Ebru KILIÇ

“Teknolojinin tohumu” olarak bilinen bu elementler günlük hayatımızda kullandığımız birçok elektronik eşyanın içinde mevcut. Karbon sıfır hedefi doğrultusunda önemli piyasaların açıldığı rüzgar türbinleri, elektrikli otomobil motorları ve yakıt pillerinin üretiminde de başlıca girdiler arasında yer alıyor. Bu nedenle de “yeşil dönüşüm”ün itici gücü sayılıyor. 

Gayet iyi bilindiği üzere bu elementlerin çıkarılması, saflaştırılması ve bunlardan uç ürünler, özellikle de rüzgar türbinleri ve elektrikli araç motorlarında kullanılan kalıcı mıknatıslar üretilmesi, dahası yeşil teknolojilerin geliştirilmesi ve üretilmesi süreçlerinde Çin açık ara liderliği elinde tutuyor. ABD’nin kilit sektörlerinden savunma sanayiinin de temel girdilerinden olan bu elementler, birçok teknoloji sektörünün Çin’e bağımlılığı nedeniyle bugün stratejik ve kritik mineraller başlığı altında değerlendiriliyor ve bu bağımlılıktan kurtulmanın yolu alternatif üretim, saflaştırma, uç ürün üretimi ve tedarik zincirleri oluşturmakta aranıyor. 

Ülkemizde varlığı ilk kez 2022’de açıklanan ve o zamandan beri de “Çin’den sonra ikinci büyük rezerv” olarak duyurulan Eskişehir-Beylikova Kızılcaören sahası bu açıdan önem taşıyor.

Dört gün boyunca devam edecek bu yazı dizisinde bu elementler nedir, hangi sektörlerde kullanılıyor, Türkiye’de nerelerde bulunuyor, bu konuda ülkemizde neler yapılıyor, neler tartışılıyor, yurttaşlar olarak bu konuda neleri takip etmemiz gerekiyor, birlikte gözden geçirelim.

NADİR TOPRAK ELEMENTLERİ NEDİR

Dünyada mevcut bütün elementlerin atom sayılarına göre düzenlendiği periyodik tabloda lantanit grubu olarak anılan metaller ile itriyum ve skandiyum elementlerini kapsayan metaller grubuna “nadir toprak elementleri”, “nadir toprak elementleri” veya “nadir oksitler” deniyor. Karanlıkta ışıldama (fosforışıllık), güçlü mıknatıslık, kimyasal tepkimeleri hızlandırma (katalizörlük) gibi benzersiz niteliklere sahip bu metaller “teknolojinin tohumları” olarak biliniyor. Elektronik cihazların minyatürleşmesi, “yeşil” enerji, yakıt pilleri, modern tıp teknolojileri, savunma sanayi, telekomünikasyon ve ulaşım sistemleri bu elementlere dayanıyor. Nadir toprak elementlerine, yer kabuğunda bol miktarda bulunmalarına rağmen “nadir” denmesinin başlıca nedeni doğada saf olarak değil, başka elementlerle birlikte bileşikler halinde bulunmaları. Uluslararası Saf ve Uygulamalı Kimya Birliği’nin tanımına göre, kimyasal olarak biraz daha ayrıksı bir element olan skandiyum dışında atom numaralarına göre ağır ve hafif olarak iki gruba ayrılan nadir toprak elementlerinin ağırları, diğerlerine göre daha ender bulunuyor, daha zor ayrıştırılıyor ve bugün dünyanın belli bölgelerinde, yalnızca Çin ve Myanmar’da üretiliyor. Hafif grupta lantan, seryum, praseodimyum, neodimyum, prometyum, samaryum ve evropyum, ağır gruptaysa gadolinyum, terbiyum, disprosyum, holmiyum, erbiyum, tulyum, iterbiyum, lutetyum ve itriyum yer alıyor.[1]

Ağır nadir toprak elementleri

LUTETYUM (71): Ayrıştırılması en zor ağır nadir metal, bu nedenle içlerinde en pahalısı. Kullanım alanları diğer nadir metallere göre daha az sayıda ve daha özel. Kızılaltı lazerlerde ve petrol rafine etmede kullanılan bu element bilgisayar çiplerinde karşımıza çıkıyor. Diğer ağır nadir metaller gibi lutetyum da yalnızca Çin ve Myanmar’da üretiliyor.

İTERBİYUM (70): Elde etmesi çok zor olan bu elementin fosforışıllık ve katalizörlük özelliğinden yararlanılıyor. Çelik üretiminde güçlendirici bir alaşım olarak, bazı lazerlerde, bazı röntgen cihazlarında radyasyon kaynağı olarak kullanılan iterbiyum nükleer tıpta da başvurulan bir element. Çok nadir bulunan bir element ama talep de az. Yalnızca Çin’de üretiliyor.   

TULYUM (69): Nadir toprak metallerinin en zor bulunanlarından biri. Bu element de yüksek kesinlik isteyen tıbbi lazerler gibi son derece özel teknolojilerde kullanılıyor. Ultraviyole ışığında mavi göründüğünden kalpazanlığa karşı önlem olarak banknot şeritlerinde de başvuruluyor. Tulyum da yalnızca güney Çin’de ve Myanmar’da üretiliyor.

ERBİYUM (68) – Fiber optik kabloların performansını artıran bu ağır nadir toprak elementi küresel internet bağlantısı için hayati önemde. Özel tıbbi lazerlerde kullanılan erbiyum yalnızca güney Çin ve Myanmar’da üretiliyor. Kullanım alanı daha az olduğu ve kalıcı mıknatıs üretiminde kullanılmadığı için AB’nin kritik olarak sınıflandırdığı bir element değil, ama yeni kullanım alanları bulunursa bu elemente talebin artması olası.

HOLMİYUM (67) – Ağır bir nadir metal olan bu element, tüm nadir metaller için manyetik momenti en yüksek olanı. Bu nedenle kalıcı mıknatıslarda özellikle güçlü manyetik alanlar yaratmak için başvuruluyor. Tıp teknolojisinde lazerlerde ve cama sarı renk verilmesinde kullanılan bu element de yalnızca Çin ve Myanmar da üretiliyor. 

DİSPROSYUM (66) – Başlıca özelliği mıknatısların gücünü ve ısıya dayanıklılığını artırmak. Örneğin neodimyum-demir-bor mıknatıslara eklendiğinde mıknatısın kullanılabilir ısı aralığı 80 dereceden 200 dereceye yükseliyor. Hibrit ve elektrikli araç motorlarında, rüzgar türbinlerinde, bilgisayar hard disklerinde, nükleer reaktör kontrol çubuklarında, lazer üretiminde, kızılaltı cihazlarda, veri depolama sistemlerinde, yakıt enjektörlerinde, mekanik rezonatörlerde, sensör üretiminde kullanılıyor. Diğer ağır nadir toprak elementleri gibi disprosyum da ağırlıklı olarak güney Çin ile Myanmar’da çıkarılıyor. Diğer nadir metallerin tersine bu elementler radyoaktif elementlerle çok sık bulunmuyor, sıvıda ayrıştırma yöntemiyle kilden ayrılıyor. Daha sonra organik çözeltiler kullanılarak tek tek elementler ayrıştırılıyor. Mıknatıs üretiminde saf disprosyum erimiş tuz elektroliziyle elde ediliyor ve bu da yalnızca Çin’de uygulanıyor. “Yeşil dönüşüm”ün disprosyum talebini artırması bekleniyor.

TERBİYUM (65) – Ağır gruptaki terbiyum düz ekran televizyonlardan tutun florasan lambalara kadar gündelik pek çok nesnede kullanılan bir element. Neodimyum-demir-bor mıknatıslarla birleştiğinde hibrit ve elektrikli otomobil motorlarının yüksek sıcaklıklarda çok verimli çalışmasını sağlıyor. Metal alaşımları iyileştirmekte, lazerlere kesinlik katmakta, çeşitli elektronik aygıtların performansını iyileştirmekte kullanılıyor.

GADOLİNYUM (64) – Yüksek sıcaklıkta oksitlenmeye direncin artırılması için kullanılan bu ağır nadir toprak elementi sanayi için çok değerli. Tıpta gadolinyumlu bileşikler MRI ve röntgende görüntü netliğini artırmak için kullanılıyor. Nötron emme becerisi nedeniyle nükleer reaktörlerin kapanma mekanizmalarında kritik bir rolü var. Sabit yakıt pillerinde elektrolit olarak da kullanılıyor. Yüksek kırılım indisine sahip cam üretiminde kullanılan bu element bazı televizyon ekranlarında bulunuyor ve görüntü kalitesini artırıyor.

İTRİYUM (39) – Nadir toprak elementlerinin en hünerlilerinden biri. Lantanit grubunda değil, ama kimyasal olarak onlara benzer özellikler gösteriyor ve doğada da onlarla birlikte bulunuyor. Plastik üretiminde katalizör olarak başvurulan itriyum, florasan lambalarda ve lazerlerde kullanılıyor. Televizyonlarımızda kırmızı rengi güçlendiren itriyum, savaş uçağı ve roket motorlarının çok yüksek ısılara dayanmasını sağlıyor. Bütün motorlu araçlarda yakıt verimliliğini artırmak ve kirliliği azaltmak için itriyum alaşımlı malzemeye başvuruluyor. İtriyum alaşımlı lazerler sanayide, tıpta, grafik sanatlarında, tarımda ve savunmada kullanılıyor. Alüminyum ve magnezyum alaşımlarını güçlendiren bu element füze savunma sistemlerinin elektronik bileşenlerinde de mevcut. Ayrıca itriyum zirkonyumdioksitle birlikte ısıya ve darbeye dayanıklı çok güçlü seramiklerin üretiminde kullanılıyor. Bu özel seramikten de bazı hidrojen yakıt pillerinde yararlanılıyor. Tıp teknolojisinde yapay eklem olarak da kullanılıyor.

Hafif nadir toprak elementleri

EVROPYUM (63) – Modern aydınlatma ve görüntü teknolojisi açısından kritik olan bu element TV’lerimiz, bilgisayarlarımız ve akıllı telefonlarımızdaki mavi ile kırmızı renkleri yaratıyor. Evropyum olmasa 1960’larda renkli televizyonların geliştirilmesi mümkün olmazdı. Bu hafif yer elementi enerji verimliliği yüksek florasan ampullerde de kullanılıyor. Beş avroluk banknotların güvenlik şeritlerinin ultraviyole ışığında kısmen kırmızı görünmesini de evropyum sağlıyor. Ayrıca nötrol emme becerisi yüksek olduğu için nükleer reaktör kontrol çubuklarında da kullanılıyor.

SAMARYUM (62) – Kobaltla birleştiğinde çok güçlü mıknatıslar ortaya çıkarıyor. Samaryum-kobalt mıknatıslar 1970’lerde bilgisayar diskleri, kulaklıklar ve mikrofonlar gibi yüzlerce nesnenin minyatürleşmesini sağlamış. Neodimyum-demir-bor mıknatıslara göre ısıya daha dayanıklı olan bu mıknatıslar 300 derecede bile mıknatıslık özelliğini yitirmiyor. O nedenle de askeri sistemler için kritik. Hibrit otomobil motorlarında da kullanılıyor. Nükleer reaktörlerin kontrol çubukları ve ağrı terapisi bu elementin diğer kullanım alanları. Samaryum, Çin’deki Bayan Obo madeninde, ABD’de Mountain Pass’ta ve Avustralya’da Mount Weld’de üretiliyor.

PROMETYUM (61): Periyodik tablonun en son keşfedilen elementi ve nadir metali unvanına sahip olan prometyumun dünya çapında toplam rezervinin bir kilodan az olduğu sanılıyor. Nadir toprak elementlerinin en nadiri. Radyoaktif bir izotop olduğu için doğada hemen hemen hiç bulunmuyor. Uranyumun kendiliğinden parçalanması ve 151europium’un radyoaktif çözünmesi ile oluşan bir element. Nükleer enerji tesislerinde fizyon yan ürünü olarak elde ediliyor. Sınırlı kullanım alanlarından biri radyometrik kalınlık ölçümü ve saat göstergelerinin renkli ışığı.

NEODİMYUM (60) – Neodimyum-demir ve bor alaşımı (NdFeB) dünyanın en güçlü mıknatıslarının yapımında kullanılıyor. Bu mıknatıslar kendi ağırlıklarının binlerce katını daimi olarak taşıyabilecek kapasitede. Samaryum-kobalt mıknatıslardan 40 kat daha güçlü. Mikrofonlar, televizyonlar ve bilgisayarların hard disklerinin daha küçük ve etkili olmasını sağlıyor. Elektromanyetizmaya dayanan elektrikli motorlar ve jeneratörler, rüzgar türbinleri ve lazerler başlıca kullanım alanları. 1960’lardan beri camın renksizleştirilmesi ve renklendirilmesinde başvurulan bu element, kaynak gözlüklerinin yapımında da kullanılıyor. Çin’deki Bayan Obo, ABD’de Mountain Pass ve Avustralya’da Mountain Weld üretildiği başlıca madenler.

PRASEODİMYUM (59) – Magnezyumla alaşım haline getirildiğinde uçak motorları için gerekli çok güçlü metallerin yapımında kullanılıyor. Kalıcı mıknatıslar, fiber optik, katı yakıt pilleri, film sektöründe kullanılan karbon ark ışığı ve projektörler başlıca kullanım alanları. Çin’deki Bayan Obo, ABD’da Mountain Pass ve Avustralya’da Mountain Weld bugün praseodimyum üretilen önemli madenler.

SERYUM (58) – Nadir toprak metallerinin en bol bulunanı. Seryum oksit cam yapımında camı renksizleştirmek için kullanılıyor. Cam, metal ve mücevher cilası aynı zamanda. Petrolün rafine edilmesinde de kullanılıyor. Otomotiv sanayiinde kirliliği azaltmaya yönelik katalitik konvertörlerde de bulunuyor.

LANTAN (57) – “Nadir toprak elementleri” adı verilen “lantanit” grubuna adını veren element. Özel camların ve merceklerin yapımında kullanılan bu elementin karşımıza çıktığı başlıca yerler son teknoloji fotoğraf makinesi ve kamera mercekleri, mikroskoplar, teleskoplar ve dürbünler. Demir ve çeliğe eklendiğinde lantan bu metallerin daha kolay şekillendirilmesini sağlıyor. Ayrıca atık su arıtma tesislerinde ve petrol rafinerilerinde katalizör olarak kullanılıyor. Dizüstü bilgisayarlarımız, telefonlarımız, elektrikli araçlarımızın şarj edilebilir pillerinde de lantan var. Lantan karbonat bileşiğiyse böbrek hastalarının kanındaki fosfat seviyesini düşürmeye yarıyor.

SKANDİYUM (21) – Lantanit grubunda yer almayan bir nadir toprak elementi. Kimyasal süreçlerle elektrik üretimi sağlayan bu elementin başlıca kullanım alanı katı yakıt pili teknolojisi ve hidrojen-oksijen yakıt pilleri. Kimyasal süreçlerle elektrik üretimini sağlayan bu element yeşil dönüşümün başlıca aktörlerinden biri. Hidrojen teknolojilerinin gelişimiyle bu elemente talebin artması beklendiğinden, arz riski bulunan bir element. 2018’de küresel skandiyum üretiminin yüzde 55’i katı pil üretimine gidiyordu. 2040’ta bu elemente talebin 2,7 kat artması bekleniyor. Gün ışığına benzer bir ışık ürettiği için aydınlatma teknolojisinde de kullanılan skandiyumun alüminyumlu alaşımları hafif ve son derece kararlı metaller olduğu için havacılık sanayiinde de rağbet görüyor.

Doğada saf element halinde değil, 800’den fazla mineralin içinde az miktarda bulunan bir element. Yıllık üretim miktarı veri tutarsızlığı nedeniyle kesin olarak tespit edilmiş değil, ama 10 ilâ 20 ton olduğu söyleniyor. Demir, titanyum, zirkonyum, uranyum, kobalt, nikel ve apatit çıkarımı sırasında yan ürün olarak üretilen bu elementin başlıca üreticisi Çin, küresel üretimin yüzde 75’inden fazlasını gerçekleştiriyor.

Kullanım alanlarına göre nadir toprak elementleri

Kullanım alanlarına göre nadir toprak elementlerini tekrar gözden geçirelim: Elektrikli araçlar ve rüzgar türbinlerinde kullanılan kalıcı mıknatıslarda sıklıkla neodimyum, praseodimyum, disprosyum, terbiyum, samaryum karşımıza çıkıyor. Küçük hacimlerde yüksek mıknatıslık gücü sağlayan kalıcı mıknatıslar gündelik elektronik cihazlarda da bulunuyor.

Çeşitli sanayilerde, kimyasal tepkimeleri hızlandıran katalizör özelliğine sahip nadir toprak elementleri kullanılıyor. Otomobillerdeki katalitik konvertörler, otomobil lastiklerinde kullanılan kauçuğun üretimi ve ham petrol rafinasyonu katalizör kullanılan başlıca üretimler. Bu ve başka sanayilerde sıklıkla katalizör olarak kullanılan elementlerse lantan, seryum, neodimyum, praseodimyum, samaryum ve iterbiyum.

Uzay araçlarında kullanılan özel camlardan tutun, cep telefonlarının ekranlarına, gözlük camlarına varıncaya dek birçok camda nadir toprak metalleri kullanılıyor. Camı renklendiren ve renksizleştiren, ultraviyole ışınları emen bu elementler seramik sanayinde renklendirici ve cila olarak kullanılıyor. Lazer sanayiinde cam fiberleri güçlendiren elementler olarak başvurulan bu maddeler, fiber-optik kabloların veri aktarım performansını artırıyor. Seryum, neodimyum, praseodimyum, holmiyum bu alanda kullanılan başlıca elementler.

Otomotiv sanayiinde kullanılan camlar ve aynaların yanı sıra optik mercekler ve başka özel camların cilası olarak nadir toprak elementlerinden yararlanılıyor. Seryum ve neodimyum cam cilası olarak sıklıkla başvurulan elementler.

Tıbbi implantlarda ve hidrojenle elektrik enerjisi üretilen yakıt pillerinde kullanılan ısıya, basınca ve darbelere dayanıklı özel seramiklerin üretiminde de nadir toprak elementlerinden yararlanılıyor. Skandiyum, itriyum ve seryum bu alanda kullanılan elementlerin başlıcaları.

Nadir toprak elementlerinin katıldığı metal alaşımlar çeliği güçlendirmek için kullanılıyor, magnezyumun da eklenmesiyle uçak motorlarının üretiminde bu özel çelikten yararlanılıyor. Seryum, iterbiyum, disprosyum, terbiyum, neodimyum, praseodimyum metal alaşımlarda en sık kullanılan nadir toprak elementleri.

Tamamen elektrikli araçlarda lityum-iyon piller, hibrit araçlarda nikel-metal hibrit piller kullanılıyor. Bu pillerin elektrotları nadir toprak elementlerinin yer aldığı alaşımlarla yapılıyor. Elektrikli diş fırçaları, el fenerleri, oyuncaklarda da bu pillerden yararlanılıyor. Lantan ve neodimyum bu alanda en sık kullanılan elementler.  

Florasan lambalarda, enerji tasarruflu ampullerde, LED lambalarda, televizyonlar, tabletler ve cep telefonlarında da nadir toprak elementleri kullanılıyor. Seryum, disprosyum, erbiyum, evropyum, lantan, lutetyum, gadolinyum, neodimyum, praseodimyum, terbiyum, tulyum, iterbiyum, itriyum bu alanda en sık kullanılan elementler.

Nadir toprak elementleri pigment olarak da kullanılıyor. Boyanın tersine pigmentler renk verdikleri nesnenin bir parçası haline geliyor. Praseodimyum sarı, mavi ve bazen yeşil; holmiyum sarı; neodimyum pembe, leylak; seryum turuncu renk vermek için kullanılıyor. Seryum, erbiyum, evropyum, gadolinyum, holmiyum, neodimyum, praseodimyum, samaryum pigment olarak en sık kullanılan elementler.

Rüzgar türbinlerinde nadir toprak elementlerinden üretilen kalıcı mıknatıslar kullanılıyor. Nadir toprak metallerine talebi artıracağı öngörülen bu alanda kullanılan başlıca elementler disprosyum, neodimyum, praseodimyum ve terbiyum.

Bazı nadir toprak elementleri nükleer reaktörlerin performansını düzenleyen ve gerektiğinde kapanmasını sağlayan kontrol çubuklarında kullanılıyor. Disprosyum, evropyum, samaryum, holmiyum, gadolinyum bu konuda en sık başvurulan elementler.

Hidrojen üretiminde başvurulan su elektrolizi, başka bir deyişle suyun bileşenlerine ayrılması nadir toprak metallerine başvurulan bir diğer “yeşil teknoloji.” Su elektrolizinde elektrolit olarak kullanılan başlıca nadir toprak elementleri skandiyum, itriyum, seryum, lantan ve gadolinyum.

Birçok elektrikli araç motorunda nadir toprak metalleri elektriği kinetik enerjiye çeviren motorlarda mıknatıs olarak kullanılıyor. Disprosyum, neodimyum, praseodimyum, terbiyum bu alanda en sık başvurulan elementler.

Sivil ve askeri havacılık nadir toprak metallerinin en sık kullanıldığı alanlardan biri. Uçakların elektronik cihazları ve iniş aksamlarındaki kalıcı mıknatıslarda, kanatlarda, gövdede nadir metal alaşımları kullanılıyor. Havacılıkta kullanılan başlıca nadir toprak metalleri neodimyum, samaryum, skandiyum ve evropyum.

Kesin odaklı elektromanyetik dalgalar olan lazerlerden sanayide kesme, şekillendirme,  kaynak yapma ve giydirme işlerinde yararlanılıyor. Tıpta teşhis ve cerrahide başvurulan lazerler askeri amaçlı iletişim teknolojisinde, ölçümlerde ve silahlarda kullanılıyor. Yüksek hızlı internette de bu teknolojiden yararlanılıyor. Fiber optik kablolardaki optik sinyaller lazer diyotlarla üretiliyor. İterbiyum, neodimyum, holmiyum, tulyum ve erbiyum bu alanda kullanılan başlıca nadir toprak elementleri.

Tıp teknolojisinde manyetik rezonans görüntüleme cihazlarında nadir toprak elementlerinin kullanıldığı kalıcı mıknatıslar bulunuyor. Bu elementler bu cihazlarda elde edilen görüntü kalitesini iyileştirmekte de kullanılıyor. Ayrıca radyoaktif nadir toprak elementlerine nükleer tıpta kanser tedavisinde başvuruluyor. Bazı elementler de implant, protez ve tıbbi lazer üretiminde kullanılıyor. Tıpta kullanılan başlıca nadir toprak elementleri gadolinyum, lutetyum, terbiyum, itriyum, neodimyum ve erbiyum.

Nadir toprak elementleri yarı iletkenlerin iletkenlik özelliğini de artırıyor. LED’ler, mikroişlemciler, güneş pilleri, lazerler bu sayede ortaya çıkan elektronik cihazlar. Yarıiletkenlerde kullanılan başlıca nadir toprak elementleriyse terbiyum, seryum, erbiyum, lantan, neodimyum, praseodimyum, samaryum, skandiyum, itriyum ve iterbiyum.[2]

YARIN: NADİR YER ELEMENTLERİNİN TARİHÇESİ