Ισχυρές ακτίνες Χ αποκαλύπτουν τον τρόπο γέννησης τεράστιων κοιτασμάτων σπάνιων γαιών

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Παρά το όνομα, οι σπάνιες γαίες είναι σχετικά διαδεδομένες στον φλοιό της Γης, σε σύγκριση με στοιχεία όπως ο χρυσός και ο λευκόχρυσος. Ωστόσο, τα μεγάλα, συγκεντρωμένα -κατάλληλα για εξόρυξη- κοιτάσματα σπανίων γαιών είναι πολύ πιο σπάνια.

Για να κατανοήσουμε πώς σχηματίζονται αυτές τα κοιτάσματα, επιστήμονες αναδημιουργήσαν τις πολύ υψηλές θερμοκρασίες, πιέσεις και χημικά περιβάλλοντα που εμφανίζονται χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια της Γης και χρησιμοποιήσαν ισχυρές ακτίνες Χ για να διερευνήσουν τη συμπεριφορά των στοιχείων σπάνιων γαιών μέχρι το μοριακό επίπεδο.

Μέσω της ανωτέρω μεθόδου, ανακαλύψαν μια προηγουμένως άγνωστη διαδικασία με την οποία στοιχεία σπάνιων γαιών μπορούν να συνδεθούν με μια κοινή ανθρακική ένωση ουσία σε θερμά ρευστά σε υψηλή πίεση. Αυτό παρέχει ενδείξεις για το πώς σχηματίζονται τα μεγάλα κοιτάσματα σπάνιων γαιών και επίσης για το πώς μπορούμε να αναστρέψουμε αυτή τη διαδικασία για την ανάκτηση αυτών των σπάνιων μετάλλων με πιο βιώσιμο τρόπο.

Οι σπάνιες γαίες είναι μια ομάδα 15 βαρέων μετάλλων που βρίσκονται στο κάτω μέρος του περιοδικού πίνακα (από το λανθάνιο έως το λουτέτιο). Δύο ακόμη στοιχεία (σκάνδιο και ύττριο) περιλαμβάνονται επίσης συχνά στην ομάδα, λόγω ομοιοτήτων στη χημική τους συμπεριφορά.

Τα σημερινά γιγάντια κοιτάσματα σπάνιων γαιών συνδέονται με ασυνήθιστους τύπους τηγμένων πετρωμάτων, τον ανθρακίτη και τα αλκαλικά μάγματα. Αυτά τα μάγματα δεν περιέχουν πολύ πυρίτιο (το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της Γης μετά το οξυγόνο), αλλά περιλαμβάνουν πολλά αλκαλικά μέταλλα (νάτριο και κάλιο), ασβέστιο και πτητικά στοιχεία όπως άνθρακα, φθόριο ή φώσφορο.

Όλοι τα πετρώματα γύρω μας περιέχουν σημαντικές ποσότητες στοιχείων σπάνιων γαιών, αλλά απαντώνται σε ικανές συγκεντρώσεις σε αυτά τα εξωτικά μάγματα μέσω της αργής κρυστάλλωσης στο φλοιό της Γης. Αυτό συνήθως δεν αρκεί για να δημιουργήσει ένα κοίτασμα μεταλλεύματος, το οποίο αποτελείται από εκατομμύρια τόνους πετρωμάτων που με τη σειρά τους αποτελούνται από 5 έως 50% κατά βάρος στοιχείων σπάνιων γαιών αλλά απαιτείται ένα δεύτερο βήμα συγκέντρωσης.

Σε γιγάντια κοιτάσματα, όπως το Bayan Obo στην Μογγολία, τα θερμά ρευστά, φέροντας υψηλές περιεκτικότητες σε ανθρακικές ενώσεις, φαίνεται να έχουν υποβληθεί σε αυτό το επιπλέον στάδιο συγκέντρωσης. Αλλά το πώς ακριβώς ήταν ένα μυστήριο.

Πιστεύουμε ότι τα μεταλλεύματα σπάνιων γαιών σχηματίστηκαν χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια της Γης. Πριν από εκατομμύρια χρόνια, οι υψηλές θερμοκρασίες (200-800℃) και πιέσεις (εκατοντάδες έως χιλιάδες φορές μεγαλύτερες από την ατμοσφαιρική πίεση) μετέτρεψαν τις προϋπάρχουσες συγκεντρώσεις σπάνιων γαιών σε μεγάλα κοιτάσματα.

Δεν υπάρχει τρόπος να παρακολουθήσουν οι γεωλόγοι το σχηματισμό μεταλλεύματος, αλλά οι επιστήμονες προσπάθησαν να κάνουν πραγματικότητα την επόμενη καλύτερη εναλλακτική. Μπόρεσαν να αναδημιουργήσουν και να μελετήσουν παρόμοιες συνθήκες σαν αυτές που επικρατούσαν κατά τη διάρκεια του σχηματισμού αυτών των μεταλλευμάτων, χρησιμοποιώντας τη French Absorption spectroscopy beamline (FAME) στην Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Ακτινοβολίας Συγχρότρου (ESRF) στη Γκρενόμπλ της Γαλλίας. Οι ερευνητές χρησιμοποιήσαν ένα ειδικά σχεδιασμένο αυτόκλειστο (γεωλογικό δοχείο διεργασιών) για να δημιουργήσουν θερμοκρασίες έως 600℃ και πιέσεις έως 200 megapascals, που αντιστοιχούν σε βάθη περίπου 7 χιλιομέτρων από την επιφάνεια της Γης.

Στο ESRF synchrotron, το οποίο είναι ουσιαστικά ένα γιγάντιο πιστόλι ακτίνων Χ, 100 δισεκατομμύρια φορές πιο ισχυρό από μια συσκευή ακτίνων Χ νοσοκομείου, μπόρεσαν να διερευνήσουν τη σύνθεση και τη μοριακή δομή των υγρών και των διαλυμένων υλικών μέσα στο αυτόκλειστο. Πιο συγκεκριμένα, οι ερευνητές διερευνήσαν πώς οι σπάνιες γαίες συνδέονται με χλώριο, φθόριο, υδροξείδιο ή ανθρακικές ενώσεις που υπάρχουν σε ρευστά σε υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες. Οι αντιδράσεις μεταξύ των στοιχείων σπάνιων γαιών και αυτών των αποκαλούμενων «προσδεμάτων» είναι υπεύθυνες για τη διαλυτότητα των ορυκτών σπάνιων γαιών.

Τα αποτελέσματα ήταν απροσδόκητα. Πρώτον, ανακαλύφθηκε ότι τα πλούσια πλούσια σε ανθρακικά ρευστά μπορούν να φέρουν μεγάλες ποσότητες σπάνιων γαιών. Δεύτερον, η προσθήκη φθορίου είχε μικρή επίδραση στην ικανότητα των ρευστών να φέρουν στοιχεία σπάνιων γαιών.

Αυτό σημαίνει ότι θερμά ρευστά, πλούσια σε ανθρακικά, θα μπορούσαν να μεταφέρουν στοιχεία σπάνιων γαιών και φθόριο μαζί. Συνεπώς, κοινά μεταλλεύματα όπως ο bastnäsite, δηλαδή το ανθρακικό-φθοριούχο ορυκτό των σπανίων γαιών δημητρίου, υττρίου και λανθανίου, θα μπορούσαν να καθιζάνουν όταν το ρευστό κρυώσει.

Τα πειράματα κατέδειξαν επίσης ότι τα πλούσια σε ανθρακικά ρευστά, θα συγκεντρώνουν περισσότερες ελαφριές σπάνιες γαίες (όπως το λανθάνιο) ή βαριές (όπως το γαδολίνιο και το υττέρβιο) σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Αυτό είναι σημαντικό για τον προσδιορισμό της οικονομικής αξίας των μεταλλευμάτων, καθώς ορισμένα στοιχεία σπανίων γαιών είναι πιο ακριβά από άλλα.

Επιπλέον, το οικονομικό και περιβαλλοντικό κόστος της εξόρυξης στοιχείων σπάνιων γαιών επηρεάζεται έντονα από τη δυσκολία διαχωρισμού των διαφορετικών στοιχείων. Πολλά μεταλλεύματα περιέχουν επίσης ραδιενεργά στοιχεία όπως ουράνιο και θόριο, τα οποία πρέπει να αντιμετωπιστούν. Τα αποτελέσματα της έρευνας αποκαλύπτουν μια νέα μέθοδο για την επεξεργασία στοιχείων σπάνιων γαιών: τη χρήση περιβαλλοντικά αβλαβών ανθρακικών διαλυμάτων για την έκπλυση στοιχείων σπάνιων γαιών από το μετάλλευμα σε υψηλές θερμοκρασίες.

Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να είμαστε σε θέση να αναστρέψουμε τη διαδικασία σχηματισμού μεταλλεύματος, με σκοπό την εξαγωγή των σπάνιων γαιών που απαιτούνται για την παγκόσμια μετάβαση σε μια οικονομία ουδέτερη από άνθρακα.

Με πληροφορίες από theconversation.com

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR