A massive wind turbine—capable of t

A massive wind turbine—capable of turning the breeze into two million watts of power—has 40-meter-long blades made from fiberglass, towers 90 meters above the ground, weighs hundreds of metric tons, and fundamentally relies on roughly 300 kilograms of a soft, silvery metal known as neodymium—a so-called rare earth.

This element forms the basis for the magnets used in the turbines. "Large permanent magnets make the generators feasible," explains materials scientist Alex King, director of the U.S. Department of Energy's (DoE) Ames Laboratory in Iowa, which started making rare earth magnets in the 1940s as part of the Manhattan Project. The stronger the magnets are, the more powerful the generator—and rare earth elements such as neodymium form the basis for the most powerful permanent magnets around.

In the modern world rare earths go far beyond magnets. Spanning 17 elements—from lanthanum to lutetium, plus scandium and yttrium—they find use in computers, screens, superconductors, oil refineries, hybrid or electric vehicles, catalytic converters, compact fluorescent lightbulbs, light-emitting diodes, lasers, audio speakers and microphones, cell phones, MRI machines, telecommunications, battery electrodes, advanced weapons systems, polished glass, and even the electric motors that run automobile windows. "There is no single military system in use by the Pentagon that does not contain rare earths," King notes, ranging from Abrams tanks to radar systems.

Strong attractor
But, in large part, magnets drive the growth in demand for rare earths such as neodymium—swelling by 15 percent per year, according to an analysis published in Science—and dysprosium. Magnets are the key to generating electricity, of course, and electricity is the key to the use of cleaner sources of energy—whether wind turbines or electric vehicles.

At the heart of those devices sits the most powerful magnet available today—a mix of neodymium, iron and boron, which can produce an energy product of as much as 60 megagauss–oersteds (a unit of magnetic strength). For comparison, a typical iron magnet has an energy product of only four megagauss–oersteds and a refrigerator magnet is typically a mere 0.5 megagauss–oersted. "The stronger the magnet, the smaller the magnet can be," explains Luana Iorio, a manager at GE's High Temperature Alloys and Processing Laboratory.

Fortunately, the elements "are neither rare nor earths," as in soil (although they can be found there), King adds. The name comes from their seeming scarcity when first discovered in the late 18th century in an ore found near Ytterby, Sweden. Unfortunately, "finding reasonable concentrations of them that are economically extractable is quite rarer."

As it stands, 97 percent of the 124,000 metric tons of neodymium, dysprosium—the name means "hard to get"—and other important rare earth elements produced each year come from one place: China. "When demand for neodymium started to rise, driven in part by wind turbines and hybrid autos, the Chinese were the only providers left," King says. And demand for the rare earths continues to outpace supply, particularly as China has implemented export quotas.

So the hunt is on for both better ways to use rare earths as well as better ways to mine and, perhaps more important, cleanly separate the rare earths for use.

A critical pass
Vast waste ponds scar the landscape on the banks of the Yellow River, 190 kilometers from the city of Baotou in China. Visible from space, the Bayan–Obo iron mine in Inner Mongolia is the world's largest source of rare earths, and the Chinese companies supplying them employ acid to dissolve them out of ore rock that often also contains radioactive elements like thorium, radium or even uranium. Intensive boiling with strong acids—repeated thousands of times because the elements are so chemically similar—finally separates out the neodymium, dysprosium or cerium.

Such a difficult production process is one reason why the U.S. no longer mines them. Until the 1990s, the U.S. was the major supplier of rare earths, largely out of one mine in Mountain Pass, Calif., owned by oil company Unocal, now part of Chevron. Unocal shut down that mine—and processing facility—in 2002 because they could not compete with China's purer product that began to flood the market in the 1990s. Unocal "didn't think there would be a need for high-purity products," explains chemist John Burba, chief technology officer for Molycorp, the company hoping to reopen rare earth production at the Mountain Pass Mine.

Plus, the operations were not exactly environmentally friendly. "Back in the 1990s the plant was sending 850 gallons of wastewater per minute down a pipeline into evaporation ponds," Burba notes. "It was a devil's mixture because of the chemistry they employed." In addition, the rare earths at Mountain Pass are mixed with radioactive thorium, requiring special care in handling and disposal.

The whole slew of rare earth elements are a challenge to separate because of their chemical similarity—and they are never found alone. "The challenge with rare earths is they always occur together," GE's Iorio explains. "There are processing costs to separate them out from each other."

Regardless, the Chinese National Offshore Oil Corp. (CNOOC) wanted to purchase Unocal—and its California rare earth asset—in 2005, a move the U.S. military blocked, according to Burba. Now Molycorp wants to restart operations by 2012 using a new process, which will require Molycorp to essentially rebuild the entire operation at a cost of $500 million. The process employs a strong acid and a base to separate the rare earths—the so-called chlor–alkali solvent extraction method—but it still will not produce pure rare earths; rather it will yield oxides of cerium, lanthanum, praseodymium and neodymium.

SEE ALSO:
Health: Researchers Seek Cancer Clues from Pet Dogs | Mind: Animals Have More Social Smarts Than You May Think | Tech: Are We on the Cusp of War—in Space? | The Sciences: The Mystery of the Cat's Inner Eyelid
In essence, Mountain Pass will become a chemical plant, sucking up electricity and steam from an on-site natural gas–fired boiler. In addition, the wastewater of the process will be recycled back to produce the strong acid and base necessary to start the process all over again—hydrochloric acid and sodium hydroxide. "Mining is a very small part of our operation," Burba says, noting that mining the ore containing the rare earths is only 10 percent of his company's cost. "The vast majority of what we do is advanced chemistry."

Of course, there will still be by-products—such as the residual ore, or tailings, from the mining and separation as well as calcium carbonate, magnesium carbonate and magnesium hydroxide from the chemical process, along with that pesky thorium. But the primary salt from the chlor–alkali process is sodium chloride (otherwise known as table salt), which will be recycled back into the process using some of the steam generated on site and use to make new acid and base using a chlor-alkali unit. "It's a big saltwater loop," Burba explains. "Our water consumption is 10 percent or less of what had been done historically at this site."

By next year, the site hopes to produce 2.7 million kilograms of rare earth oxides a year—separating the elements from the ore using a liquid ion-exchange process. By 2015, they hope to be at full production, producing 18 million kilograms of various rare earth oxides a year. "We have greater than 30 years of mining capacity at 40 million pounds per year," Burba says.

But that only represents 6 percent of the present global market, which is still growing. The U.S. Government Accountability Office estimates it will take seven to 15 years to find new rare earth deposits, build the infrastructure to process them, and make them available to manufacturers. "This is not like going out and panning for gold," Burba notes. "This processing requires a huge amount of chemical processing. You have to have good infrastructure."

Geologists have found deposits in Australia, Canada, Mongolia, Vietnam and even Greenland, and efforts are also underway to begin mining the deposits in the legions of discarded electronics available today. "There is a lot of rare earth material out there in used products; extracting from that urban mine will be viable," argues King of Ames Lab, which also has scientists working on better extraction methods for, say, neodymium from ores or old generators. "Recycling is definitely going to be a big part of the solution to this problem."

But for the foreseeable future China will continue to dominate rare earth production—and it holds the world's largest reserves, nearly twice as much as its neighbors to the north and west in the Commonwealth of Independent States (an organization of former Soviet republics formed after the dissolution of the U.S.S.R.) and three times as much as U.S. reserves. And China is the only producer of dysprosium—vital for the heat-resistant magnets favored by the U.S. military and hybrid car–makers.

Materials squeeze
The perils of that dominance became evident to the world this fall when China reportedly shut off rare earth supplies to car manufacturers and other users in Japan as a result of a diplomatic imbroglio. After all, by 2005, all U.S. manufacturers of the neodymium iron boron magnets—invented by General Motors researchers in the early 1980s—had shut down. But even before China flexed its market-dominating power a slew of scientific researchers had been investigating how to use less rare earths—or even none at all—by fabricating better magnetic materials.

Magnetism arises from the electrons orbiting the atomic nuclei of some elements. When atoms align in a certain fashion a strong magnetic field results. Magnetic elements like iron or neodymium typically arrange themselves this way, thus generating a permanent magnetic field.

But

Kết quả (Việt) 2:

Một cơn gió lớn tuabin-có khả năng biến những làn gió vào hai triệu watt điện năng-có lưỡi 40 mét dài làm từ sợi thủy tinh, tháp 90 mét so với mặt đất, nặng hàng trăm tấn, và về cơ bản dựa trên khoảng 300 kg của một mềm mại, kim loại màu bạc được gọi là neodymium-một cái gọi là đất hiếm. Yếu tố này tạo cơ sở cho các nam châm được sử dụng trong các tuabin. "Nam châm vĩnh cửu lớn làm cho máy phát điện khả thi", giải thích khoa học vật liệu Alex King, Vụ ​​trưởng Vụ Năng lượng Mỹ của (DoE) Phòng thí nghiệm Ames ở Iowa, bắt đầu sản xuất nam châm đất hiếm trong những năm 1940 như là một phần của Dự án Manhattan. Càng mạnh nam châm là, các yếu tố phát điện và đất hiếm mạnh mẽ hơn như neodymium hình thành cơ sở cho các nam châm vĩnh cửu mạnh nhất xung quanh. Trong thế giới hiện đại đất hiếm vượt xa nam châm. Spanning 17 yếu tố-từ lanthanum để Lutetium, cộng với scandium và yttrium-họ sử dụng trong các máy tính, màn hình, chất siêu dẫn, các nhà máy lọc dầu, hybrid hoặc xe điện, bộ chuyển đổi xúc tác, bóng đèn huỳnh quang compact, điốt phát quang, laser, âm thanh loa và microphone , điện thoại di động, máy MRI, viễn thông, điện cực pin, hệ thống tiên tiến vũ khí, thủy tinh đánh bóng, và thậm chí cả động cơ điện chạy cửa sổ ô tô. "Không có hệ thống quân sự duy nhất trong việc sử dụng do Lầu Năm Góc không chứa đất hiếm," Vua ghi nhận, từ xe tăng Abrams cho các hệ thống radar. Attractor mạnh Nhưng, phần lớn, nam châm đẩy sự tăng trưởng trong nhu cầu về đất hiếm như neodymium-sưng bằng 15 phần trăm mỗi năm, theo một phân tích công bố trên Science và dysprosium. Nam châm là chìa khóa để tạo ra điện, tất nhiên, và điện lực là chìa khóa để sử dụng các nguồn sạch của năng lượng dù tua bin gió hoặc xe điện. Tại trung tâm của những thiết bị ngồi nam châm mạnh mẽ nhất hiện nay-một kết hợp của neodymium , sắt và boron, có thể sản xuất một sản phẩm năng lượng của nhiều như 60 megagauss-oersteds (một đơn vị của cường độ từ trường). Để so sánh, một nam châm sắt điển hình có một sản phẩm năng lượng chỉ có bốn megagauss-oersteds và một nam châm tủ lạnh thường là một chỉ 0,5 megagauss-Oersted. "Các mạnh nam châm, nhỏ hơn các nam châm có thể được," giải thích Luana Iorio, một người quản lý tại Hợp kim Nhiệt độ cao của GE và Phòng thí nghiệm chế biến. May mắn thay, các yếu tố "là không hiếm và cũng không đất", như trong đất (mặc dù chúng có thể được tìm thấy có), King cho biết thêm. Tên đến từ sự khan hiếm của họ dường như khi lần đầu tiên được phát hiện vào những năm cuối thế kỷ 18 trong một quặng tìm thấy gần làng Ytterby, Thụy Điển. Thật không may, "tìm nồng độ hợp lý của họ mà là về kinh tế để trích ly là khá hiếm." Khi đứng, 97 phần trăm của 124.000 tấn neodymium, dysprosium-tên có nghĩa là "khó khăn để có được" -và các nguyên tố đất hiếm quan trọng khác được sản xuất mỗi năm đến từ một nơi: Trung Quốc. "Khi nhu cầu neodymium bắt đầu tăng lên, một phần là do tua bin gió và ô tô hybrid, người Trung Quốc là nhà cung cấp duy nhất còn lại," King nói. Và nhu cầu đối với đất hiếm tiếp tục vượt cung, đặc biệt là Trung Quốc đã thực hiện hạn ngạch xuất khẩu. Vì vậy, việc săn là cho cả hai cách tốt hơn để sử dụng đất hiếm cũng như những cách tốt hơn để tôi và có lẽ quan trọng hơn, sạch sẽ riêng biệt đất hiếm để sử dụng. Một đường chuyền quan trọng ao rộng lớn chất thải gây sẹo cho cảnh quan trên bờ sông Hoàng Hà, 190 km từ thành phố Baotou ở Trung Quốc. Nhìn từ trên không, các mỏ sắt Bayan-Obo ở Nội Mông Cổ là nguồn lớn nhất thế giới của đất hiếm, và các công ty Trung Quốc cung cấp cho họ sử dụng axit để giải tán họ ra khỏi đá quặng này cũng thường có chứa nguyên tố phóng xạ như thorium, radium hoặc thậm chí uranium . Sôi chuyên sâu với axit mạnh, lặp đi lặp lại hàng ngàn lần vì các yếu tố hóa học tương tự như vậy, cuối cùng tách ra neodymium, dysprosium hoặc cerium. Một quá trình sản xuất khó khăn như vậy là một trong những lý do tại sao Mỹ không còn mỏ chúng. Cho đến những năm 1990, Mỹ là nhà cung cấp chính các loại đất hiếm, chủ yếu ra khỏi một khu mỏ ở Mountain Pass, Calif., Thuộc sở hữu của công ty dầu khí Unocal, nay là một phần của Chevron. Unocal tắt rằng mìn và xử lý cơ sở trong năm 2002 vì họ không thể cạnh tranh với các sản phẩm tinh khiết hơn của Trung Quốc đã bắt đầu tràn ngập thị trường trong năm 1990. Unocal "đã không nghĩ rằng sẽ có một nhu cầu cho các sản phẩm có độ tinh khiết cao," giải thích hóa học John Burba, giám đốc công nghệ cho Molycorp, công ty hy vọng sẽ mở cửa trở lại sản xuất đất hiếm ở Mountain Pass Mine. Thêm vào đó, hoạt động không chính xác thân thiện với môi trường. "Quay trở lại những năm 1990 nhà máy đã được gửi 850 gallon nước thải mỗi phút xuống một đường ống dẫn vào ao bốc hơi," Burba ghi nhận. "Đó là hỗn hợp của ma quỷ vì các chất hóa học mà họ làm việc." Ngoài ra, đất hiếm ở Mountain Pass được trộn lẫn với phóng xạ thorium, đòi hỏi phải chăm sóc đặc biệt trong xử lý và xử lý. Các xoay toàn bộ các nguyên tố đất hiếm là một thách thức để phân biệt vì tính chất hóa học tương tự và họ không bao giờ tìm thấy một mình. "Thách thức với đất hiếm là họ luôn luôn xuất hiện cùng nhau," Iorio GE giải thích. "Có những chi phí chế biến để tách chúng ra khỏi nhau." Bất kể, người Trung Quốc National Offshore Oil Corp (CNOOC) muốn mua Unocal và nó California đất hiếm tài sản vào năm 2005, một động thái quân sự Mỹ bị chặn, theo Burba. Bây giờ Molycorp muốn khởi động lại hoạt động vào năm 2012 bằng cách sử dụng một quá trình mới, mà sẽ yêu cầu cơ bản để xây dựng lại Molycorp toàn bộ hoạt động với chi phí $ 500 triệu. Quá trình này sử dụng một axit mạnh và là cơ sở để tách đất-hiếm đất hiếm nguyên chất được gọi là phương pháp-nhưng chiết dung môi chlor kiềm nó vẫn sẽ không sản xuất; thay vì nó sẽ mang lại các oxit cerium, lanthanum, praseodymium và neodymium. Xem thêm: Sức khỏe: Các nhà nghiên cứu tìm kiếm Clues ung thư từ Chó Pet | Tâm: Động vật có khác Smarts xã hội hơn bạn có thể nghĩ | Tech: Are We trên Cusp of War-in không gian? | Các Khoa: The Mystery of Inner mí mắt của Cat Trong bản chất, Mountain Pass sẽ trở thành một nhà máy hóa chất, hút điện và hơi từ một nồi hơi khí đốt tự nhiên trên trang web. Ngoài ra, nước thải của quá trình này sẽ được tái chế lại để sản xuất các axit mạnh và cơ sở cần thiết để bắt đầu quá trình axit trên một lần nữa-hydrochloric và sodium hydroxide. "Khai thác mỏ là một phần rất nhỏ trong hoạt động của chúng tôi," Burba nói, lưu ý rằng khai thác mỏ quặng chứa đất hiếm là chỉ có 10 phần trăm chi phí của công ty mình. "Phần lớn những gì chúng tôi làm là hóa tiên tiến." Tất nhiên, vẫn có các sản phẩm, chẳng hạn như quặng còn lại, hoặc chất thải, từ việc khai thác và chia ly cũng như calcium carbonate, magnesium carbonate và magnesium hydroxide từ các quá trình hóa học, cùng với đó thorium pesky. Nhưng muối chính từ quá trình Chlor-kiềm là natri clorua (hay còn gọi là muối ăn), mà sẽ được tái sử dụng vào quá trình sử dụng một số lượng hơi tạo ra trên trang web và sử dụng để tạo ra axit và cơ sở mới bằng cách sử dụng một Chlor-kiềm đơn vị. "Đó là một vòng lặp nước mặn lớn," Burba giải thích. "Tiêu thụ nước của chúng tôi là 10 phần trăm hoặc ít hơn những gì đã được thực hiện trong lịch sử tại trang web này." Trong năm tới, trang web hy vọng sẽ sản xuất 2,7 triệu kg đất hiếm oxit một năm tách các yếu tố từ quặng bằng cách sử dụng một chất lỏng ion- quá trình trao đổi. Đến năm 2015, họ hy vọng sẽ được vào sản xuất đầy đủ, sản xuất 18 triệu kg đất hiếm khác nhau oxit một năm. "Chúng tôi có hơn 30 năm công suất khai thác 40 triệu pound mỗi năm," Burba nói. Nhưng đó chỉ đại diện cho 6 phần trăm của thị trường toàn cầu hiện nay, đó vẫn đang phát triển. Văn phòng Trách nhiệm Chính phủ Hoa Kỳ ước tính nó sẽ mất bảy đến 15 năm để tìm mỏ đất hiếm mới, xây dựng cơ sở hạ tầng để xử lý chúng, và làm cho chúng có sẵn cho các nhà sản xuất. "Điều này là không thích đi ra ngoài và panning cho vàng", Burba ghi nhận. "Quá trình này đòi hỏi một số lượng lớn các chế hóa học. Bạn cần phải có cơ sở hạ tầng tốt." Các nhà địa chất đã phát hiện mỏ ở Úc, Canada, Mông Cổ, Việt Nam và thậm chí Greenland, và những nỗ lực cũng đang được tiến hành để bắt đầu khai thác các mỏ tại các quân đoàn phế thiết bị điện tử hiện nay. "Có rất nhiều vật liệu đất hiếm hiện có trong các sản phẩm đã qua sử dụng; chiết xuất từ đó mỏ đô thị sẽ là khả thi," đã cho vua của Ames Lab, mà còn có các nhà khoa học làm việc trên các phương pháp khai thác tốt hơn cho, nói, neodymium từ quặng hoặc các máy phát điện cũ . "Tái chế chắc chắn sẽ là một phần của giải pháp cho vấn đề này." Tuy nhiên, trong tương lai gần, Trung Quốc sẽ tiếp tục thống trị sản xuất và đất hiếm nó có trữ lượng lớn nhất thế giới, gần gấp đôi so với các nước láng giềng phía bắc và tây trong Cộng đồng các Quốc gia Độc lập (một tổ chức của các nước cộng hòa thuộc Liên Xô cũ được hình thành sau sự tan rã của Liên Xô) và ba lần so với dự trữ của Mỹ. Và Trung Quốc là nhà sản xuất duy nhất của dysprosium-sống còn đối với các nam châm chịu nhiệt ủng hộ của quân đội và xe hybrid-nhà sản xuất Mỹ. Vật liệu ép Những hiểm họa của sự thống trị đó đã trở thành hiển nhiên cho thế giới vào mùa thu này khi Trung Quốc đã tắt nguồn cung cấp đất hiếm các nhà sản xuất xe hơi và những người dùng khác ở Nhật Bản như là một kết quả của một trạng thái rắc rối ngoại giao. Sau khi tất cả, đến năm 2005, tất cả các nhà sản xuất Mỹ của boron neodymium nam châm sắt-phát minh bởi General Motors nhà nghiên cứu trong những năm đầu thập niên 1980, đã đóng cửa. Nhưng ngay cả trước khi Trung Quốc gập điện thị trường thống trị của một loạt các nhà nghiên cứu khoa học đã điều tra làm thế nào để sử dụng ít hiếm đất, hoặc thậm chí không có gì cả, bằng cách chế tạo vật liệu từ tính tốt hơn. Từ tính phát sinh từ các electron quay quanh hạt nhân nguyên tử của một số yếu tố. Khi nguyên tử sắp trong một thời trang nhất định một kết quả từ trường mạnh. Các yếu tố từ tính như sắt hoặc neodymium thường tự sắp xếp chúng theo cách này, do đó tạo ra một từ trường vĩnh cửu. Nhưng