Las tierras raras: de una piedra pesada en Ytterby a los imanes, los láseres y los drones
Fundación Juan MarchPrimera 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.
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.
Vamos a empezar haciendo un pequeño viaje en el espacio y en el tiempo. Nos vamos a trasladar a la Suecia de finales del siglo XVIII. Esta fortaleza que ven ahí es una fortaleza que defiende la entrada de la ciudad de Estocolmo, el canal principal. Esta es del siglo XIX, las había otras anteriores, y en una de ellas fue destinado un oficial, un joven oficial de artillería que se llamaba Carl Axel Arrhenius.
Este hombre, como era típico en los oficiales de artillería de esa época, tenía una formación en pólvoras, y para la formación en pólvoras pues les daban clase de química, la química de finales del siglo XVIII. Tienen un ejemplo muy claro si van a Segovia, en el Alcázar de Segovia, que hay un edificio que es el edificio donde se daban clases de chimia mineralógica. En el lenguaje de hoy sería química inorgánica. Y esa formación la recibían pues para cuidar la fabricación de pólvoras, y también recibía información, en este caso Arrhenius, sobre minerales para que pudieran identificar minerales de hierro u otros minerales que le fueran útiles en su labor de artillero, ¿no?
Entonces, estando destinado en esta fortaleza, pues se acercó a un pueblecito que está al lado, a este pueblecito, Ytterby. Y en este pueblecito había una mina, esta es una foto de 1910. La mina actualmente está cerrada, y en esa mina se extraía caolín porque a los suecos les encantaban las estufas de porcelana para calentarse en los inviernos. Y estando paseando por la mina, pues encontró una piedra que le llamó la atención. Bueno, esta piedra es de la zona de la misma mina de Ytterby, la foto que he bajado de internet, y encontró una piedra que le llamó la atención, y como era una piedra pesada y en sueco piedra pesada se dice tung sten, pues le llamó tungsteno de Ytterby.
Entonces, de entrada lo comentó con químicos que conocía y pensaban que tenía wolframio, que es un elemento muy pesado y que habían descubierto dos científicos españoles, los hermanos Delhuyar, hacía unos pocos años. Entonces, lo que hizo él después de un cierto tiempo fue enviarle la piedra que tenía a este científico sueco, Johan Gadolin. Este hombre hizo varias pruebas con ella, que siguiendo la fórmula de hoy en día, porque en aquella época no había esta nomenclatura, pues lo que hizo fue una serie de procedimientos de ataques en medio ácido, precipitaciones y demás. Y a lo que llegó fue a esto. Esto es un compuesto que es un óxido de itrio. En aquella época no podían llegar a más porque no había tecnología para separar el itrio del oxígeno, al igual que tampoco había tecnología para separar el aluminio del óxido de aluminio, ¿no?
Y esto fue como se llegó al descubrimiento del primer elemento de las tierras raras. Y Johan Gadolin tiene una piedra conmemorativa sacada de la mina de Ytterby en donde falleció, en Finlandia. En aquella época Finlandia pertenecía a Suecia, con lo cual a día de hoy los finlandeses dicen que es finlandés y los suecos dicen que es sueco. Y al final pues es de los dos sitios, ¿no?
¿Qué sucedió? Pues que por aquella época era el florecimiento de la química. La química estaba pasando de lo que era alquimia a lo que es química en sí. Y este es uno de los padres de la química, Antoine Lavoisier. Y Lavoisier, en el año 1789, un libro, un extenso libro que compendiaba el conocimiento de la química y marcaba pautas y clasificaba los elementos que había en la naturaleza en cinco grupos. Y uno de esos grupos era el que él llamó tierras: la alúmina, la sílice, y no se podían obtener nada más que los óxidos. Y entonces él consideró que si se descubría la tierra, pues era como si se descubriera el elemento. Y entonces lo que descubrió Gadolin se admitió que fuera el itrio.
Y eso sería el inicio de los nombres de las tierras raras. Tierra es un vocablo arcaico, que fueron extraídos como óxidos, y en el lenguaje científico de entonces, que era el francés, se llamaban terres. Entonces ya tenemos aquí una palabra.
Pero antes de proseguir con el descubrimiento del segundo elemento de las tierras raras, les llamo la atención a lo que es Ytterby. Ese pueblecito de Ytterby, que es un pueblecito pequeñito, tiene una asociación, la Asociación de la Mina de Ytterby, que pueden verla en internet porque, aparte de ser un sitio de turismo, pues es una manera de rememorar toda esa parte de historia de la química. La mina no tiene nada que ver, las dos entradas están cerradas y por dentro pues solamente tienen una zona inundada. Y por eso es importante, porque en base a los minerales que había en Ytterby hubo cuatro elementos de la tabla periódica que tienen el nombre derivado de Ytterby, que son el itrio, el terbio, el erbio y el iterbio, que iré comentando cómo se descubrieron. Pero aparte de eso, y gracias al mineral que se recogió allí, se descubrió el escandio, el tulio, el holmio y el gadolinio. Por eso es un lugar que la Asociación Mineralógica norteamericana le ha puesto esta placa en el año 1989 y más recientemente, en el año 2019, la EuChemS europea le puso otra placa. Y curiosamente Ytterby es un lugar de peregrinación de algunos premios Nobel de química.
Bien. Pues visto esto, nos vamos a trasladar a otra mina. Esta otra mina queda un poco más lejos, en Bastnäs. Estos son los sitios donde se acabaron descubriendo elementos o tierras raras o minerales de tierras raras en la zona de Suecia. Pues aquí había una mina, también era de hierro, que comenzó a explotarse a finales del siglo X y en un momento determinado se empezó a extraer otro mineral de tierras raras que se llamó tungsteno de Bastnäs, y que seguiría explotándose durante la Segunda Guerra Mundial porque los alemanes utilizaban el cerio para determinados fines, por ejemplo, las gafas de los pilotos, que eran de color oscuro, eso se obtenía puliendo el cristal con cerio, o también las gafas de los motoristas o también algunos focos de luz potentes, ¿no?
Bueno, dicha esta anécdota, pues vamos a ver cómo era la casa de Hisinger. Hisinger era el dueño de la mina de Bastnäs, ahora pues se destina con otro fin. Y este hombre tenía un hijo, otra persona curiosa, porque en aquella época en Suecia parece ser que los descubrimientos pueden ser una casualidad, pero Suecia tiene una tradición muy grande en mineralistas y una tradición bastante grande en químicos, y entonces tenían el conocimiento y solo tenían que esperar a que pasara algo que les llamara la atención y entonces empezaran a descubrir pues cosas nuevas, como fue el itrio. Bueno, pues este hombre tenía un hijo que a los 15 años descubrió esta roca, la piedra pesada de Bastnäs. Se creyó que era wolframio, pero lo acabó mandando a Berzelius, otro químico importante de su época. Y Berzelius pues lo analizó y llegó al descubrimiento de otro elemento de las tierras raras. Fue compartido con otros dos científicos y se consideran los tres los autores del nuevo elemento.
Entonces, tenemos la tierra itria, el elemento, el itrio, y en realidad es el óxido de itrio. La tierra ceria, el elemento es el cerio, y en realidad la tierra es el óxido de cerio, ¿no? Estos dos elementos llegaron a tenerse puros a mediados del XIX. Todos los demás no lograron separarse del oxígeno y obtenerlo hasta mediados del siglo XX, ¿no? Bien, pues entonces ya tenemos por una parte el itrio, y la piedra que era el tungsteno de Ytterby acabó llamándose gadolinita en honor a Gadolin, y esta se acabó llamando cerita. Es decir, tenemos la cerita, el mineral, la tierra ceria y el cerio, el elemento.
Berzelius conocía a otro científico, Carl Mosander. Bueno, en aquella época la sociedad de Suecia, es un país que tiene no muchos habitantes, bueno, en aquella época menos, y se conocía toda la parte científica. Entonces los químicos se conocían, los mineralogistas se conocían y entonces estaban en bastante contacto, ¿no? Entonces convenció a Carl Mosander para que investigara en los minerales de la gadolinita y la cerita por si pudiesen encontrarse nuevas tierras. En aquella época llamaban poco la atención. A principios del siglo XIX las noticias corrían despacio y tampoco pues había una conexión directa entre científicos, a lo mejor de Suecia y de Centro Europa, ¿no? Y entonces, sin ningún agobio, Mosander pues descubrió el lantano. El lantano es una palabra que significa escondido. Y también descubrió otros dos elementos, que son el erbio y el terbio, en recuerdo a la mina de Ytterby, ¿no?
Entonces, ya tenemos dos familias de las tierras raras, una la familia del cerio y otra la familia del itrio. De la familia del itrio, Mosander sacó el erbio y el terbio, y también sacó el lantano. Este sería el comienzo de una cadena que llevaría al descubrimiento de todos los demás elementos de las tierras raras.
Había un problema, y el problema es que los suecos tenían la exclusiva, solo había tierras raras en Suecia, solamente ellos jugaban con el balón de fútbol porque era suyo, ¿no? Entonces, en un momento determinado, un coronel, un ingeniero de minas ruso, Vasili Samarski, pues encontró un yacimiento que se llamó posteriormente de samarskita, y es un mineral de tierras raras. Entonces se empezaron a descubrir algunos otros y, digamos, la escasez que había de minerales de tierras raras pues acabó desapareciendo.
Simplemente para orientarlos, esto es a día de hoy. Como químico me encantan los símbolos, me tendrán que disculpar. Y entonces esto más o menos no tiene mayor secreto. Esto es la abundancia. Cuanto más arriba esté, más abundante es en la corteza superior terrestre. Y este es el número atómico que marca el elemento. Aquí están lo que luego serán elementos de las tierras raras, estos 15 más, bueno, 14 porque hay uno que tiene, bueno, 15. Y luego está el escandio y está el itrio. Y entonces pueden ver perfectamente que no son elementos raros, entendiendo raro como escaso. Que hay otros elementos, como estos que están en verde, que son realmente los raros, que son los elementos del grupo del platino, el platino, el paladio, el osmio, el iridio, también está el oro, el rutenio, que son los realmente escasos.
Entonces, ¿qué tenemos? Pues tenemos que el nombre de tierras raras está relacionado con su descubrimiento, pero no son raros. Hay elementos en la corteza terrestre mucho más abundantes que ellos. Bueno, pues entonces tenemos tierras y tenemos raros. Ese nombre llegaría hasta nuestros días.
Pero en ese momento determinado, que ya había científicos de Centro Europa estudiando los minerales, pues la química tuvo un momento en el cual la química orgánica despegó, y también era muy trabajoso abordar el descubrimiento de nuevos elementos. Entonces, hubo unos años, unas décadas, en los cuales quedó un poco olvidado y no se trabajó con ellos hasta que en un momento determinado se inventó la espectroscopía. La espectroscopía se basa simplemente en que una luz blanca con todos los colores, pues cuando atraviesa una sustancia, esa sustancia retiene determinados colores, y cuando se separan en un prisma pues tenemos un espectro. Aquí está Kirchhoff mirando el espectro que causa una sustancia que está ahí, ahí está el prisma y aquí está la vela, con lo cual tiene una regla, ¿no?
Este es el espectro del itrio, el lantano y el cerio. Aquí ven que hay unas bandas oscuras que caracterizan esos elementos. Entonces, los químicos de aquella época pensaron: perfecto, si el espectro es la huella dactilar de un elemento, pues ya tenemos resuelto si hay más elementos de las tierras raras o no. No, error. Error. Y fue un error porque para obtener un espectro bueno hay que tener una buena muestra, es decir, una muestra pura. Y como la muestra que yo tenía a veces tenía mezcla, pues llevaron a más resultados erróneos que resultados fiables. Pero la espectroscopía tenía un valor muy bueno, que era que si tú conseguías una muestra en estado puro y le podías hallar su huella dactilar, ello te servía para certificar que tú habías descubierto un nuevo elemento de las tierras raras, ¿no? Entonces, estamos ahí.
Esta es una foto que encontré en internet que me ha gustado, que es de Georges Urbain, que está generada a base de fotografías de él con inteligencia artificial. Y entonces hubo pues un montón de anuncios, 100 descubrimientos de 100 nuevas tierras raras. Y al final este hombre se caracteriza porque fue el mayor experto de tierras raras de su tiempo. Era un químico excelente, porque había que hacer a lo mejor 100 precipitaciones o 1000 pasos para poder llegar a obtener algo puro y luego analizarlo. Y él obtuvo espectros de muchos elementos de las tierras raras de su época, ¿no? Y ayudó a separar la paja del grano. Y él comentó que en aquellos momentos era un mar de errores y la verdad se ahogaba en él, porque había todo tipo de descubrimientos y muchos eran falsos. Para mí lo considero como un poco de los químicos románticos, es decir, los que buscaban los elementos de la tabla periódica o los elementos químicos en la naturaleza. Después ya cambió todo.
Bien, pues este hombre ayudó a certificar los nuevos descubrimientos que había. Y estos nuevos descubrimientos que había pues quedan muy claros en este árbol. Este árbol, pues si antes nos habíamos quedado con el lantano y con el erbio y el terbio, pues aquí se inventó la espectroscopía, aquí llegó Mendeléyev con la tabla periódica. Luego vinieron otros científicos que fueron descubriendo otros elementos en base a poder separar lo que se consideraba inseparable, como el didimio, que es este, que no pasó a la historia de la química, desapareció, quedó el praseodimio y el neodimio, y fueron descubriendo pues estos nuevos elementos. Urbain descubrió uno que lo llamó lutecio, nombre en recuerdo de Lutecia, París, y están todos estos científicos. Auer, hablaré de él más adelante porque es muy interesante, el austríaco.
Y lo que vemos aquí es la gran aventura de la ciencia europea. Todos los científicos que aparecen aquí nombrados son europeos, o de Francia, o de Austria, de Suecia, hay algún suizo, o de Alemania. Esto fue la gran aventura de la ciencia europea en el descubrimiento de los elementos de las tierras raras. Aquí hay 16. El último se descubrió en el año 1907. Y un premio Nobel de química, George de Hevesy, pues dijo: uno de los logros más reientes que la química experimental ha llevado jamás. No eran científicos, y en aquella época pues perseguían un poco la fama y perseguían un poco pues la pasión por la ciencia, ¿no? Después todo irá cambiando.
Bien. Y aquí además, aparte de esto, pues tenemos este grupo de aquí que serán tierras del cerio o llamaremos tierras raras ligeras. Ya veremos más adelante por qué. Y estas son las tierras del itrio o tierras raras pesadas. Si se fijan, hay algún elemento que se llegó por los dos caminos, y eso llevará a una serie de, bueno, hay una serie de disquisiciones que también les comentaré más adelante. Luego ya tenemos 16 elementos, las tierras ligeras, las tierras pesadas, y 16 tierras raras.
Entonces, la pregunta que se hacían en aquel momento era: ¿cuántos elementos de las tierras raras hay en la naturaleza? Pues no lo sabían. De ahí también la confusión con tanto descubrimiento. Entonces llega un joven científico, Henry Moseley, que lo que hizo fue igual que la espectroscopía, la hizo con rayos X. Entonces se dio cuenta de que había una relación entre el número de cargas positivas que tenía el núcleo del átomo y el número que él consideró número atómico. Entonces, todo el pequeño caos que quedaba por resolver de los elementos quedó ordenado. Cada elemento de la tabla periódica tiene un número y se ordenan según ese número en orden creciente. Y ese número es el número de cargas positivas que tiene el núcleo.
Este hombre lo que hizo fue darse cuenta de que la crisis de las tierras raras estaba resuelta, porque si sabía el número de protones, sabía los elementos ordenados en la tabla periódica y sabían cuántos elementos de la tabla periódica serían tierras raras. Entonces le escribió a
anterior Premio Nobel que cité y le dijo: «¿Será posible colocar cada elemento de las tierras raras en su casilla correcta y resolver si alguno de ellos es realmente complejo y dónde buscar otros nuevos?»
Esto es el laboratorio de Oxford, donde él trabajó, y esto es una placa en reconocimiento al laboratorio y a su labor, porque la historia de Moseley es una historia triste porque, si se fijan, él falleció en 1915. Él fue llamado al ejército, no sé si fue voluntario o fue llamado, fue incorporado a filas en la Primera Guerra Mundial, fue con su parte del ejército que correspondía a Turquía, al desembarco de Galípoli. Fue un fracaso. Y allí murió, le pegaron un tiro y no se sabe ni dónde está enterrado, ¿no? Entonces, una persona que podía haber recibido el Premio Nobel de Química, podía haber recibido también el Premio Nobel de Física por sus descubrimientos, se perdió. Se perdió en lo mejor de su edad, ¿no? Eso hizo que durante la Segunda Guerra Mundial en Inglaterra los científicos fueran apartados del servicio en el frente. Bueno, en Alemania también, pero eso fue después, a mediados de la Segunda Guerra Mundial. Pues esta es la historia de Moseley, que nos resolvió y supimos que los elementos de la tabla periódica tenían 17 elementos de las tierras raras, pero allí hemos contado 16, falta uno. Entonces, claro, faltaba el elemento número 61.
Entonces, claro, tú dices: «Señores químicos, hay que buscar el elemento número 61», y a todo el mundo le gusta descubrir un elemento. Entonces empezó una carrera a ver si podían descubrirlo. Pues hubo en Florencia unos que trabajaron a mediados de los 20, hubo otros en Estados Unidos que trabajaron, hubo muchos anuncios falsos y llegaron a pensar que no existía en la naturaleza. Pero no era eso cierto, sino que el descubrimiento pasó a Estados Unidos.
Este complejo inmenso es donde se trabajaba para fabricar las dos primeras bombas atómicas en Estados Unidos. Esto es el complejo secreto X-10 en una foto del año 1947 y esta es en el año 43, las barras de uranio del reactor nuclear de grafito. Entonces, ¿qué hicieron? Pues para poder separar el plutonio y los isótopos de uranio para fabricar las dos primeras bombas atómicas, la de uranio y la de plutonio, necesitaban gente con experiencia. ¿A quién llamaron? Llamaron a tres científicos que habían trabajado con las tierras raras y que habían propuesto un método de separación por cromatografía iónica que los podía ayudar a separarlas. Entonces lo aplicaron a ello. ¿Y qué pasó? Pues que en una de estas veces que estaban viendo los productos de desintegración encontraron uno que lo pudieron asignar al elemento número 61.
Es el elemento número 61. Ahí se ve cómo es metal. Es un metal. Estos son los tres descubridores. Y cuando decidieron ponerle nombre, pues vino la esposa de Coryell y le dijo: «Debe llamarse prometheum». ¿Por qué? Pues por lo que está aquí escrito, ¿no? Porque simbolizaba el camino por el cual un elemento puede ser producido como resultado del aprovechamiento de la energía nuclear de fisión y también advierte del peligro inminente del castigo del buitre de la guerra. Y entonces le recordaba a Prometeo, el titán que trajo el fuego a los humanos y que fue castigado por ello. La IUPAC, que es la institución internacional que regula todas las características, bueno, químicas, nombres y demás, pues decidió cambiarle el nombre de prometheum por promethium. Bueno, el nombre en inglés es siempre en latín. Nosotros le llamaríamos prometio. Entonces, esto es lo que ha ocurrido.
El secreto del prometio es que era radiactivo y tiene una vida media de unos 5 años, lo cual lleva a que no puede estar presente en ningún mineral porque ya se ha descompuesto desde que se formó; cuando la Tierra se constituyó hace 4600 millones de años, pues ya se había desintegrado todo. Pero no es del todo cierto, en el sentido de que, como en la Tierra sigue habiendo reacciones nucleares, se sigue generando prometio y se estima que en la corteza superior terrestre hay algo menos de 1 kg de prometio que se va generando y desintegrando constantemente. Luego este es realmente el único elemento raro, y extremadamente raro, de las tierras raras, ¿no? A día de hoy se obtiene en base a los reactores nucleares porque curiosamente tiene algunas aplicaciones que luego comentaré.
Entonces, ¿qué tenemos? Pues nada, tenemos 17 elementos. Aquí no está el prometio, solo hay 16. 17 elementos que fueron obtenidos en estado metal, porque son metales, a mediados del siglo XX. Y este es el aspecto que tienen, un aspecto anodino, plateado, y que no llaman nada la atención, ¿no? Tienen un brillo argentífero, se oxidan fácilmente al aire y destacan sobre todo por sus propiedades magnéticas. Este es el gran secreto de estos elementos, ¿no?
Voy a leerlos para que les suenen, porque yo cuando estudié química en la Universidad de Santiago, que me especialicé en química inorgánica, no recuerdo haber estudiado los elementos de las tierras raras. Así que hace pocos años me sonaban tan raros como a lo mejor les sonarán a ustedes, ¿no? Pues son el escandio y el itrio. Luego están lantano, cerio, praseodimio, neodimio, prometio, samario y gadolinio, que son los elementos de las tierras ligeras. Y luego está el terbio, el disprosio, el holmio, el erbio, el tulio, el iterbio y el lutecio, que serían los elementos de las tierras raras pesadas. El escandio y el itrio se escapan un poco, pero bueno, como fueron descubiertos en su momento, pues entran en el club de las tierras raras.
Bueno, yo creo que todos hemos tenido alguna vez una tabla periódica en las manos. Esta lo refleja muy bien. Esta zona verde es la que ocupan 15 de los elementos de las tierras raras. Y ahora me voy a meter en algunas cosas de química, pero resultará sencillo.
A mí me encanta esta tabla periódica más que la otra. Lo que pasa es que esto pues uno no lo puede llevar en el bolsillo. Y el secreto de la tabla periódica, en la parte química de reacciones químicas, están los electrones que hay en la última capa. Y la última capa puede ser un bloque s, es un orbital s. En un orbital caben dos electrones y tenemos todos estos elementos. En un bloque p hay tres orbitales p, caben seis electrones y tenemos estos otros seis. Luego tenemos un bloque d, un orbital d, que hay cinco orbitales d, y tenemos estos 10 elementos, y luego están los orbitales f, que son siete, luego hay 14 elementos. Estos son los 14. Entonces, los elementos de las tierras raras son únicos en el universo, en el sentido de que los que tienen un orbital f que les da las propiedades magnéticas que poseen, los tienen también los actínidos, pero solo hay unos pocos que son naturales y los demás son todos artificiales, y además los naturales son radiactivos. Luego las propiedades que muestran los elementos de las tierras raras son únicas. Y eso es un poco el motivo por el que les he metido esta tabla periódica. Para que no me digan que no soy químico, pues les meto una tabla periódica, ¿no?
Bien. Entonces, ¿cuál es la característica de los lantánidos? Los que se llaman orbitales 4f tienen propiedades muy parecidas, por eso se encuentran todos juntos. Y además, pues este es el orbital f. Puede tener de cero electrones hasta 14 electrones, que es el lutecio. Entonces, son 15 los elementos de las tierras raras porque hay esa posibilidad con la ocupación de los electrones. Si ustedes piensan en un orbital, uno de estos siete f, pues en un orbital caben dos electrones. Si solo hay un electrón es como un pequeño imán. Si hay dos electrones, se anulan y no hay ningún efecto magnético. ¿Por qué eso es importante? Pues porque si venimos aquí al gadolinio, tiene siete orbitales f y siete electrones. Eso da lugar a que es un elemento que tiene siete pequeños imanes. Puede parecer una anécdota lo que estoy comentando y muy teórico, pero eso es clave para la detección del cáncer, por ejemplo. Y también es clave en los últimos avances que están haciendo ahora en la refrigeración en cámaras frigoríficas.
En vez de ser un gas que se enfría y se calienta, se expande y se encoge, pues es un electrón que está... Si consideran que el electrón es una flecha, hay flechas mirando para todas partes. Si las meten en un campo magnético, todas se orientan mirando en el mismo sentido. Pues eso mueve energía y pueden mover energía desde dentro de una cámara afuera, con lo cual tienen un efecto frigorífico. Tal vez dentro de unos pocos años los aires acondicionados, las neveras de casa ya no tengan motores ni gases y el enfriamiento sea magnético. Y eso es precisamente por esta característica especial que tienen los elementos de las tierras raras, en particular el gadolinio, entre otros, ¿no?
Bueno, pues entonces vamos a cerrar el ciclo de por qué se llaman tierras raras. Porque en el momento en que se descubrieron son anteriores a la tabla periódica y, al ser anteriores a la tabla periódica, pues fueron encontrándose de un mineral a otro. Entonces, mantuvieron su nombre. A día de hoy a lo mejor se hubieran llamado lantánidos más el itrio y el escandio, pero como fueron descubiertos desde un punto de vista mineralógico, pues mantienen su conjunto porque estaban todos en los mismos minerales, y ahora el término de tierras raras es un término arcaico que ha perdurado, ¿no? Eso es un poco el motivo de que exista.
He traído esto que, bueno, golpea un poco la vista, para que se den cuenta de que no hay una idea clara de cuáles son los elementos de las tierras raras ligeros y pesados. Para mí, como químico, la división está en el gadolinio. Siete orbitales f, siete electrones, uno en cada orbital, y a partir de ahí ya tiene que haber dos en un orbital. Entonces esos ya son las tierras raras pesadas. Pero a nivel de personas que trabajan en minas para obtener los elementos de las tierras raras, pues esa división no es clara. Para EURARE, que es Europa, las tierras ligeras acaban en el samario, no en el gadolinio. Para la IUPAC, esto está mal, acaban en el gadolinio. Después en China hay distintos conceptos, pues acaban en el neodimio y después crean una denominación que es tierras raras medias y las demás son pesadas.
Normalmente, si se considera el lantano, el cerio, el praseodimio, el neodimio y a veces el samario, es porque cuando se explota un mineral para obtener elementos de las tierras raras, en ese mineral lo más abundante son estos cinco elementos. Por eso esos son los que consideran ligeros. Entonces, cuando lean una noticia de explotación minera de tal, bueno, deberían decir los elementos de las tierras raras a los que se refieren, y eso a veces no es tan transparente. De ahí un poco que les comente esta confusión que se encontrarán, o estos diferentes criterios que se encontrarán al hablar de las tierras raras.
Y también aquí he recogido un montón de acrónimos que aparecen en la literatura, unos más y otros menos. Hay cuatro marcados en azul que son los normales del nombre inglés, REE. A veces se pone una s en el plural. Ese es uno que verán. El de las tierras raras ligeras con una L, el de las tierras raras pesadas con una H. Y después el que más verán probablemente en la prensa o al hablar de las tierras raras es REO. REO son los óxidos de tierras raras. Es un contrasentido, porque tierra ya es sinónimo de óxido. Pero así es como se comercian las tierras raras. En una mina se explota el mineral, se trata químicamente y el producto final es el óxido de tierras raras. Entonces, a la venta siempre se dice: la producción de un país son tantas toneladas de óxidos de tierras raras, la reserva mundial de tierras raras son tantas en unidades de REO. Esta es realmente la que verán más veces.
Bien, pues ya les dejo de dar la lata con esta parte y vamos a ir a otra parte tal vez más cercana, ¿no? Y este es el científico del que yo hablé, Carl Auer. No solamente era científico, sino que era una persona muy práctica. Si ustedes piensan en lo que es investigación y desarrollo, este es un ejemplo perfecto que querrían tener todas las universidades trabajando para ellas.
Auer observó pues determinadas cosas y vio que a finales del siglo XIX la iluminación de las ciudades era con gas. Iban y encendían todas las noches las lámparas de gas. Entonces vio que si se le ponía una fundita a la lámpara de gas, pues la luz era mucho más intensa, y esa fundita estaba hecha de torio y de cerio. Eso intensificaba mucho la luz porque el torio lo que hacía era pasar el calor a radiación infrarroja y el cerio, la infrarroja a visible. Tal vez les suene raro, pero he traído por aquí también la imagen de una lámpara de camping gas. La fundita que tiene la llama del gas es una fundita inventada por Auer.
Eso cambió muchas circunstancias de la época; todo el mundo la empezó a poner. La primera vez que se puso fue en el teatro de la ópera de Viena y ahí nació la iluminación con la Auer, la llegada de la luz Auer a la sociedad. Y fue muy importante porque, por ejemplo, como anécdota, en 1913 se fabricaron 300 millones de lámparas Auer y se procesaron 3000 toneladas de arenas de monacita. La monacita es un fosfato de tierras raras de donde se sacaba el cerio. Entonces toda la sociedad estaba más iluminada, hasta el punto de que la llegada de la electricidad se retrasó, pues esta luz era muy intensa. Aquí en Madrid esta iluminación con funditas de Auer duró hasta los años 20. Después ya se pasó a la electricidad. Eso se aplicó a los faros que estaban en la costa, con lo cual tenían una luz más potente, a locales cerrados, donde se iluminaba con lámparas, en trenes, en sitios como este, cuando tenían la iluminación con gas. Entonces cambió todo eso y hubo una industria muy grande. Esta foto recoge la casa museo de Auer, que está en un pueblecito al oeste de Austria, en Althofen.
Bueno, no contento con esto, pues intentó inventar algo que permitiera encender automáticamente las luces de las farolas. Entonces, experimentando, pues llegó a descubrir la piedra de mechero. La piedra de mechero es un ferrocerio. Es el cerio, que cuando se rasca saltan chispas, metal que se pone incandescente al aire. Entonces él en un momento determinado vio eso en el laboratorio y se le ocurrió esa idea. Y entonces él inventó la piedra de mechero, que es un ferrocerio, y los primeros mecheros, que los patentó. Estos primeros mecheros fueron un crack para la sociedad. En el año 1840 se descubrió el fósforo blanco, las cerillas de fósforo blanco. Unos 30 años después, el fósforo rojo, que no se encendía espontáneamente como pasaba con el fósforo blanco, ya no era tan peligroso. Pero, ¿qué hizo el mechero? Pues hundir el negocio de las cerillas, pero el negocio de las cerillas tenía un impuesto estatal. Las cerillas son de un solo uso, el mechero no.
Con lo cual tuvo sus problemas. Y una cosa que me encontré yo navegando por internet es esta tarjeta. Esta es una tarjeta que se la daban a un propietario cuando tenía un mechero. Entonces, si venía la inspección, había pagado el impuesto por comprar el mechero o por tener el mechero. Esto es de la España del 64, ¿sí? Y el impuesto son 24 pesetas, ¿no? Entonces, esto es curioso.
Descubrió dos elementos de las tierras raras, el praseodimio y el neodimio. Hizo una fortuna de dinero con sus descubrimientos y en la época del emperador Francisco José de Austria, pues lo elevó al título de barón. Entonces era barón von Welsbach. Y su escudo de armas, pues fue un escudo de armas impresionante, que es el que está ahí, y ahí ponía como lema Plus Lucis, más luz, que fue la historia de su fama y de su fortuna. Pues esta fue una de las primeras aplicaciones que tuvieron los elementos de las tierras raras, ¿no?
Después hubo un periodo en que estuvo el tema abandonado, hasta que en los años 50 y 60 alguien en Estados Unidos descubrió que el europio se podía utilizar en las pantallas de los televisores caseros y pasar del blanco y negro al color. Luego había nacido la televisión en color. La televisión en color se vendía sola, yo me acuerdo en los años 70 de ver la
primera película en una televisión en color, en una cafetería, era Centauros del desierto. Pues eso lo cambió todo, lo cambió todo. Entonces hacía falta europio para elaborar televisores en color. Entonces, había que obtenerlo y obtenerlo puro. Luego lo que hicieron los tecnólogos fue separar del mineral los distintos elementos de las tierras raras en estado metálico y como estaban allí empezaron a estudiar sus propiedades. Entonces, no solamente llegó esto, sino que hubo invenciones sucesivas donde intervinieron los elementos de las tierras raras en los microprocesadores, en los imanes, en internet, en los teléfonos móviles y en los equipos inteligentes Smart y ahora en las tecnologías verdes. Pues eso nació allí.
Y he traído una gráfica que yo creo que es muy significativa. Los científicos utilizamos una base bibliográfica que es de Elsevier, que es Scopus. Y cuando queremos saber lo que se ha hecho en un tema que queremos publicar, pues acudimos a ella. Pues entonces dije yo, bueno, vamos a ver qué dice Scopus cuando le pongo que busque la palabra tierras raras en inglés y que esté en el título de un artículo. Y esto fue lo que apareció. Esto fue lo que apareció. El número de publicaciones científicas y técnicas aparecidas sobre las tierras raras tiene esta curva. Esto es el año 1941. Esto es el año 2025. El año 1961 es donde inicia la época dorada de las aplicaciones de las tierras raras. Es algo que no ha parado. Se sigue investigando, descubriendo nuevas propiedades y creando nuevas patentes, que en las nuevas patentes es donde está el dinero. Claro, el dinero de los que las aplican.
Entonces, pues tenemos esto que es muy llamativo, pero se puede bucear un poquito más en los artículos publicados porque la base Scopus te permite hacer esos juegos, ¿no? Entonces, los datos que estaban manejando eran artículos, conferencias, revisiones y capítulos de libro. Y cuando puedo escogerlos según los países, resulta que China tiene 17,500 artículos, Estados Unidos 8,000, Japón 4,000. Y también se puede ver quién paga la investigación, quién financia la investigación. En China hay dos, que es la fundación de la ciencia china y también el programa de desarrollo investigación en China. Y luego está la National Science Foundation en Estados Unidos. En España la investigación que se ha hecho y se hace sobre tierras raras, pues tenía fondos europeos, fondos del Ministerio de Ciencia e Innovación y fondos del Ministerio de Economía y Competitividad.
Y aún podemos dar un pasito más y con esto termino esta parte de la bibliografía. Uno puede ver de dónde son los autores de los artículos y el número de autores se puede reflejar por un círculo, si hay muchos o si hay pocos. Entonces, aquí se ve de dónde son los autores que publican artículos sobre tierras raras. Hombre, llama China la atención, ahí está centrado todo. El jueves cuando les hable de la geopolítica, China tiene un motivo muy importante para hacerlo y eso ya lo trataré con más detalle, pero a mí me llamó la atención porque España está ahí con un circulito pequeño y Portugal está al lado que tiene un circulito un poco más grande, ¿no? Y eso a veces da que pensar, ¿no?
En España hubo un científico, Blas Cabrera Infante, que merece la pena ser citado y es porque estudió los momentos magnéticos de los iones de las tierras raras. Blas Cabrera fue, llamémosle, el cicerone que acompañó a Einstein cuando visitó España y tiene muchos trabajos sobre esto que ayudó al estudio de las tierras raras y fue convocado diversas veces en las reuniones Solvay que hubo en Bélgica. ¿Quién? ¿De dónde son los científicos que publican sobre tierras raras? Del CSIC. Del CSIC. Bueno, porque eso lo hace la base Scopus, del CSIC y también la Universidad de Zaragoza y la Universidad Complutense. Hay más, pero he escogido solamente los cinco primeros.
Entonces, ¿qué tenemos? Pues tenemos que la gran aventura europea del descubrimiento de las tierras raras pasó de Europa a Estados Unidos. Estados Unidos encontraron multitud de aplicaciones y ahora está toda la investigación, sobre todo en China, es donde se ha ido desplazando de Europa a Estados Unidos y ahora en China, que eso es un poco lo que vale la pena, lo que vale la pena acordarse y lo que quería decirles, ¿no?
A ese respecto, hay un libro de un escritor norteamericano, Abram, que es director de un centro de tecnología de materiales raros y eléctricos, que escribió este libro y de él pues se puede sacar alguna frase interesante y es que la investigación es crucial para descubrir los secretos de la ciencia de los materiales. Eso lo saben muy bien los chinos. Y los gobiernos deberían trabajar más cerca de las instituciones de investigación y la industria tecnológica para comprender mejor las demandas futuras de metales raros. Bueno, dentro de los metales raros están las tierras raras. Es un libro interesante de leer, me parece que es 2015 o 2017. Bueno, pues en ese aspecto pues ya tenemos un poco cómo anda la investigación científica a día de hoy, quién fue el barón.
Y ahora pues vamos a pararnos un poquito en las aplicaciones. Este es el cuadro que refleja muy bien todas las aplicaciones que tienen las tierras raras. Y de aquí pasaré a poner algunos ejemplos de estas aplicaciones en nuestra vida cotidiana, ¿no? Tener en cuenta que en el año 23 el mayor uso de los elementos de las tierras raras es en imanes. Después está en catálisis, en procesos catalíticos de refinerías, en pulido de lentes, en aleaciones, en vidrio. Una de las cosas que creo yo que están permitiendo es que las gafas a día de hoy sean muy ligeras, no las anteriores que eran grandes y pesadas. Y eso yo creo que es porque tiene el lantano el cristal, ¿no? Después también está la cerámica. La cerámica, un ejemplo típico de cerámica es el itrio. Los chalecos antibalas llevan itrio, por ejemplo, entre otras cosas. Bueno, y objetos de cerámica. Después están los fósforos, bueno, las baterías en los electrodos que lo conectan. Después los fósforos son las pantallas, las pantallas de los ordenadores, de los móviles, de todo tipo. Y luego los pigmentos y luego hay otras, ¿no? Pigmentos para dar colores.
Bueno, pues vamos a ver un ejemplo de luminiscentes, fósforos. Bien, una manera de autentificar que un billete está emitido por el Banco Europeo es ponerlo bajo una luz ultravioleta. Tan pronto lo ponen bajo una luz ultravioleta, su aspecto cambia totalmente. Esto es debido a que tiene compuestos de europio. El europio en todas estas cosas es importante. Pues aquí aparece de repente iluminada algo, las estrellitas que no se veían se ven. Cambia todos los colores. Esto está en todos los billetes de euro, en todos los billetes de dólar y en todos los billetes de libra, entre otros. No es una manera de autentificar.
Otra utilización es los electrones que están en orbitales f. Todos los orbitales f tienen la misma energía, pero si se les altera desde fuera y cambian su energía, pues cuando los electrones saltan de uno a otro emiten un fotón, emiten luz y si se emiten todos a la vez, pues lo que uno consigue es una luz láser. Y hay saltos posibles, en el gadolinio son 327, para el holmio son 107, pues que se pueden obtener láseres de todos los colores del arcoíris y también del infrarrojo y del ultravioleta. Eso permite desde finas operaciones oculares con un láser hasta cortar los metales y el plástico con láseres. El escandio, el itrio, el lantano y el lutecio. El lantano no tiene electrones en orbitales f. El lutecio lo tiene completo con 14. El escandio y el itrio no tienen orbitales f. Normalmente se utilizan, son inertes ópticamente y se utilizan como soporte de los otros. Si ven una película de acción de guerra y a veces van con el rifle o con la ametralladora y ven un puntero láser, pues ese puntero láser es de un elemento de las tierras raras que además lo hace no en el visible, que solo lo ven con las gafas de visión nocturna que también incorporan algún elemento de las tierras raras, ¿no?
Otra cosa, bueno, la fibra óptica pues lo tienen para que no se pierda la señal cuando, por ejemplo, tienes una fibra óptica larga, pues se utiliza algún elemento de las tierras raras para mantener la señal. Y ahora hace poco, en el 24, a tres investigadores japoneses le dieron el premio Nobel de física por la invención de los diodos que emiten luz azul. Con ello se consiguió cerrar todo el círculo de diodos y en casa tenemos lámparas de luz fría que pueden tener distintos colores según queramos, colores cálidos, colores fríos y eso es porque los diodos juegan con elementos de las tierras raras en su interior. Estos son ejemplos de luminiscentes.
Imanes. Aquí tienen ejemplos de imanes. Una turbina generadora de corriente puede llegar a tener 250 kg de neodimio y 14 kg de disprosio. Es un problema porque la demanda es muy alta, ¿no? Y después también lo tienen en todo cuanto artilugio como estos que ven aquí, desde bicicletas, patinetes, pues los motores que mueven las ruedas en el imán, el imán que antes era un imán de hierro, ahora es un imán que tiene tierras raras y son como mínimo 100 veces más potentes. ¿Qué quiere decir eso? Que pueden hacerse motores muchísimo más pequeños. Por ejemplo, el de las neveras de nuestras casas. Hace 20 años eran grandes y ruidosas. Ahora los motores son pequeños y silenciosos porque incorporan en los imanes neodimio y disprosio según la combinación que les interese. No existirían los drones sin motores eléctricos basados en elementos de las tierras raras. Consiguen que sean muy ligeros y por eso pueden volar. Si no hubiera esos motorcitos, no existirían drones. Y no les voy a comentar la importancia que tienen los drones. Solo tienen que leer la prensa todos los días y la guerra que hay montada en Ucrania o en Irán y el uso constante de los drones, ¿no?
Y después también cuando yo estaba buscando información, pues me he encontrado que hay unos imanes muy pequeñitos que están hechos de samario, que es un elemento de las tierras raras, y cobalto. Y estos son como los altavoces en los instrumentos de música electrónica. Recogen el sonido y lo llevan a un amplificador que también tiene elementos de las tierras raras. Luego la música electrónica, todos los instrumentos se permiten esa miniaturización o esa comodidad en su uso debido a que tienen imanes de samario cobalto. Y al buscarlo, pues me encontré un grupo de rock de Chicago, pues que se llamaba Tierras Raras y me pareció simpático.
Cuando les hablaba antes del gadolinio, la importancia en detectar cánceres es por esto. Esta invención pues lleva como mínimo tres elementos de las tierras raras: el neodimio, que son los imanes que vienen por afuera, el holmio, que es un elemento que hace que las líneas de fuerza de los imanes se junten, con lo cual son más potentes. Y luego el gadolinio. Si alguna vez han estado dentro de un aparato de esos, yo estuve dos veces dentro de un aparato de esos, la parte de la angustia, pues a uno le enchufan un catéter y le meten gadolinio en vena porque el gadolinio tiene siete imancitos, que son los siete electrones. Y entonces lo que hace es que se pega a las moléculas de agua y lo que no se veía en un escáner normal queda iluminado. Y esto sirve para detectar pequeños cánceres en el cerebro y ahora lo aplican bastante en la próstata, ¿no? Entonces, esa es otra de las aplicaciones gracias a las características especiales que tiene el gadolinio. Ni que decir tiene pues que se hacen millones de exploraciones. Esto tiene un aspecto secundario que comentaré el jueves y es que a nosotros nos inyectan gadolinio. ¿Dónde va el gadolinio? Pues se excreta de 24 a 48 horas. El gadolinio va en un entorno orgánico, una molécula orgánica, y el compuesto es tan estable que las depuradoras de agua no pueden eliminarlo y acaba en los ríos. Es curioso. Yo tengo en mi despacho unos datos del río Sar que pasa por la ciudad de Santiago y ahí está el Hospital Universitario y la mitad del gadolinio que lleva el río en sus aguas es de este origen, unos pocos kilos. Es curioso todo el entorno este. El jueves hablaré del aspecto ambiental de las tierras raras. Estuve haciendo promoción.
Otra aplicación pues en vidrio óptica para pulidos. Eso es todo lo que se vende hoy en día. La principal venta o compra en España de tierras raras es sobre todo para el pulido de cristales. Cuando van al dentista y le hacen una radiografía, es comodísimo porque en un momento determinado tienen toda la mandíbula hecha. Es un isótopo del tulio, que es un elemento de las tierras raras, que emite rayos X y que permite ser muy manejable, ¿no? Y el prometio, ¿qué hacemos con el prometio si es artificial? Pues emite radiación beta. Radiación beta son electrones. Entonces tienen una aplicación muy interesante. Si vosotros o ustedes tienen un misil y quieren darle una fuente de electrones para que se mantengan sus circuitos, le pueden poner una batería atómica basada en prometio, por ejemplo, ¿no?
Más aplicaciones. Bueno, estas son ya más generales. En un móvil, que es una maravilla electrónica, pues hay tierras raras en la vibración, en la pantalla, en el pulido de la pantalla, en los circuitos electrónicos y en los micrófonos. Lo que vibra cuando lo ponemos en modo silencioso es porque tiene un imán de tierras raras y la cantidad de tierras raras es tan escasa que no es rentable extraerlas del teléfono móvil en estos momentos; así como es rentable el cobre o el oro, extraerlas no lo es. Y cuando suben a un coche híbrido o medio híbrido, pues esto es todo lo que rodea al coche en lo cual han intervenido las tierras raras. Cualquier motorcito, le dan, bajan la ventanilla, suben la ventanilla, limpiaparabrisas, todos esos motorcitos, ajusta el asiento, todo eso está basado en imanes de tierras raras, ¿no? Bien.
Bueno, y después llegamos un poco a la punta hoy en día, ¿no? Pues las aplicaciones emergentes en los cuales intervienen elementos de las tierras raras, cerámicas hidrófobas para los tejidos que repelen las gotas de agua, no se humedecen. En la inteligencia artificial, en trenes de levitación, pues hay un montón de aplicaciones que se están investigando. De ahí que haya tanto interés en descubrir nuevas propiedades, aplicaciones y crear nuevas patentes.
Esto es un ejemplo con la energía. Cuando uno piensa en las utilidades de las tierras raras queda muy bien explicada en esta infografía. En esta infografía pues está la refrigeración que les decía, en los congeladores, naves congeladoras industriales, en los motores eléctricos, en la iluminación, en la obtención y almacenado de hidrógeno, en las baterías electroquímicas, pues en un montón de los sistemas, el prometio en pilas atómicas, en los paneles solares y en los aerogeneradores. Es decir, hoy en día dependemos de las tierras raras, pero vamos, tampoco hay que engañarse porque las arterias de las energías y en nuestra sociedad de energías verdes, las arterias provienen del calcolítico, de la edad del cobre. El cobre es fundamental para transportar la electricidad, de ahí su precio y de ahí también pues que roben cobre para vender y demás. El cobre son las arterias en los cuales pues todos estos aparatos se mueven. En cualquier coche hay cobre, cualquier luz tiene unos hilos de cobre. Eso es fundamental. Es decir, es más aspectos aparte de la energía de las tierras raras.
Y después también son elementos estratégicos cuando la producción nacional no satisface la demanda de la industria militar. Antes eran elementos críticos cuando no satisfacen la industria de los países. Y aquí es curioso porque los Estados Unidos son bastante transparentes y cuando uno busca información de aplicaciones militares, pues en Estados Unidos la encuentra, en otros países es más difícil. Para que se den cuenta, ahora mismo en toda esta historia que se está montando en Irán o en Ucrania, los norteamericanos, un F15 tiene 418 kg de tierras raras. Estos son los elementos mayoritarios. Una fragata de este tipo, pues lleva en el
radar, en los misiles, en la propulsión, en los motores, pues lleva 2 toneladas y media, un poco más, de tierras raras. Y un submarino de la clase Virginia lleva 4,6 toneladas en todos los sistemas, tanto en los misiles como el radar o en los motores silenciosos que tienen, ¿no?
Es decir, en resumen, podríamos verlo aquí: aplicaciones militares clave, imanes de alto rendimiento, guiado de misiles, municiones guiadas, motores en aeronaves y vehículos, la tecnología del sigilo; en recubrimientos llevan disprosio, erbio, sensores de óptica. El gadolinio para la absorción del radar, el itrio para la visión nocturna, pantallas, gafas protectoras, láseres, itrio en láseres para sistemas de sigilo, comunicaciones y apuntado, y después también componentes navales, ¿no? Transductores, navegación, detección.
Es decir, un ejército del siglo XXI sin tierras raras sería un ejército del siglo XX, a la guerra de Corea o a la guerra de Vietnam. Una sociedad del siglo XXI de alta tecnología como es la nuestra, si le quitan las tierras raras, nos iríamos al televisor en blanco y negro de los años 60. Eso es el cambio que a veces es imperceptible, pero ha sido un poco por el descubrimiento de las propiedades y las aplicaciones.
Esto es un poco el decirles cuáles son imprescindibles hoy en día. Sustituibles al 100% sería solo el prometio; a un 50% serían el samario, el praseodimio, el neodimio; y no son sustituibles el iterbio, el tulio, el europio, el lantano y el itrio y el disprosio. Esa es la importancia que tienen, ¿no?
Y hoy en día la obtención de tierras raras pues depende del tipo de industria, depende del precio del mercado, depende del tipo histórico. Antes se utilizaban menos, ahora se utilizan muchas más. El balance de producción-consumo, que esto es una cosa muy curiosa, es que si tienen un mineral que tiene cerio y samario, pues si quieren aprovechar todo el cerio, pues a lo mejor sobra samario porque la demanda de samario es menor, o si quieren ajustarlo al samario, pues sobra cerio y tiene que almacenarlo. Eso funciona también con el balance de producción-consumo. Y después en geopolítica, porque son elementos geoestratégicos, como comentaré con más detalle el próximo jueves, y sigo haciéndome spoiler a mí mismo.
Bien. Entonces, esto es una gráfica. Aquí es la importancia para las energías limpias y aquí el riesgo de suministro. Esto está hecho por el Departamento de Energía de Estados Unidos y estaba hecha la predicción 2015-2025. Lo he traído porque es significativo. 2025 ha sido el año pasado y los únicos realmente críticos eran el neodimio, el disprosio, el terbio, el europio y el itrio. Es decir, estos cinco elementos de las tierras raras son realmente críticos para las energías limpias.
Bueno, pues en este paseo que hemos ido dando sobre los elementos de las tierras raras, solo quiero terminar con esta imagen en la cual aquí están los descubridores de las tierras raras, aquí están los elementos de las tierras raras y aquí están las aplicaciones de las tierras raras. Esto es uno de los paneles que se creó en la exposición que se celebró en el año 2015, una exposición colectiva titulada Tierras raras en la fundación de arte contemporáneo Thyssen-Bornemisza en Viena, y cuyos comisarios pues definen que después de la edad de la piedra, de la edad del bronce y la edad del hierro estamos en la edad de las tierras raras.
Bueno, es un poco pretencioso, pero por lo que han ido viendo, pues tampoco es demasiado exagerado, ¿no? Bueno, pues con esto, y en horario más o menos, pues termino esta primera parte de las tierras raras.
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