ธาตุหายากกับความพยายามใช้ให้เป็นประโยชน์อย่างยั่งยืน

ในบริเวณภูเขาหลายลูกที่ตั้งอยู่ในมณฑล Jiangxi ของประเทศจีน มีการทำเหมืองแร่มากมาย ดังนั้นในเวลากลางวัน เราจะเห็นชายฉกรรจ์จำนวนมากกำลังทำงานเจาะ ขุดทั้งเนินดินและหน้าผาหินจนพังทลาย เพื่อค้นหาธาตุหายาก (rare earth elements , REE) ซึ่งได้แก่ dysprosium และ terbium ที่คนทั่วไปมักไม่รู้จัก แต่โลกเทคโนโลยีขั้นสูงมีความต้องการมาก และสามารถพบได้มากในประเทศจีน และหลังจากที่ได้ดินและก้อนหินที่ต้องสงสัยว่ามีธาตุหายาก (REE) แล้ว เจ้าหน้าที่เหมืองก็จะนำกรดไปราดลงไปบนก้อนดินที่สกปรกเหลวนั้น เพื่อแยกธาตุหายากออกมา จากนั้นก็นำธาตุที่ยังไม่บริสุทธิ์ 100% ไปผ่าน

กระบวนการทำความสะอาด โดยการเผาจนได้ REE ที่แห้งสนิท กระบวนการดังที่กล่าวมานี้ เป็นกรรมวิธีที่สิ้นเปลืองมาก เพราะจากดินสกปรกที่หนัก 100 ส่วน จะมี REE ที่โลกประสงค์เพียง 0.2 ส่วนเท่านั้นเอง อีก 99.8 ส่วนที่เหลือจะถูกนำไปทับถมเป็นเนิน “ขยะ” ลูกใหม่ สำหรับกรดที่มักติดอยู่กับ REE ก็จะถูกปล่อยลงแม่น้ำไป เทคโนโลยีการถลุงลักษณะนี้ จึงทำให้บริเวณเหมืองมีแต่สารพิษที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตทุกชนิดทั้งคน สัตว์ และพืช

คำถามที่คนทั้งโลกต้องการคำตอบมาก คือ เมื่อธาตุหายาก (ซึ่งก็หายากจริง ๆ เพราะเราจะพบเฉพาะในบางพื้นที่ของโลกเท่านั้น) กำลังเป็นที่ต้องการของอุตสาหกรรมไฮเทคมาก และนับวันความต้องการก็จะมากขึ้น ๆ ในทางกลับกันธาตุดังกล่าวจะมีปริมาณน้อยลง ๆ เพราะถูกขุดไปใช้ในแทบทุกอุปกรณ์ไฮเทคที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิต ของผู้คน ในขณะเดียวกันของเสียที่ทิ้งก็ทำให้สิ่งแวดล้อมเป็นพิษไปด้วย เมื่อความต้องการกับความจริง มีเป้าหมายที่ตรงข้ามกันเช่นนี้ นักวิทยาศาสตร์จะหาทางออกสำหรับปัญหานี้อย่างไร และจะหาได้หรือไม่

ในอดีตเมื่อประมาณ 10 ปีก่อนนี้ รัฐบาลจีนได้ออกแถลงการณ์ฉบับหนึ่งว่า จีนประสงค์จะลดปริมาณการส่งออก REE ของจีนลง 37% ตัวเลขนี้ได้ทำให้บุคลากรทุกคนในโลกไฮเทคตกใจมาก เพราะจีนเป็นประเทศที่มี REE มากที่สุดในโลก (จาก 120 ล้านตันที่โลกมี จีนมี REE ประมาณ 44 ล้านตัน) ที่เหลือมีในรัสเซีย อเมริกา อินเดีย ออสเตรเลีย บราซิล กับมาเลเซีย ฯลฯ โดยแต่ละปีจีนจะส่ง REE เป็นสินค้าออกประมาณ 90% ของที่ผลิตได้ข่าวการลดการผลิต จึงทำให้ราคาของ REE ในตลาดโลกพุ่งสูงทันที เพราะวงการอุตสาหกรรมไฮเทคต่างก็ต้องการ REE ในการทำแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า สมาร์ทโฟน ไมโครชิพ (โดยเฉพาะของบริษัท Intel นั้น ใช้ธาตุร่วม 60 ชนิด รวมทั้ง REE ในการสร้าง) หลอดไฟ LED เซลล์แสงอาทิตย์ เลเซอร์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในคอมพิวเตอร์ เครื่องยนต์ turbine หรือแม้แต่โทรทัศน์จอแบน ฯลฯ


ข่าวร้ายนี้ได้ทำให้วงการอุตสาหกรรมไฮเทคในสหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น และกลุ่มประเทศ EU เดือดร้อน เพราะได้รับผลกระทบกระเทือน จึงได้กล่าวหาจีนว่า การที่จีนลดการผลิต REE ลง คงเพื่อต้องการให้จีนได้เปรียบทางการค้าอุปกรณ์ไฮเทค จีนจึงกำลังใช้ REE เป็นอาวุธทางเศรษฐกิจ เหมือนกับที่บรรดาประเทศอาหรับในตะวันออกกลางใช้น้ำมันในการทำสงครามเศรษฐกิจกับชาติตะวันตก

โลกมีธาตุหายาก (REE) ทั้งหมด 17 ชนิด คือ lanthanum (La) , cesium (Ce) , praseodymium (Pr) , neodymium (Nd) , promethium (Pm) , samarium (Sm) , europium (Eu) , gadolinium (Gd) , terbium (Tb) , dysprosium (Dy) , holmium (Ho) , erbium (Er) , thulium (Tm) , ytterbium (Yb) , lutetium (Lu) , scandium (Sc) และ yttrium (Y)

โดยธาตุหายากที่พบในปริมาณมากที่สุด คือ cerium ซึ่งมีประวัติความเป็นมาของชื่อว่า ตั้งตามชื่อดาวเคราะห์น้อย Ceres (เทพเจ้าแห่งภักษาหาร) ที่นักบวช Giuseppe Piazzi ได้เห็นเป็นคนแรก ตั้งแต่ปี 1801 (ซึ่งตรงกับรัชสมัยพระพุทธยอดฟ้าจุฬาโลกมหาราช) แล้วดาวดวงนี้ก็ได้ “หายไป” จึงทำให้ Carl Frederick Gauss ต้องเข้ามาช่วยค้นหา โดยได้คำนวณวิถีโคจรของดาวจากข้อมูลตำแหน่งที่ Piazzi เห็น ในที่สุดก็ได้พบว่า Ceres โคจรอยู่ระหว่างดาวอังคารกับดาวพฤหัสบดี จากนั้น Jöns Jacob Berzelius แห่งสวีเดน จึงเสนอให้ตั้งชื่อธาตุใหม่ที่เขาพบว่า cerium วงการอุตสาหกรรมปัจจุบันใช้ cerium เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี ใช้ทำแบตเตอรี่ เป็นอุปกรณ์ในอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำ รวมถึงใช้ทำจอภาพผลึกเหลวด้วย

ส่วน dysprosium ที่มีพบมากในมณฑล Jiangxi นั้นก็เป็นธาตุสำคัญอีกธาตุหนึ่ง ที่ใช้ในการทำแม่เหล็กประดิษฐ์ ที่สามารถให้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงได้ อีกทั้งเป็นแม่เหล็กที่มีประสิทธิภาพ และความคงทนยิ่งกว่าแม่เหล็กธรรมดา

นักวิทยาศาสตร์ได้รู้มานานแล้วว่าเหล็กธรรมดาสามารถดึงดูดสารแม่เหล็กได้ เพราะอะตอมของเหล็กมีอิเล็กตรอนที่มี spin ซึ่งแสดงพฤติกรรมเสมือนเป็นแท่งแม่เหล็กขนาดเล็ก และอะตอมเหล็กมีอิเล็กตรอนอยู่ในวงโคจรนอกสุด เพียงสองอนุภาค อันตรกริยาระหว่าง spin ของอิเล็กตรอนในต่างอะตอม จะทำให้เกิดแรงดึงดูด แต่เวลาแม่เหล็กถูกไฟลน อิเล็กตรอนอาจจะหลุดไปจากวงโคจร อะตอมเหล็กจึงสลายอำนาจแม่เหล็ก เพราะ spin ทั้งหมดจะรวนเร คือ ไม่ชี้ไปในทิศทางที่เป็นระเบียบอีกต่อไป เหล็กธรรมดา จึงไม่สามารถนำมาใช้ทำแม่เหล็กดี ๆ ได้


ดังนั้นจึงต้องมีการดัดแปลง โดยโด๊ปกับอะตอมชนิดอื่น ๆ เช่น ในปี 1983 บริษัท Sumitomo กับบริษัท General Motors ได้ประดิษฐ์โลหะผสมระหว่างเหล็ก 70% กับบอรอน 5% และ neodymium 25% สร้างแม่เหล็กประดิษฐ์ที่มีคุณภาพดีที่สุด คือ ให้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงถึง 56 megagausses สามารถทนความร้อนได้ดี และคงสภาพได้นาน จึงมีประสิทธิภาพสูงกว่าแม่เหล็กประดิษฐ์ที่ทำจาก cobalt ซึ่งถูกโด๊ป ด้วย samarium ณ วันนี้จีนและญี่ปุ่นเป็นประเทศที่ผลิตแม่เหล็กมากเป็นอันดับหนึ่งและสองของโลกตามลำดับ เพื่อใช่ใน motor ไฟฟ้า รถไฟฟ้า hybrid , hard drives , smart phones , headphones , speakers และ iPod เป็นต้น

สำหรับธาตุหายากอื่น ๆ เช่น europium นั้นเป็นธาตุเนื้ออ่อน สีเงิน ที่อุณหภูมิและความดันปกติ ธาตุมีสมบัติแม่เหล็ก เพราะมีอิเล็กตรอน 7 อนุภาค ใน subshell 4f ซึ่งเมื่อได้รับความดัน 800,000 เท่าของบรรยากาศ อิเล็กตรอนหนึ่งอนุภาคจะหลุดไปจากวงโคจร อะตอมที่เหลือจะไร้สภาพแม่เหล็ก และถ้าอุณหภูมิของ europium ถูกทำให้ลดลงถึง -271.35 องศาเซลเซียส europium ก็จะกลายเป็นตัวนำยวดยิ่ง ที่ไม่มีประโยชน์ในชีวิตประจำวันของใคร เพราะต้องใช้ความดันที่สูงมาก และสารต้องมีอุณหภูมิต่ำมาก แต่ที่อุณหภูมิปกติ แสงสีแดงที่ธาตุ europium ปล่อยออกมา มีเอกลักษณ์แดงที่ไม่เหมือนแสงจากธาตุอื่นใด จึงมีประโยชน์ในการใช้เคลือบจอโทรทัศน์

ส่วนธาตุหายาก gadolinium (Gd) นั้น มีประโยชน์ในการทำให้ภาพถ่ายของเครื่อง MRI (magnetic resonance imaging) มีความคมชัด จนสามารถเห็นความแตกต่างระหว่างเซลล์ปกติกับเซลล์ที่ผิดปกติได้ ถ้าวัสดุที่ใช้ในการทำฟิล์มมี Gd เป็นองค์ประกอบ


ด้านธาตุ holmium (Ho) สามารถใช้ทำแม่เหล็ก เลเซอร์ และสามารถดูดซับอนุภาคนิวตรอนได้ดี จึงมีประโยชน์ในการใช้ในเตาปฏิกรณ์ปรมาณู

scandium (Sc) ก็มีประโยชน์ เพราะเวลาใช้โด๊ปในอะลูมิเนียม (Al) โลหะผสมจะมีความเหนียว จึงนิยมใช้ทำอุปกรณ์กีฬา เช่น ไม้กอล์ฟ และไม้เบสบอล

yttrium (Y) เวลานำไปผสมกับโลหะอื่น จะมีประโยชน์ในการใช้ทำวัสดุที่เป็นส่วนลำตัวเครื่องบิน

lanthanum (La) นิยมใช้ในแบตเตอรี่และกล้องถ่ายภาพ

praseodymium (Pr) ใช้ทำแว่นนิรภัย

neodymium (Nd) ใช้เจือในเหล็กและบอรอนเพื่อทำแม่เหล็กประดิษฐ์

promethium (Pm) ใช้ในแบตเตอรี่นิวเคลียร์

samarium (Sm) เวลาโด๊ป ใน cobalt จะได้แม่เหล็กถาวร

ytterbium (Yb) ใช้ในอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำและทำเลเซอร์

lutetium (Lu) ใช้รับรังสีแกมมาที่เปล่งออกมาจากอุปกรณ์ PET Scanner

thulium (Tm) ใช้ในอุปกรณ์รังสีเอกซ์

และ tellurium (Te) ใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ เป็นต้น

ตามปกติผู้คนในโลกที่พัฒนาแล้ว มักมีโอกาสได้สัมผัสธาตุหายาก โดยไม่รู้ตัวและไม่มีใครบอก เช่น เวลาเปิดสวิตซ์ tablet จอภาพของเครื่องจะเคลือบด้วย europium และเวลาเอามือลูบไล้ไปบนจอสัมผัส (touchscreen) เขากำลังสัมผัส indium หูฟังโทรศัพท์ (headphone) ก็มีแม่เหล็กที่โด๊ปด้วย neodymium และเราใช้อุปกรณ์ไฮเทคทั้งหลายนี้ โดยไม่ตระหนักว่าโลกมีธาตุหายากที่ช่วยให้อุปกรณ์ทำงานได้ดีเลย

เพราะ REE มีประโยชน์มากมาย ดังนั้นความอุดมสมบูรณ์ของธาตุ REE ทั้ง 17 ธาตุ จึงมีแตกต่างกันได้หลายระดับ โดยอาจจะแบ่งได้เป็นกลุ่มวิกฤต ซึ่งได้แก่ europium , neodymium , terbium , ytterbium และ dysprosium

กับกลุ่มใกล้วิกฤต ซึ่งได้แก่ cesium , lanthanum และ tellurium

ส่วน REE ที่เหลือยังมีใช้ได้อีกนาน

สำหรับบทบาทของเทคโนโลยีที่ใช้ในการสกัดแยก REE ทั้ง 17 ธาตุ ก็เป็นเรื่องใหญ่ที่มีปัญหามาก เพราะ REE ทุกธาตุมีสมบัติเชิงเคมีที่คล้ายคลึงกันมาก ดังนั้นเวลาอยู่ใกล้กันหรืออยู่ปนกัน การสกัดแยกโดยวิธีเคมีจึงทำได้ยาก และต้องทำหลายขั้นตอน จึงจะได้ REE ที่บริสุทธิ์ออกมา ในอดีตอุตสาหกรรมสกัด REE มิได้คำนึงถึงคุณภาพของสิ่งแวดล้อมมาก แต่ปัจจุบันปัญหานี้เป็นปัญหาใหญ่ ดังนั้นกระบวนการแยก REE จึงต้องเป็นวิธีการที่สะอาดที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ อีกทั้งต้องใช้เวลาไม่นาน และถ้าเป็นไปได้ต้องมีราคาถูกด้วย ซึ่งถ้านักเคมีของชาติใดสามารถทำได้ตามเงื่อนไขดังกล่าวนี้ โลกก็จะพึ่งพาอาศัยจีนในเรื่อง REE น้อยลง และชาตินั้นก็จะสามารถมีอุตสาหกรรม REE ของตนเองได้ในทันที

ประวัติการค้นพบ REE แสดงให้เห็นว่า ถึงแม้นักเคมีจะพบ yttrium เป็น REE ธาตุแรก ตั้งแต่ปี 1794 และ ytterbium ซึ่งเป็น REE ลำดับที่ 17 ในปี 1907 โลกก็เพิ่งรู้จักใช้ REE ในต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 นี้เองในการทำเซลล์ไฟฟ้า

วันเวลาได้ล่วงเลยไปจนถึงช่วงหลังสงครามโลกครั้งที่ 2 เมื่อนักเคมีชื่อ Frank Spedding ซึ่งเป็นผู้บุกเบิกวิธีการทำยูเรเนียม-235 ให้บริสุทธิ์ในโครงการ Manhattan ได้ใช้เทคนิค ion-exchange chromatography ในการแยก REE โดยให้น้ำไหลผ่านของผสมที่มี REE และลูกปัดที่ทำด้วย polymer ที่เหมาะสมน้ำจะชะอะตอม REE ให้เคลื่อนไปเกาะติดกับลูกปัด จากนั้นก็นำลูกปัดไปล้างด้วยกรด citric ที่มีความเข้มข้นต่าง ๆ ตามชนิดของ REE ไอออนของ REE ชนิดต่าง ๆ จึงเคลื่อนที่ไปด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน ทำให้สามารถแยก REE แต่ละชนิดออกจากกันได้ และถ้าทำซ้ำ ๆ กันหลายครั้ง การแยก REE ที่บริสุทธิ์ก็จะเป็นไปได้


อีกวิธีหนึ่ง คือ ใช้เทคนิค solvent extraction โดยการหาสารที่สามารถดูดซับอะตอมของ REE ต่าง ๆ ได้ดี หรือใช้สารละลาย ionic liquid salt ซึ่งมีอินทรีย์โมเลกุลที่มีประจุไฟฟ้าสำหรับการยึดติดกับไอออนของ REE ที่มีประจุตรงกันข้ามได้ โดย REE จะใช้อิเล็กตรอน 3 อนุภาคที่มันมี ในการทำให้เกิดพันธะเคมี

ในภาพรวมเทคนิคการแยก REE ในระดับอุตสาหกรรม เป็นความลับระดับสุดยอดของบริษัท ที่ต้องเลือกใช้สารประกอบเฉพาะชนิดเพื่อยึดติดกับ REE ที่ต้องการ ขณะอยู่ปนกับธาตุอื่น ๆ และเมื่อได้ REE แล้วเขาก็สามารถทำให้มันบริสุทธิ์ได้ถึง 99% โดยการล้างด้วยกรดอ่อน ๆ วิธีนี้จึงไม่สิ้นเปลืองนัก สามารถทำได้เร็ว อีกทั้งไม่เป็นพิษภัยต่อสิ่งแวดล้อมด้วย

ส่วนประเด็นการขุดหา REE เพิ่มเติมนั้น บรรดาผู้คนในยุโรปไม่สนับสนุน เพราะประชาชนทั่วไป มีความรู้สึกต่อต้านการทำเหมือง

อีกหนทางหนึ่งที่เป็นไปได้ ในการหา REE มาสนองความต้องการของสังคม นั่นคือ การนำ REE ที่มีในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้แล้ว เช่น หลอดเรืองแสง ซึ่งมี Eu , Y , Tb , Nd , Dy มา recycle โดยการแยก REE ออกจากขยะอิเล็กทรอนิกส์ ในอดีตประเทศต่าง ๆ เคยส่งอุปกรณ์ใช้แล้วนี้ไปประเทศจีน เพื่อแยก REE ต่อแต่นี้ไปประเทศต่าง ๆ คงจะหยุดส่ง แล้วหันมาพัฒนาโรงงานสกัด REE ออกจากขยะอิเล็กทรอนิกส์เอง ซึ่งอาจะทำได้โดยใช้ ultrasound ระเบิดอะตอม REE ให้ออกจากผิวของวัตถุ

ในขณะที่นักเคมี ในประเทศที่พัฒนาแล้วกำลังหาวิธีสกัดแยก REE ออกมาให้เร็ว ให้มีราคาถูก และให้ของเสียที่เกิดหลังการสกัดแยก ไม่เป็นพิษ ทางประเทศจีนเองก็ได้พัฒนาระบบโครงสร้างภายในของอุตสาหกรรม REE โดยการประกาศยุบรวมบริษัทแร่ REE ที่มีมากถึง 140 บริษัท ให้เหลือเพียง 6 บริษัท เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงาน และเพื่อการมีความเป็นเอกภาพ รวมถึงให้มีการควบคุมการทำเหมือง REE ให้ถูกต้องตามตัวบทกฎหมาย ให้มีการแก้ปัญหาของสภาพแวดล้อมที่เกิดขึ้น เพื่อให้สังคมจีนยอมรับการทำเหมือง REE และเพื่อให้ REE ที่จีนมีอยู่แล้วในปริมาณเพียงพอสำหรับอุตสาหกรรมไฮเทคของจีนเอง บริษัทผลิต REE ของจีน จึงกำลังดำริจะซื้อ REE จากต่างประเทศมาใช้ นั่นคือ จากเดิมที่โลกภายนอกต้องซื้อ REE จากจีน แต่ในอนาคต ถ้าเทคโนโลยี REE ของโลกภายนอกก้าวหน้าอย่างถูกวิธี จีนก็อาจจะต้องซื้อ REE จากโลกภายนอกก็ได้

อ่านเพิ่มเติมจาก The Elements of Power: Gadgets, Guns, and the Struggle for a Sustainable Future in the Rare Metal Age โดย David S. Abraham จัดพิมพ์โดย Yale University Press ปี 2015


สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์