso, aunque Craig no lo diga, que habrá mas de un pescador que andará por allí, caña en ristre, por aquello de la dieta alcalina.....

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Primo Levi y la Tabla Periódica

Ahora hace aproximadamente un año, la Asamblea General de las Naciones Unidas proclamó "el año que comenzará el 1 de enero de 2019 Año Internacional de la Tabla Periódica de los Elementos Químicos, a fin de concienciar a nivel mundial sobre las ciencias básicas y mejorar la educación en este ámbito, prestando especial atención a los países del mundo en desarrollo....bla, bla, bla.". Así que avisados estáis de que la chusmarra de químicos que tenéis cerca os va a dar la brasa durante unos meses sobre la importancia de esa Tabla de elementos químicos que echó a andar de la mano del científico ruso Dmitri I. Mendeléyev, considerado uno de los padres de la Química moderna. Y como una pequeña contribución al próximo inicio de este Año Internacional, os voy a recomendar la lectura de uno de mis libros favoritos, uno que releo periódicamente, un texto publicado en italiano en 1975 y cuya portada original podéis ver en la foto que ilustra esta entrada y que podéis ampliar clicando en ella. El autor, Primo Levi, era un judío de Turín, sobreviviente de Auschwitz, escritor y antifascista reconocido.

Lo que no tanta gente sabe es que tanto antes de Auschwitz, como en el propio campo de concentración o en su vida posterior, Levi fue un químico apasionado por descifrar la materia, atesorando un curioso curriculum de aventuras y desventuras en las empresas por las que pasó (incluida una ligada a Auschwitz que le permitió sobrevivir a las terribles condiciones del campo). El libro recrea, con prosa rebuscada y delicada, con la ironía entre acerada y cariñosa propia de alguien que está de vuelta de todo, muchos de los episodios de su vida, ligándolos a veintidós de los elementos que constituyen la Tabla Periódica. El libro se tradujo luego al inglés usando el título The Periodic Table, mientras que la versión en español, una cuidadosa traducción nada menos que de Carmen Martín Gaite, recuperó el título original en italiano (El Sistema Periódico). Un pdf gratuito de esta versión está en la red.

A lo largo de esos veintidós capítulos, cada elemento le sirve a Levi para recrear un episodio de su vida, sus recuerdos, sus amigos, sus amores y sus desventuras. Para un químico viejo como yo hay episodios divertidos como el del hidrógeno, donde cuenta sus aventuras con un amigo, ambos de temprana edad, haciendo "experimentos" peligrosos con peligrosas consecuencias, algo que tuve el atrevimiento de hacer con similar número de calendarios. Otros son terribles, como el del hierro, en el que pormenoriza su amistad con una persona que acabó siendo ejecutada por un niño de los que los nazis extraían de los orfanatos para dedicarlos a esa macabra labor. O el del vanadio en el que describe cómo, veinte años después del fin de la guerra, identifica en el transcurso de una relación comercial por carta y como consecuencia de un mínimo detalle, a un tal Dr. Muller (un apellido tan corriente como Pérez) a cuyas órdenes había trabajado como prisionero en los últimos meses de la guerra. Y no voy a contar casi nada más, a ver si os pongo sobre ascuas y os incito a su lectura. No es un libro de Química ni de Ciencia al uso, aunque en 2006 la Royal Institution le otorgara el título de mejor libro de Ciencia, mediante una votación informal entre el público presente en un evento celebrado en el londinense Imperial College, público al que se invitó a elegir entre una lista de obras relacionadas con la Ciencia.

Pero si algún capítulo me gusta particularmente ese es el último, dedicado al carbono. El capítulo parte de una mina de carbonato cálcico, en la que un trabajador desprende un trozo del mismo para llevarlo a un horno y producir así cal (óxido de calcio) y un gas (CO2) que escapa por la chimenea. A partir de ahí, Levi sigue la pista de un átomo de carbono insertado entre dos oxígenos en la molécula de ese gas, un ejemplo más de la doble cara de la Química: "gas de la vida" por un lado y convicto "botón" con el que controlar el calentamiento global, por otro. El autor confiesa que ha dejado correr su imaginación por uno de los infinitos caminos posibles en los que ese átomo de carbono puede viajar. Respirada la molécula de CO2 por un halcón, devuelta a la atmósfera tal cual, disuelta varias veces en agua de un océano o un río y de nuevo reincorporada a esa mezcla de gases que llamamos aire, "hasta que se encontró con la prisión y la aventura orgánica". Una forma sutil de explicar la captura de la molécula en la hoja de una viña gracias al concurso de la luz solar, lo que técnicamente llamamos fotosíntesis, un proceso que despoja al carbono de nuestra molécula de CO2 de sus dos compañeros de viaje (los oxígenos) y le hace entrar a formar parte de una molécula de glucosa que acaba en el seno de uno de las uvas de un racimo maduro.

Glucosa que es oxidada en un esfuerzo realizado, persiguiendo a un animal, por la persona que se comió el racimo. Y que devuelve al carbono, de nuevo en forma de CO2, al aire y acabar otra vez, por mor de la fotosíntesis, en un cedro que, al cabo de muchos años, es atacado por una carcoma, que lo incorpora a su organismo. La carcoma forma su capullo y nuestro carbono sale en primavera en los ojos de una fea mariposa gris. El insecto fecundado, deposita sus huevos y muere...... Y la cosa sigue así en una historia casi interminable, hasta que en las últimas veinte líneas del capítulo y del libro, ese carbono acaba alojado en una célula del cerebro del propio Primo Levi tras beberse un vaso de leche. Esa célula, que atesora la capacidad de escribir, "es la célula que en este instante, surgiendo de un entramado laberíntico de síes y noes, hace a mi mano correr sobre el papel en una determinada dirección y dejarlo marcado con estas volutas que son signos: un doble disparo, hacia arriba y hacia abajo, entre dos niveles de energía, está guiando esta mano mía para que imprima sobre el papel este punto: éste."

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