Τεχνολογική ηγεμονία των σπάνιων γαιών στην εποχή της τεχνητής νοημοσύνης

Οι ΣΓ και άλλες κρίσιμες ορυκτές πρώτες ύλες (ΚΟΠΥ) είναι θεμελιώδη σε πολλές βασικές τεχνολογίες που υποστηρίζουν την ΤΝ. Χωρίζονται σε τρεις βασικούς τομείς:

1. Στα ηλεκτρονικά και τσιπ

• Ημιαγωγοί (Γάλλιο, Γερμάνιο): Χρησιμοποιούνται σε υψηλής απόδοσης τσιπ και μεταφορείς ισχύος, που είναι ζωτικής σημασίας για τους επεξεργαστές γραφικών (GPU) που τρέχουν αλγόριθμους ΤΝ.
• Σπάνιες Γαίες (Ύττριο, Γαδολίνιο): Ενισχύουν τη σταθερότητα και την απόδοση ημιαγωγών.
• Παλλάδιο: Χρησιμοποιείται σε προηγμένα AI τσιπ και αισθητήρες.

2. Στα δεδομένα και τη διασύνδεση

• Μόνιμοι Μαγνήτες (Νεοδύμιο, Δυσπρόσιο): Βρίσκονται στους κινητήρες των ανεμιστήρων ψύξης των servers και των κέντρων διαχείρισης και διάθεσης ψηφιακών δεδομένων (data centers). Επίσης, βοηθούν στην επεξεργασία δεδομένων στους σκληρούς δίσκους.
• Γερμάνιο: Βασικό συστατικό στις οπτικές ίνες για υψηλής ταχύτητας μεταφορά δεδομένων.
• Ταντάλιο: Χρησιμοποιείται στα πυκνωτές των μικροτσίπ.

3. Στην υποδομή ενέργειας

Η ΤΝ απαιτεί τεράστια ποσά ενέργειας. Αυτό αυξάνει τη ζήτηση για:

• Χαλκό: Για καλώδια μεταφοράς ρεύματος και συστήματα ψύξης στα data centers.
• Αλουμίνιο: Για πλαίσια servers και ψύκτες.
• Λίθιο & Κοβάλτιο: Σε συστήματα εφεδρικών μπαταριών (UPS).

Παράλληλα, η ΤΝ αποτελεί πολύτιμο εργαλείο για να αντιμετωπιστούν οι προκλήσεις της παγκόσμιας τροφοδοσίας και προμήθειας. Συγκεκριμένα:

• Συμβολή στον εντοπισμό κοιτασμάτων: Τα εργαλεία ΤΝ, όπως το μοντέλο της ομάδας GAIA του Εθνικού Εργαστηρίου Τεχνολογίας Ενέργειας των ΗΠΑ (National Energy Technology Laboratory /NETL), αναλύουν γεωλογικά δεδομένα για να προβλέψουν την παρουσία ΚΟΠΥ σε μη παραδοσιακές πηγές, όπως είναι τα ιστορικά μεταλλευτικά απόβλητα ή ιζηήματογενείς σχηματισμοί. Αυτή η τεχνολογία ήταν καθοριστική για την ανακάλυψη της μεγαλύτερης πηγής «μαγνητικών» ΣΓ τις ΗΠΑ στο Brook Mine του Wyoming.
• Βελτιστοποίηση των υφιστάμενων τεχνολογιών: Εταιρείες όπως η ZF Friedrichshafen AG χρησιμοποιούν αλγόριθμους ΤΝ για την ακριβέστερη πρόβλεψη της θερμοκρασίας στους ηλεκτρικούς κινητήρες. Αυτό επιτρέπει τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού και μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της ποσότητας των ΣΓ που απαιτούνται στους μόνιμους μαγνήτες.

Ο κρίσιμος ρόλος των ΣΓ και άλλων ΚΟΠΥ δημιουργεί σημαντικές γεωπολιτικές προκλήσεις και μια παγκόσμια προσπάθεια για μεγαλύτερη αυτάρκεια:

• Κυριαρχία της Κίνας: Η Κίνα ελέγχει σήμερα το ~70% της παγκόσμιας παραγωγής ΣΓ και μέχρι και το 98% της προμήθειας γαλλίου και ~60% του γερμανίου. Η ΕΕ εισάγει το 98% των σπάνιων γαιών που χρειάζεται, κυρίως από την Κίνα.
• Προσπάθειες για διαφοροποίηση
  • Ελλάδα & ΕΕ: Στην Ελλάδα έχουν εντοπιστεί δυναμικά κοιτάσματα, στη βάση σχετικών επενδύσεων (π.χ. για παραγωγή γαλλίου από βωξίτη). Η Ευρωπαϊκή Ένωση στοχεύει στη δημιουργία κυρίαρχων συστημάτων ΤΝ, για να μειώσει την εξάρτηση από την αμερικανική τεχνολογία.
  • ΗΠΑ: Επενδύει σε εγχώρια εξόρυξη και επεξεργασία. Το Υπουργείο Ενέργειας υποστηρίζει έργα που χρησιμοποιούν ΤΝ για να επιταχύνουν την εξόρυξη.
• Εναλλακτικές δυνατότητες και ανακύκλωση: Γίνεται έρευνα για την ανάπτυξη μαγνητών χωρίς σπάνιες γαίες και τεχνολογιών αποδοτικής ανακύκλωσης από ηλεκτρονικά απόβλητα.

Οι ΣΓ και άλλες ΚΟΠΥ δεν είναι απλώς χρήσιμα, αλλά απαραίτητα για την ύπαρξη της σύγχρονης ΤΝ. Ωστόσο, η στενή γεωπολιτική συγκέντρωση της παραγωγής τους, κυρίως στην Κίνα, δημιουργεί κινδύνους για τις παγκόσμιες αλυσίδες προμήθειας. Η αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων περιλαμβάνει τριπλή στρατηγική: χρήση της ίδιας της ΤΝ για την επιτάχυνση της ανακάλυψης νέων κοιτασμάτων, αύξηση της εγχώριας παραγωγικής ικανότητας σε χώρες όπως η Ελλάδα και οι ΗΠΑ, και επένδυση σε εναλλακτικές λύσεις και στην ανακύκλωση. Η διασφάλιση της πρόσβασης σε αυτές τις ΚΟΠΥ καθορίζει την τεχνολογική ηγεμονία του μέλλοντος.

Οι ποσότητες των ΣΓ που χρησιμοποιούνται σε κάθε τεχνολογία και σχετικό προϊόν διαφέρουν σημαντικά, από τα γραμμάρια σε ένα κινητό τηλέφωνο μέχρι τους τόνους σε μεγάλες ανεμογεννήτριες. 

Κινητά τηλέφωνα και μικρά ηλεκτρονικά

Οι ποσότητες εδώ είναι πολύ μικρές, αλλά απαραίτητες.

• Κινητό Τηλέφωνο: Περιέχει λιγότερο από 1 γραμμάριο (συνήθως 0,5 – 1,0 γρ.) από ένα μείγμα ΣΓ. Αυτά βρίσκονται στον δονητή, τα ηχεία, το μικρόφωνο (ως μαγνήτες νεοδυμίου) και στην οθόνη (ως φωσφορίτες ευρωπίου, υττρίου για τα χρώματα).
• Σκληρός Δίσκος (HDD): Απαιτεί περίπου 15-20 γραμμάρια νεοδυμίου για τον ισχυρό μαγνήτη που διαθέτει και διαβάζει τα δεδομένα.

Ηλεκτρικά Οχήματα (ΗΟ)/ Electric Vehicle (EV)

Η κύρια χρήση είναι στους κινητήρες.

• Κινητήρας επαγωγής (Tesla Model 3/Y): Χρησιμοποιεί χαλκό και δεν έχει μαγνήτες ΣΓ.
• Κινητήρας μόνιμου μαγνήτη: Χρειάζεται 1-3 κιλά (kg) ΣΓ ανά κινητήρα, κυρίως νεοδύμιο, πρασεοδύμιο και συχνά δυσπρόσιο. Ένα τυπικό ΗΟ (Σχήμα 1) μπορεί να περιέχει συνολικά 2-5 κιλά ΣΓ (συμπεριλαμβανομένων του κινητήρα, των ηχείων, των μικροκινητήρων, κ.λπ.).
• Μπαταρία Νικελίου NiMH (όπως στα υβριδικά Toyota): Μπορεί να περιέχει 10-15 κιλά λανθανίου και άλλα ΣΓ.

Ανεμογεννήτριες

Η ποσότητα εξαρτάται άμεσα από το μέγεθος του στρόβιλου/τουρμπίνας και τον τύπο της γεννήτριας (Σχήμα 1).

• Ανεμογεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος με ταχύτητα (με κιβώτιο ταχυτήτων): Χρησιμοποιεί γεννήτριες με χαλκό και μπορεί να μην έχει καθόλου ή να έχει πολύ λίγους μαγνήτες ΣΓ.
• Ανεμογεννήτρια Direct-Drive με Μόνιμους Μαγνήτες: Αυτή η σύγχρονη, χαμηλής συντήρησης σχεδίαση απαιτεί τους περισσότερους μαγνήτες. Μια ανεμογεννήτρια ισχύος 3-5 μεγαβάτ (MW) μπορεί να χρειαστεί 600 έως 2.000 κιλά νεοδυμίου-μαγνητικής σύνθεσης. Το καθαρό βάρος ΣΓ (νεοδύμιο, δυσπρόσιο) σε αυτά τα κιλά μπορεί να είναι 200-400 κιλά ανά στρόβιλο.

Τσιπ και Ημιαγωγοί

Εδώ, οι ΣΓ χρησιμοποιούνται σε ελάχιστες ποσότητες ως πρόσμιξη για να βελτιώσουν ιδιότητες, όχι ως βασική πρώτη ύλη.

• Διάθλαση σε κάμερα/φακό: Χρησιμοποιείται λανθάνιο για να αυξήσει τον δείκτη διάθλασης.
• Επεξεργασία πυριτίου / Φωσφορίτες LED: Για την παραγωγή φωσφοριτών για μικρο-LED και οθόνες OLED, χρησιμοποιούνται ευρώπιο, τέρβιο, ύττριο σε ποσότητες που μετρώνται σε χιλιοστά του γραμμαρίου ανά τσιπ.
• Σε ημιαγωγούς: Η παγκόσμια ζήτηση για ΣΓ στην παραγωγή ημιαγωγών ήταν ~160.000 τόνοι ετησίως το 2026.

Κινητό τηλέφωνο

• Ποσότητα ΣΓ: <1 g
• Βασικά Στοιχεία: Nd, Eu, Y, Tb

Σκληρός Δίσκος (HDD)

• Ποσότητα ΣΓ: 15-20 g
• Βασικά Στοιχεία: Nd

Ηλεκτρικό Όχημα (EV)

• Ποσότητα ΣΓ: 2-5 kg
• Βασικά Στοιχεία: Nd, Pr, Dy

Ανεμογεννήτρια Direct-Drive (3-5 MW)

• Ποσότητα ΣΓ: 200-400 kg
• Βασικά Στοιχεία: Nd, Dy

1. Μικρές ποσότητες, τεράστιος αντίκτυπος: Ακόμη και <1 γραμμάριο σε ένα τηλέφωνο είναι κρίσιμο για τη λειτουργία του.
2. Ο κινητήρας είναι ο μεγάλος καταναλωτής: Τα EV και οι ανεμογεννήτριες με μόνιμους μαγνήτες καταναλώνουν χιλιάδες φορές περισσότερο από ένα κινητό τηλέφωνο, κυρίως για τους μαγνήτες νεοδυμίου.
3. Τάση εξέλιξης: Η τεχνολογία κινείται προς λύσεις που ελαχιστοποιούν ή αποφεύγουν τις ΣΓ (π.χ., κινητήρες επαγωγής σε EV, γεννήτριες με κιβώτιο σε ανεμογεννήτριες) λόγω κόστους και ανεφοδιασμού. 

Ο Πίνακας 1 συνοψίζει τις ποσότητες ΣΓ που χρησιμοποιούνται σε διάφορες τεχνολογίες.

• Κλίμακα ποσοτήτων: Η χρήση κλιμακώνεται δραματικά από γραμμάρια (κινητά) σε κιλά (αυτοκίνητα) και εκατοντάδες κιλά (ανεμογεννήτριες).
• Κεντρικός παράγοντας - Οι Μαγνήτες: Οι ποσότητες καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από την ανάγκη για ισχυρούς μόνιμους μαγνήτες (δυσπρόσιο-νεοδύμιο-βόριο). Η έλλειψη εναλλακτικών τεχνολογικών λύσεων σε εφαρμογές υψηλής απόδοσης (όπως EV, ανεμογεννήτριες) καθιστά τις ΣΓ κρίσιμες.
• Πολυπλοκότητα και εναλλακτικές δυνατότητες: Πολλά προϊόντα περιέχουν ένα "cocktail" από διαφορετικές ΣΓ για διάφορες εφαρμογές. Παράλληλα, υπάρχει ισχυρή τάση για υποκατάστατα με μειωμένες ΣΓ λόγω κόστους και κινδύνων ανεφοδιασμού.
• Μικρές ποσότητες, τεράστια σημασία: Ακόμη και λιγότερο από 1 γραμμάριο σε ένα κινητό είναι απόλυτα απαραίτητο για τη λειτουργία του. Η συνολική ζήτηση από δισεκατομμύρια συσκευές και νέες τεχνολογίες δημιουργεί τεράστια παγκόσμια πίεση στην προσφορά.

Ο συνδυασμός υπερσύγχρονης τεχνολογίας όπως η ΤΝ με ΚΟΠΥ, όπως οι σπάνιες γαίες είναι από τα πιο ενδιαφέροντα θέματα της εποχής μας. Η κατανόηση των ποσοτήτων που χρησιμοποιούνται βοηθάει να διατυπωθούν καλύτερα και οι προκλήσεις και οι λύσεις.

Οι σπάνιες γαίες και άλλα κρίσιμα ορυκτά είναι απαραίτητα σε πολλές άλλες τεχνολογικές εφαρμογές πέρα από αυτές που προαναφέρθηκαν. Οι εφαρμογές τους καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα, από την άμυνα (Σχήμα 2) και την ενέργεια μέχρι τις καθημερινές τεχνολογίες και τις βιομηχανικές διεργασίες.

Στόχευση πυραύλων / Μαγνήτες υψηλής απόδοσης

• Χρήση: Μαγνήτες σαμαρίου-κοβαλτίου (SmCo) για ακρίβεια και σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες
• Στοιχεία: Σαμάριο (Sm), Κοβάλτιο (Co)
• Περισσότερες πληροφορίες: Χρησιμοποιούνται σε συστήματα όπως οι πύραυλοι Τόμαχοκ για ακριβή στοχεύση.

Αυτόνομα συστήματα / Ρομποτική

• Χρήση: Μαγνήτες για αισθητήρες και κινητήρες υψηλής ακρίβειας
• Στοιχεία: Νεοδύμιο (Nd), Δυσπρόσιο (Dy).

Συστήματα άμυνας & Παρακολούθησης

• Χρήση: Μαγνήτες σε ραντάρ, συστήματα αυτοπλοΐας
• Στοιχεία: Διάφορες ΣΓ (π.χ., Nd, Sm, Tb).

Καθαρισμός / Οπτικά

• Χρήση: Εγενή λειαντικά και οπτικά
• Στοιχεία: Υττριο (Y), Λανθάνιο (La), Δυσπρόσιο (Dy), Νεοδύμιο (Nd), Κηρίο (Ce).

Τσιπ υπολογιστών / Συσκευές LED

• Χρήση: Λειαντικά για πλακέτες τσιπ, φωσφορίτες για οθόνες και LED
• Στοιχεία: Δημήτριο (Ce), Γαδολίνιο (Gd), Ευρώπιο (Eu), Τέρβιο (Tb).

Υποδομή Τεχνητής Νοημοσύνης

• Χρήση: Μαγνήτες σε ανεμιστήρες ψύξης data centers, μικροτσίπ, οπτικές ίνες
• Στοιχεία: Νεοδύμιο (Nd), Γάλλιο (Ga), Γερμάνιο (Ge), Παλλάδιο (Pd), Ταντάλιο (Ta).

Καταλύτες / Μετατροπής Ενέργειας

• Χρήση: Βιομηχανικοί καταλύτες για διύλιση πετρελαίου, κυψέλες καυσίμου υδρογόνου
• Στοιχεία: Λανθάνιο (La), Δημήτριο (Ce).

Κράματα

• Χρήση: Βιομηχανικά κράματα
• Στοιχεία: Δημήτριο (Ce), Λανθάνιο (La), Νεοδύμιο (Nd).

Πράσινο υδρογόνο / Ανανεώσιμες πηγές

• Χρήση: Καταλύτες για παραγωγή πράσινου υδρογόνου
• Στοιχεία: Λανθάνιο (La), Δημήτριο (Ce).

Συνεπώς η ζήτηση για ΣΓ είναι στενά συνδεδεμένη με στρατηγικούς τομείς (άμυνα, κλιματικοί στόχοι) και υψηλής αξίας βιομηχανίες (υπολογιστές, AI). Η γεωπολιτική συγκέντρωση της προσφοράς, ιδιαίτερα στην Κίνα, δημιουργεί πιέσεις για διάσπαση της αλυσίδας εφοδιασμού και επένδυση σε ανακύκλωση και υποκατάστατα υλικά.

Mark Rachovides, Nikolaos Arvanitidis, Demetrios Constantinides, Florian Anderhuber, Chapter 19 - Critical minerals and rare earths elements: Ethical and societal considerations, Editor(s): Silvia Peppoloni, Giuseppe Di Capua, Geoethics for the Future, Elsevier, 2024, Pages 249-267, ISBN 9780443156540, https://doi.org/10.1016/B978-0-443-15654-0.00008-6.

Σπάνιες γαίες, εκμετάλλευση Κοιτασμάτων Κρίσιμων Ορυκτών Πρώτων Υλών και προοπτικές για την ΕΕ https://www.huffingtonpost.gr/ikonomia/spanies-gees-ekmetallefsi-kitasmaton-krisimon-orikton-proton-ilon-ke-prooptikes-gia-tin-ee/

Όλο και πιο «σπάνια» η αλήθεια για τις Σπάνιες Γαίες https://www.huffingtonpost.gr/ikonomia/olo-ke-pio-spania-i-alithia-gia-tis-spanies-gees/

Σκληρή η «μάχη» για τις Σπάνιες Γαίες αλλά στο τέλος κερδίζει πάντα η Κίνα https://www.huffingtonpost.gr/diethnes/skliri-i-machi-gia-tis-spanies-gees-alla-sto-telos-kerdizi-panta-i-kina/

Γεωπολιτική, Σπάνιες Γαίες και ο αγώνας των υπερδυνάμεων για τον Ορυκτό Πλούτο της Γροιλανδίας https://www.huffingtonpost.gr/diethnes/geopolitiki-spanies-gaies-kai-o-agonas-ton-yperdynameon-gia-ton-orykto-plouto-tis-groilandias/

The High-Value Bottleneck: Why Critical Minerals mining is not enough without Rare Earth refining and magnet autonomy https://rawmathub.gr/synentefkseis-kai-arthra-gia-protes-yles/arthra-gia-protes-yles/the-high-value-bottleneck-why-critical-minerals

Μπαταρίες λιθίου και μαγνήτες νεοδυμίου, ανανεώνουν την ενέργεια στην ηλεκτροκίνηση https://sme.gr/arthrografia/bataries-lithiou-kai-magnites-neodymiou-ananeonoun-tin-energeia-stin-ilektrokinisi/ 

Κρίσιμες Ορυκτές Πρώτες Ύλες της Ευρώπης με έμφαση στις Σπάνιες Γαίες https://thessculture.gr/arthrografia/epikairotita/dialexi-gia-tis-spanies-gaies-sto-amfi/