Las tierras raras: de una piedra pesada en Ytterby a los imanes, los láseres y los drones

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Resumen

Primera conferencia del ciclo «Las tierras raras» de la Fundación Juan March, a cargo de Ricardo Prego, profesor del CSIC. Prego parte de una pregunta sencilla: ¿qué son las tierras raras? Para responderla recorre la historia de su descubrimiento, que describe como «la gran aventura de la ciencia europea». Después explica, con algo de química, qué hace únicos a estos diecisiete elementos y repasa las aplicaciones que, en su opinión, han convertido a nuestra sociedad de alta tecnología en dependiente de ellos. Deja para las sesiones siguientes la geopolítica y los aspectos ambientales, aunque adelanta algunos datos.

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Un oficial de artillería y una piedra en Ytterby

El relato empieza en la Suecia de finales del siglo XVIII. Carl Axel Arrhenius, un joven oficial de artillería, estaba destinado en una fortaleza que defendía la entrada del canal principal de Estocolmo. Como era habitual entre los artilleros de la época, había recibido formación en química, la llamada «chimia mineralógica» (hoy diríamos química inorgánica), para supervisar la fabricación de pólvoras y reconocer minerales útiles como los de hierro. Prego pone como ejemplo en España el Alcázar de Segovia, donde se conserva el edificio en el que se impartían esas clases.

Cerca de la fortaleza estaba el pueblecito de Ytterby, con una mina de caolín que abastecía la afición sueca por las estufas de porcelana. Paseando por ella, Arrhenius encontró una piedra que le llamó la atención por su peso. En sueco «piedra pesada» se dice tung sten, así que la llamó «tungsteno de Ytterby». Los químicos con los que habló pensaron primero que contenía volframio, un elemento muy pesado que acababan de descubrir los hermanos Elhuyar. Con el tiempo, Arrhenius envió la piedra al químico Johan Gadolin, que la sometió a ataques en medio ácido, precipitaciones y otros procedimientos. El resultado fue un óxido de itrio. Con la tecnología de entonces no se podía separar el itrio del oxígeno, igual que tampoco se sabía separar el aluminio de su óxido.

Así se descubrió, según Prego, el primer elemento de las tierras raras. Gadolin murió en Finlandia, que entonces pertenecía a Suecia, y allí tiene una piedra conmemorativa sacada de la mina de Ytterby. Por eso, bromea el ponente, finlandeses y suecos lo reclaman como propio.

Por qué «tierras»: Lavoisier y los óxidos

Para explicar el nombre, Prego sitúa el hallazgo en el momento en que la química estaba dejando atrás la alquimia. En 1789 Lavoisier publicó un extenso tratado que recopilaba el conocimiento químico y clasificaba los elementos en cinco grupos. Uno de ellos era el de las «tierras», como la alúmina o la sílice, de las que solo podían obtenerse los óxidos. Lavoisier consideró que descubrir la tierra equivalía a descubrir el elemento, y con ese criterio se admitió que Gadolin había descubierto el itrio. «Tierra» es, por tanto, un vocablo arcaico que designa sustancias extraídas como óxidos (terres en francés, la lengua científica de la época).

Ytterby, lugar de peregrinación

Antes de seguir, el ponente se detiene en Ytterby. La mina está cerrada, sus dos entradas tapiadas y el interior inundado, pero una asociación local mantiene viva su memoria como destino turístico y como recuerdo de la historia de la química. De los minerales de Ytterby salieron cuatro elementos cuyo nombre deriva del pueblo: itrio, terbio, erbio e iterbio. Con mineral recogido allí se descubrieron además el escandio, el tulio, el holmio y el gadolinio. Una asociación estadounidense de materiales colocó una placa en 1989 y la sociedad química europea otra en 2019. Prego añade que el lugar es un sitio de peregrinación para algunos premios Nobel de Química.

Bastnäs, el cerio y la cadena de descubrimientos

La segunda mina de la historia es la de Bastnäs, también de hierro y explotada desde siglos atrás. En un momento dado empezó a extraerse allí otro mineral pesado, el «tungsteno de Bastnäs». Según cuenta Prego, la explotación continuó durante la Segunda Guerra Mundial porque los alemanes usaban cerio para diversos fines, como el pulido de los cristales oscuros de las gafas de pilotos y motoristas o algunos focos potentes.

El dueño de la mina era la familia Hisinger, y un hijo de la casa encontró la piedra a los 15 años. También se creyó que era volframio, pero acabó en manos de Berzelius, que al analizarla llegó a un nuevo elemento. El descubrimiento se reconoce compartido entre tres científicos. Así quedaron dos pares: la tierra itria (óxido de itrio) y el elemento itrio, y la tierra ceria (óxido de cerio) y el elemento cerio. Los minerales pasaron a llamarse gadolinita, en honor a Gadolin, y cerita. Según el ponente, estos dos elementos se obtuvieron puros a mediados del siglo XIX, y el resto no se logró separar del oxígeno hasta mediados del XX.

Prego no cree que todo esto fuera pura casualidad. Suecia tenía una fuerte tradición de mineralistas y químicos que se conocían entre sí en un país pequeño, así que bastaba con que apareciera algo llamativo para que empezaran a investigar. Berzelius convenció a Carl Mosander de estudiar la gadolinita y la cerita en busca de nuevas tierras. En una época en que las noticias viajaban despacio y había poca conexión con Centroeuropa, Mosander trabajó «sin agobio» y descubrió el lantano (nombre que significa «escondido») y, de la familia del itrio, el erbio y el terbio. Quedaron así dos familias, la del cerio y la del itrio, y comenzó la cadena que llevaría al resto de elementos.

Durante un tiempo, dice Prego, los suecos tuvieron la exclusiva: «solamente ellos jugaban con el balón porque era suyo». Eso cambió cuando un ingeniero de minas ruso, Vasili Samarsky, encontró un yacimiento de un mineral de tierras raras que acabaría llamándose samarskita. A partir de ahí aparecieron otros minerales y la escasez inicial desapareció.

No son raras

Con un gráfico de abundancia en la corteza terrestre superior frente al número atómico, Prego muestra que las tierras raras no son escasas. Los elementos realmente raros son los del grupo del platino (platino, paladio, osmio, iridio, rutenio) y el oro. El nombre «raras» se debe a las circunstancias del descubrimiento, no a su abundancia, y aun así ha llegado hasta hoy.

Espectroscopía: un «mar de errores»

Cuando científicos de Centroeuropa empezaron a estudiar estos minerales, la química orgánica despegó y la búsqueda de nuevos elementos, muy trabajosa, quedó algo olvidada durante décadas. La reactivó la espectroscopía. Una luz blanca que atraviesa una sustancia pierde ciertos colores, y al descomponerla con un prisma aparecen bandas oscuras que caracterizan cada elemento. Prego muestra a Kirchhoff observando un espectro y los de itrio, lantano y cerio.

Los químicos creyeron que, al ser el espectro la huella dactilar de un elemento, ya podrían saber cuántas tierras raras existían. Según Prego, fue un error: un buen espectro exige una muestra pura, y como las muestras solían estar mezcladas, la técnica produjo más resultados erróneos que fiables. Su gran valor era otro: si se conseguía una muestra pura, su espectro servía para certificar un nuevo elemento.

Aquí entra Georges Urbain, a quien el ponente considera el mayor experto en tierras raras de su tiempo. Obtener algo puro podía exigir cien precipitaciones o mil pasos, y Urbain logró espectros de muchos de estos elementos y ayudó a «separar la paja del grano» entre un centenar de anuncios de nuevas tierras raras. El propio Urbain describió aquel momento como un mar de errores en el que la verdad se ahogaba. Prego lo ve como uno de los últimos «químicos románticos», los que buscaban elementos en la naturaleza. (La imagen de Urbain que proyecta, aclara, está generada con inteligencia artificial a partir de fotografías suyas.)

Un árbol genealógico resume los hallazgos. El didimio, que se creía inseparable, resultó ser una mezcla que se desdobló en praseodimio y neodimio y desapareció de la historia. Urbain descubrió el lutecio, llamado así por Lutecia, el nombre antiguo de París. Todos los descubridores fueron europeos: franceses, austriacos, suecos, suizos y alemanes. El último de los dieciséis elementos se descubrió en 1907. Prego cita al Nobel George de Hevesy, que lo calificó como uno de los mayores logros de la química experimental, y describe a aquellos investigadores como personas movidas por la fama y por la pasión científica. En el árbol se distinguen ya las tierras del cerio (ligeras) y las del itrio (pesadas), con algún elemento al que se llegó por ambos caminos.

Moseley y el elemento que faltaba

Quedaba una pregunta: ¿cuántas tierras raras hay en la naturaleza? La respondió el joven Henry Moseley, que hizo con rayos X algo parecido a la espectroscopía. Descubrió la relación entre el número de cargas positivas del núcleo y lo que llamó número atómico, lo que ordenó la tabla periódica y permitió saber cuántas tierras raras debía haber. Prego cita la carta en la que Moseley preguntaba si sería posible colocar cada tierra rara en su casilla, averiguar si alguna era compleja y saber dónde buscar otras.

La historia de Moseley es triste, dice el ponente. Incorporado a filas en la Primera Guerra Mundial («no sé si fue voluntario o fue llamado»), murió de un disparo en 1915 en el desembarco de Galípoli y no se sabe dónde está enterrado. Según Prego, podría haber recibido el Nobel de Química o el de Física, y su muerte llevó a que en la Segunda Guerra Mundial Inglaterra apartara a sus científicos del frente. Alemania hizo lo mismo más adelante.

Gracias a Moseley se supo que debía haber diecisiete tierras raras, y faltaba una: el elemento 61. Empezó una carrera por descubrirlo, con trabajos en Florencia a mediados de los años veinte y en Estados Unidos, muchos anuncios falsos y la sospecha de que quizá no existiera. El hallazgo llegó con el Proyecto Manhattan. Para separar el plutonio y los isótopos de uranio de las dos primeras bombas, en el complejo secreto X-10 se recurrió a tres científicos con experiencia en tierras raras, que habían propuesto un método de separación por cromatografía iónica. Al analizar los productos de desintegración identificaron el elemento 61. La esposa de uno de ellos, Coryell, propuso llamarlo prometheum, en recuerdo de Prometeo: simbolizaba tanto la obtención de un elemento gracias a la fisión nuclear como la advertencia del castigo por la guerra. La IUPAC lo cambió a promethium, en español prometio.

El secreto del prometio es su radiactividad. Con una vida media que Prego sitúa en unos cinco años, cualquier cantidad presente en la formación de la Tierra, hace 4.600 millones de años, ya se ha desintegrado. Aun así, las reacciones nucleares naturales lo siguen generando, y se estima que en la corteza superior hay algo menos de un kilo, que se forma y se desintegra continuamente. Según el ponente, es la única tierra rara realmente «rara». Hoy se obtiene en reactores nucleares porque tiene algunas aplicaciones.

Qué son químicamente: los orbitales f

Los diecisiete elementos se obtuvieron como metales a mediados del siglo XX. Tienen un aspecto anodino y plateado, se oxidan fácilmente al aire y destacan sobre todo por sus propiedades magnéticas. Prego los enumera: escandio e itrio; lantano, cerio, praseodimio, neodimio, prometio, samario, europio y gadolinio como ligeras; terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio y lutecio como pesadas. Confiesa que cuando estudió Química en la Universidad de Santiago, especializándose en inorgánica, no recuerda haber estudiado estos elementos, y que hasta hace pocos años le sonaban tan extraños como al público. Escandio e itrio «se escapan un poco», pero entraron en el club porque se descubrieron con los demás.

Para explicar su singularidad recurre a la estructura de la tabla periódica según los electrones de la última capa. El bloque s tiene un orbital con dos electrones, el p tiene tres orbitales y seis elementos, el d cinco orbitales y diez elementos, y el f siete orbitales y catorce elementos. Solo los actínidos comparten con los lantánidos esos orbitales f, y de ellos apenas unos pocos son naturales, todos radiactivos. Por eso, según Prego, las propiedades de las tierras raras son únicas.

La clave magnética es esta: un orbital con un solo electrón se comporta como un pequeño imán, y con dos electrones el efecto se anula. El gadolinio tiene siete orbitales f y siete electrones, uno en cada uno, así que tiene siete pequeños imanes. Esto, subraya, es esencial para la detección del cáncer y para la refrigeración magnética que se investiga ahora. Si se imagina cada electrón como una flecha orientada al azar, un campo magnético las alinea todas, y ese proceso mueve energía, lo que permite sacar calor de una cámara. Prego apunta que quizá en unos años los aires acondicionados y las neveras domésticas no tengan motores ni gases y enfríen de forma magnética.

Cierra así la explicación del nombre. Como se descubrieron antes de la tabla periódica, pasando de un mineral a otro, mantuvieron su identidad de grupo. Hoy quizá se hablaría de lantánidos más escandio e itrio, pero «tierras raras» es un término arcaico que ha perdurado.

Ligeras, pesadas y siglas que confunden

Prego advierte que no existe una división clara entre tierras raras ligeras y pesadas. Para él, como químico, la frontera está en el gadolinio, porque a partir de ahí algún orbital f ya tiene dos electrones. En la minería los criterios cambian: para el proyecto europeo EURARE las ligeras terminan en el samario, para la IUPAC en el gadolinio, y en China se manejan varios conceptos, uno de los cuales las corta en el neodimio y añade una categoría de «medias». Cuando se agrupan lantano, cerio, praseodimio, neodimio y a veces samario es porque son los cinco más abundantes en los minerales que se explotan. Por eso recomienda fijarse, al leer noticias sobre minería, en qué elementos se mencionan concretamente, algo que a veces no es transparente.

También repasa las siglas: REE (con o sin «s» de plural), LREE para las ligeras, HREE para las pesadas y, sobre todo, REO, «óxidos de tierras raras». Esta última le parece un contrasentido, porque «tierra» ya significa óxido, pero es la unidad comercial. El mineral se trata químicamente y lo que se vende son óxidos, así que la producción de un país o las reservas mundiales se expresan en toneladas de REO.

Carl Auer von Welsbach: luz y mecheros

La primera gran aplicación la protagonizó el austriaco Carl Auer von Welsbach, a quien Prego presenta como un ejemplo perfecto de investigación y desarrollo que cualquier universidad querría tener. A finales del siglo XIX las ciudades se iluminaban con gas. Auer vio que colocando sobre la llama una camisa de torio y cerio la luz se intensificaba mucho: según el ponente, el torio convertía el calor en radiación infrarroja y el cerio la infrarroja en visible. La camisa de las lámparas de camping gas actuales procede de ese invento. Se estrenó en la Ópera de Viena y se extendió a calles, faros, trenes y locales cerrados. Prego cita que en 1913 se fabricaron 300 millones de camisas Auer y se procesaron 3.000 toneladas de arenas de monacita, un fosfato de tierras raras. Sostiene que esta luz retrasó la llegada de la electricidad, y que en Madrid se usó hasta los años veinte. La casa museo de Auer está en Althofen, en Austria.

Buscando una forma de encender las farolas automáticamente, Auer descubrió que el cerio, al rascarlo, desprende chispas incandescentes. Así inventó la piedra de mechero de ferrocerio y patentó los primeros mecheros. Prego sitúa el invento después de las cerillas de fósforo blanco, surgidas hacia 1840, y de las de fósforo rojo, más seguras, que llegaron unos treinta años después. El mechero hundió el negocio de las cerillas, que tenía un impuesto estatal y, al contrario que el mechero, eran de un solo uso. El ponente muestra una tarjeta española de 1964 que acreditaba haber pagado 24 pesetas de impuesto por tener un mechero. Auer descubrió además el praseodimio y el neodimio, hizo fortuna y el emperador Francisco José lo nombró barón. Su escudo llevaba el lema Plus Lucis, «más luz».

De la televisión en color a una curva que no para

Tras un periodo de abandono, en los años cincuenta y sesenta se descubrió en Estados Unidos que el europio permitía pasar del televisor en blanco y negro al de color. Prego recuerda haber visto en los setenta su primera película en color, Centauros del desierto, en una cafetería. Hacía falta europio puro, así que los tecnólogos separaron los distintos elementos del mineral y, ya que los tenían, empezaron a estudiar sus propiedades. De ahí surgieron sucesivas invenciones en microprocesadores, imanes, internet, teléfonos móviles, dispositivos inteligentes y tecnologías verdes.

Para ilustrarlo, el ponente buscó en Scopus los artículos con «rare earth» en el título. La curva va de 1941 a 2025, y hacia 1961 comienza lo que llama la «época dorada» de las aplicaciones, que no se ha detenido. Se siguen descubriendo propiedades y creando patentes, «que es donde está el dinero». Por países, China suma 17.500 publicaciones, Estados Unidos 8.000 y Japón 4.000. Los principales financiadores son la fundación de ciencia china, un programa chino de I+D y la National Science Foundation estadounidense. En España los fondos proceden de la Unión Europea y de los ministerios de Ciencia e Innovación y de Economía y Competitividad. En el mapa de autores, China concentra casi todo, España aparece con un círculo pequeño y Portugal con uno algo mayor, lo que a Prego le «da que pensar». Entre las instituciones españolas destacan el CSIC, la Universidad de Zaragoza y la Complutense.

Recuerda también a Blas Cabrera, que estudió los momentos magnéticos de los iones de tierras raras, fue el cicerone de Einstein en su visita a España y fue invitado varias veces a las conferencias Solvay. Su conclusión histórica es que la aventura de las tierras raras pasó de Europa, donde se descubrieron, a Estados Unidos, donde se encontraron sus aplicaciones, y hoy la investigación se concentra sobre todo en China. Cita un libro del estadounidense Abraham, director de un centro sobre materiales raros, según el cual la investigación es crucial y los gobiernos deberían trabajar más cerca de los centros de investigación y la industria para anticipar la demanda de metales raros. «Eso lo saben muy bien los chinos», comenta Prego.

Aplicaciones cotidianas: luminiscencia y láseres

Según los datos que presenta, en 2023 el mayor uso de las tierras raras fue la fabricación de imanes, seguida de la catálisis en refinerías, el pulido de lentes, las aleaciones, el vidrio, la cerámica, las baterías, los fósforos de las pantallas y los pigmentos. Prego cree, aunque lo matiza con un «yo creo», que el lantano en el cristal es lo que permite que las gafas actuales sean ligeras. Menciona el itrio en cerámicas como las de los chalecos antibalas.

Como ejemplo de luminiscencia, los billetes de euro, dólar y libra cambian por completo bajo luz ultravioleta gracias a compuestos de europio, lo que sirve para autentificarlos. En los láseres, los electrones de los orbitales f, que tienen la misma energía, pueden alterarse desde fuera. Al saltar entre niveles emiten fotones, y si lo hacen todos a la vez se obtiene luz láser. El ponente da 327 transiciones posibles para el gadolinio y 107 para el holmio, lo que permite láseres de todos los colores, además de infrarrojos y ultravioletas: desde operaciones oculares hasta el corte de metales y plásticos. Lantano, lutecio, escandio e itrio, ópticamente inertes, sirven de soporte. Los punteros láser de los fusiles, invisibles salvo con gafas de visión nocturna, y esas mismas gafas incorporan tierras raras, igual que la fibra óptica para mantener la señal en largas distancias. Prego recuerda también el Nobel de Física concedido a tres investigadores japoneses por los diodos de luz azul, que cerraron el círculo de colores de los LED. Según él, las lámparas domésticas de luz fría o cálida funcionan gracias a tierras raras en su interior.

Imanes, resonancias y otros usos

Los imanes de tierras raras son, según el ponente, al menos cien veces más potentes que los de hierro, lo que permite motores mucho más pequeños. Una turbina eólica puede llevar 250 kilos de neodimio y 14 de disprosio, y Prego advierte que la demanda es muy alta. Bicicletas y patinetes eléctricos llevan estos imanes, y los motores de las neveras han pasado de ser grandes y ruidosos a pequeños y silenciosos gracias al neodimio y al disprosio. Afirma que sin ellos no existirían los drones, cuya importancia basta con ver en las guerras de Ucrania o Irán. Los diminutos imanes de samario-cobalto recogen el sonido en los instrumentos de música electrónica. De paso, se encontró con un grupo de rock de Chicago llamado Rare Earth.

La resonancia magnética combina al menos tres tierras raras: neodimio en los imanes, holmio para concentrar las líneas de fuerza y gadolinio como contraste. Prego, que ha pasado dos veces por el aparato, explica que el gadolinio inyectado, con sus siete «imancitos», se une a las moléculas de agua y hace visible lo que no se vería de otro modo, lo que permite detectar pequeños cánceres cerebrales y, cada vez más, de próstata. Adelanta un problema que tratará en otra sesión: el gadolinio se excreta en 24 a 48 horas, pero va en una molécula orgánica tan estable que las depuradoras no lo eliminan y llega a los ríos. Según sus datos, la mitad del gadolinio del río Sar, que pasa junto al hospital universitario de Santiago, tiene este origen: unos pocos kilos.

Otros usos que menciona: el pulido de vidrio, que según él es hoy la principal compra de tierras raras en España; un isótopo de tulio que emite rayos X en los equipos de radiografía dental; y el prometio, emisor beta, en baterías atómicas que pueden alimentar los circuitos de un misil. En un móvil hay tierras raras en el vibrador, la pantalla, su pulido, los circuitos y los micrófonos, aunque en cantidades tan pequeñas que hoy no es rentable recuperarlas, a diferencia del cobre o el oro. En un coche híbrido, cada pequeño motor, de las ventanillas al limpiaparabrisas o el ajuste del asiento, depende de imanes de tierras raras. Entre las aplicaciones emergentes cita las cerámicas hidrófobas para tejidos, la inteligencia artificial y los trenes de levitación. En energía, una infografía reúne refrigeración magnética, motores, iluminación, hidrógeno, baterías, pilas atómicas, paneles solares y aerogeneradores.

Prego matiza, sin embargo, que no hay que engañarse: las «arterias» de la sociedad de energías verdes vienen del Calcolítico, es decir, del cobre, que transporta la electricidad en cualquier coche o lámpara. De ahí su precio y los robos de cobre.

Elementos estratégicos y militares

Distingue entre elementos «críticos», cuando la producción nacional no satisface la demanda industrial, y «estratégicos», cuando no satisface la de la industria militar. Estados Unidos es, dice, bastante transparente en esta información. Según los datos que presenta, un F-15 lleva 418 kilos de tierras raras, una fragata algo más de dos toneladas y media, y un submarino de la clase Virginia 4,6 toneladas, repartidas entre radar, misiles, propulsión y motores silenciosos. Las aplicaciones militares clave abarcan imanes de alto rendimiento, guiado de misiles y municiones, motores, tecnología de sigilo, absorción de radar con gadolinio, visión nocturna, láseres de apuntado, comunicaciones y componentes navales. Su conclusión: un ejército del siglo XXI sin tierras raras sería uno de la guerra de Corea o de Vietnam, y una sociedad como la nuestra volvería al televisor en blanco y negro de los sesenta.

Sobre la sustituibilidad, Prego indica que solo el prometio sería sustituible al 100%. Samario, praseodimio y neodimio lo serían en torno a un 50%. Iterbio, tulio, europio, lantano, itrio y disprosio no son sustituibles. La obtención depende del tipo de industria, del precio de mercado y del equilibrio entre producción y consumo. Si un mineral contiene cerio y samario y se quiere aprovechar todo el cerio, sobra samario, porque su demanda es menor. Si se ajusta al samario, hay que almacenar el cerio sobrante. Muestra además una gráfica del Departamento de Energía de Estados Unidos con la previsión 2015-2025 de importancia para las energías limpias frente al riesgo de suministro. Según esa predicción, los únicos realmente críticos en 2025 serían neodimio, disprosio, terbio, europio e itrio.

¿La edad de las tierras raras?

Prego termina con un panel de la exposición colectiva «Tierras raras», celebrada en 2015 en la fundación de arte contemporáneo Thyssen-Bornemisza de Viena, que reúne a los descubridores, los elementos y sus aplicaciones. Sus comisarios sostenían que, tras las edades de la piedra, del bronce y del hierro, vivimos en la edad de las tierras raras. Al ponente le parece «un poco pretencioso», pero, a la vista de todo lo expuesto, tampoco demasiado exagerado. La geopolítica de estos elementos y su impacto ambiental quedan pendientes para las siguientes conferencias del ciclo.