NADİR TOPRAK ELEMENTLERİ / Yeni bir dünyada yeni yıkımlar

    Salgından önce çok konuşulan ve salgın sonrasında da ‘Hani, niye bizi kurtarmadı?’ diye anılmaya devam eden Endüstri 4.0 kavramı, aslında, salgın sonrası dünyada, gerçekten öyle bir dünya arayışı varsa, olması gerekenleri içermekte. Bunları şöyle sıralayabiliriz:

    1- Yenilenebilir enerji kullanımı.

    2- Her bölgenin kendi kaynaklarını kullandığı mikro ölçekli güç çevrimleri.

  3- Hidrojenin ve diğer depolama enerjilerinin oluşturulması ve ara enerji formlarına dönüştürülmesi.

  4- İnternetin, üretilen enerji türleri arasındaki bağlantıyı sağlayarak “akıllı şebekeler”in oluşturulması.

  5-Ulaşımda şebeke elektriğinin ('plug-in' yöntemi ile) ve yakıt hücrelerinin kullanıldığı teknolojilerinin geliştirilmesi [1].

    Artık hepimiz biliyoruz ki; Endüstri 4.0 dizgesine (sistemine) geçildiğinde, aynı üretim hattı üzerinde farklı ürünlerin oluşturulması ve işlenmesi, malzeme ve enerji miktarlarını azaltacaktır. Zaman ve enerji tasarrufu sağlanacaktır. Akıllı fabrikalarda insan gücüne ve aydınlatmaya olan gereksinim azalacaktır. Enerji üretiminde; yenilenebilir enerji teknolojilerinin tümleşik kullanımı, yenilenebilir kaynakların önemli bir eksiği olan “kesintililik” (intermittence) sorununa çözüm getirecektir. Böylece; fosil yakıt bağımlılığından daha kolay uzaklaşılacaktır. Akıllı şebekeler ve mikro ölçekli üretim nedeni ile enerji ucuzlayacaktır. Enerji depolama sistemlerinin “şeylerin interneti” (Internet of Things, IoT) kapsamında  olması  temiz enerji kullanımına katkı sağlayacaktır. Kablosuz internet ile gereksinim olan yer ve zamanda üretim yapılacağından,  ürünün niteliği artacak, gereksiz tüketim azaltılacak; saklama için gerekli olan enerji miktarı düşecektir. Böylece; boş zaman, eğitim ve refâh artararak, bilinçli tüketimin ve çevre duyarlılığının yaygınlaşması söz konusu olacak; enerji kullanım miktarı azalacaktır. ‘Hiçbir şey eskisi gibi olmayacak’ diye anlatılan bu olmalı!

    Tüm bunların temelinde 'Şeylerin Interneti' ya da Siber Fiziksel Sistemler (Cyber Physical Systems) var. Diğer, bir deyişle, nesneler birbirleri ile gerçekliğin dışındaki bir ortamda ilişki içerisinde olacaktır.  Böyle bir dizgenin  kurulması ve sürdürülmesi için,  şeylerin internetine ek olarak;   benzeşim (simülasyon), akıllı robotlar, büyük veri ve bu verinin çözümlenmesi (analizi), artırılmış (augmented) gerçeklik, katmanlı üretim, bulut, siber güvenlik, yatay/dikey yazılım tümleşmesi (entegrasyonu)  gerekmektedir.

    Bunların, hemen hepsinin, çeşitli oranlarda yaşantılarımızda olduğunu söyleyebiliyoruz, artık. Peki, nasıl? Öncelikle,  sensörlerle, lenslerle ve tümleşik devrelerle. Yarı iletkenlerin yanısıra; Lanthanum (La), Europium (Eu), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Ytterbium (Yb) gibi elementleri  [2] kullanarak.

     Bu kadarla kalmayacak, elbette. Endüstri 4.0 dizgesinde, enerji depolaması da önemli bir yer tuttuğu için;  yeni tür piller, kapasitörler ve süper iletkenler yaygınca kullanılacaktır. Süper İletken Manyetik Enerji Depolama, SİMED (Superconducting Magnetic Energy Storage Systems, SMES)  adıyla bilinen [3] bu tür uygulamalarda, süper iletken koillerdeki manyetik alandan, Neodymium (Nd) mıknatıslardan, yararlanılmaktadır. Bu mıknatıslar, yeni dünyada, merkeze bağlı elektrikli araç filolarının, yüksek enerji piklerinde ek depolama kapasitesi olarak da yer alacaklardır.  

    Ayrıca; hidrojenin üretim, depolama ve elektrik enerjisine dönüşüm süreçleri de bilinen malzemelerden farklı malzemelere geçmeyi gerektirir. Örneğin; Terbium (Tb) yakıt pillerinde kullanılan bir malzemedir. Hidrojenin; biyolojik yakıtlardan üretilmesinde Cerium (Ce) bir katalizördür. Depolanmasında ise Lanthanum (La) önemli bir elementtir.

    Bu elementler, nadir toprak elementleri olarak bilinmektedirler. Aslında, bu elementler , “nadir” olmayıp, bazıları, bilinen elementlerden daha bol bulunabilmektedir, yeryüzünde. Örneğin; Neodymium altından daha fazla miktardadır [2]. Bu elementlerin tanımında ‘toprak’ sözcüğü olsa da,  metal olarak sınıflandırılırlar.   Şekil 1’de bu elementlerin periyodik tablodaki yerleri gösterilmektedir.  Buradaki “ağır” ve “hafif” ayrımı için genel bir tanım bulunmamaktadır [4].

Şekil 1 Nadir toprak elementlerinin periyodik tablodaki yerleri.(REE: Nadir toprak elementleri. LREE: Hafif nadir toprak elementleri. HREE (Ağır nadir toprak elementleri.)

     

    Nadir toprak elementlerinin, Endüstri 4.0 dizgesinin gerektirdikleri dışında,  kullanıldıkları belli başlı yerler şunlardır:

    -Rüzgar türbinlerinde ve elektrikli araçlardaki manyetizma teknikleri.

    -Elektrikli trenlerdeki depolama cihazları (piller).

    -Fotovoltaik (PV) hücrelerdeki ince film teknolojileri.

    -Floresan ve LED (Light Emitting Diode) aydınlatma.

    -Hard diskler.

    -Cep telefonları.

    -Fiber optik teknolojileri.

    -Kontrol sistemleri.

    -Yer Belirleme Sistemleri (GPS).

    - Akıllı enerji sistemleri, depolama cihazları, yakıt pilleri.

     Endüstri 4.0 ile birlikte genişleyecek olan bu uygulamalarda;  nadir toprak elementi kullanımı artacaktır. Bu elementlerin elde edilme yöntemleri ve uluslararası ticareti; ekonomik ve politik gündemde yer tutmaktadır [5,6]. Nadir element madenciliğinin ve ilgili işlemlerin genel yapısı Şekil 2’de gösterilmiştir.

 

Şekil 2 Nadir element madenciliğinin aşamaları.(REO: Rare element oxide) [4]

 

,

     Maden çıkarma aşamasında, kaya atıkları ile birlikte, bitki örtüsü ve toprak da atık olarak depolanmaktadır. Bu atıkların çıkması çevre açısından bir yıkımdır. Çıkarılan madenin nadir element yoğunluğu çok azdır. İstenen nadir element yoğunluğuna, öğütme ve yıkama aşamalarından sonra ulaşılmaktadır. Öğütme aşamasında maden çok küçük parçalara ayrılarak, bir sonraki aşama için yüzey alanı artırılıp, nadir element oksidinin cevherden ayrılması kolaylaştırılır. Ayrıştırma aşamasında en çok yıkama kullanılır. Yıkama işleminde çok miktarda su ve kimyasal kullanılmaktadır. Bu işlemden yüksek nadir element yoğunluğuna ulaşan metalden geride kalanlar (cevher atıkları); setlerle çevrili, yapay veya doğal su alanlarına gönderilir.

    Şekil 2’de kesikli çizgi ile gösterilen alan bir dizge olarak ele alındığında; başlangıçtaki madenin kullanılabilirlik düzeyinin, yüksek yoğunluklu nadir element oksidinin kullanılabilirlik düzeyine düştüğü görülmektedir. Bu süre içerisinde, her aşamada yüksek miktarda iş (özellikle maden çıkarma ve öğütme aşamalarında) ve ısı harcanmaktadır. Burada; kaya atığı ve cevher atığının kullanılabilirlik düzeyleri nereyse sıfırdır. Bu atıkların depolanmaları da çevre için ayrı bir risk oluşturmaktadır. 

    Elbette, üretimin ve enerji dönüşümünün Endüstri 4.0 ile yapılması, tümleşik olmayan dizgelere göre çıktının değeri/girdinin değeri oranını artıracaktır. Fakat; tümleşik sistemi oluşturan fiziksel öğelerin (kamera lensleri, lazerler, mıknatıslar, yarı iletkenler, süper iletkenler, harddiskler vb. ) üretiminde ham madde olan nadir toprak elementlerinin kullanımının politik/ekonomik çevresel sorunlara yol açacak boyutta olduğu görülmektedir [5].  

    .  

    Çevresel boyutun ölçütü, enerji dönüşümlerindeki  tersinmezliğin artış hızıdır. Madene iş ve ısı verilerek çevrenin kullanılabilirliği harcanmakta; madenin başlangıçtaki kullanılabilirliği yüksek yoğunluklu nadir element oksidinin kullanılabilirlik düzeyine düşmekte; su kaynakları tüketilmekte ve kimyasallarla kirletilmekte; ayrıca, atıkların oluşturduğu risk nedeni ile ek kullanılabilirlik yıkımları öngörülmektedir. Sonuç olarak, riskli ve doğanın dönüşümü açısından verimsiz bir işlemle çıkarılmakta, nadir toprak elementleri.

    Bu nedenle, Endüstri 4.0 dizgesinin getirecekleri, toplam enerji niteliği açısından da değerlendirilmelidir. Enerji kaynağının yenilenebilir ve dizgelerin tümleşik olmalarının yanı sıra, kullanılan malzemelerin doğadan elde edilmeleri ve dönüştürülmeleri süreçleri de çözümlenmelidir.

    

    Tümleşik dizgelere ilişkin tüm riskler, doğadaki yıkımın hızına etkileri açısından incelenmelidir. Bu nokta göz önüne alınmazsa; endüstrideki ‘devrimler’in doğayı tüketme hızındaki sıralama bozulmayacak; son ‘devrim’, tersinmezliği en çok artıran olmayı sürdürecektir.

 [1] RIFKIN, J. “The third industrial revolution: How lateral power is transforming energy, the economy, and the World”. Palgrave Mc Millan, 2011.

 [2] https://www.namibiacriticalmetals.com/why-critical-metals, 2018.

 [3] CORREIA, M.A. S.C., “Industrie 4.0 Framework, Challenges and Perspectives”. MSc. Thesis. Hochschule Rheinmann, University of Apllied Sciences. Rüsselsheim, 2014

[4] SCHÜLER, D., BUCHERT, M., LIU, R., DITTRICH, G. S., MERZ, C.” Study on Rare Earths and Their Recycling”. Öko-Institut e.V., Darmstadt,  2011.

[5] BALDI , L., PERI, M.,  VANDONE, D., “Clean energy industries and rare earth materials: Economic and financial issues” Energy Policy 66. pp. 53–61, 2014.

[6] https://www.theguardian.com/business/2019/may/29/us-china-trade-what-are-rare-earth-metals-and-whats-the-dispute, 2019.