Em 1787, o oficial de artilharia sueco Carl Axel Arrhenius encontrava-se na arborizada ilha de Resarö, no Mar Báltico, a cerca de 24 quilômetros a nordeste de Estocolmo. O tenente de 30 anos conciliava trabalho e lazer.

A guerra entre a Suécia e a Rússia estava prestes a começar, então seu trabalho era explorar locais para fortificações que defendessem as vias navegáveis que levavam à capital de seu país. Enquanto estava em um penhasco acima da vila de Ytterby, Arrhenius encontrou um poço de mina onde o quartzo era extraído há muito tempo para a indústria do ferro e do vidro. Ali começaram os aspectos prazerosos de seu trabalho. Veja bem, Arrhenius era um geólogo amador. Um colecionador de rochas. Enquanto vasculhava ansiosamente a mina repleta de entulho, encontrou uma pedra preta e pesada, diferente do restante dos detritos. Poderia conter o tungstênio, metal recém-descoberto e valioso por seu alto ponto de fusão? Ele a levou para ser examinada por químicos que conhecia na academia.

No fim das contas, a Guerra Russo-Sueca de 1788-90 foi um conflito insignificante que terminou em impasse. Uma nota de rodapé histórica. A curiosa pedra que Arrhenius encontrou, em contraste, lançou as bases para nossas vidas tecnológicas do século XXI. Os oligoelementos que ela continha são a razão pela qual os celulares vibram em nossos bolsos e os AirPods emitem sons em nossos ouvidos. São a razão pela qual os motores a jato podem operar a mais de 2.700 graus e como os médicos conseguem ver o interior de nossos corpos com uma ressonância magnética. São a razão pela qual temos lasers, catalisadores, telas sensíveis ao toque, fraturamento hidráulico para extração de petróleo, fibra óptica, discos rígidos, medicina nuclear e LEDs.

Não, a pedra escura não era tungstênio. Depois de alguns anos de experiências com ela, o químico finlandês Johan Gadolin anunciou em 1794 que ela continha um novo "tipo de terra", que ele chamou de ítrio, em homenagem à vila sueca. Este foi o primeiro dos elementos que vieram a ser chamados de terras raras.

Seguindo o exemplo de Gadolin, ao longo do século XIX e início do século XX, os químicos descobririam mais 16 elementos de terras raras, culminando com o promécio em 1945. (Mais quatro foram posteriormente identificados na pedra de Arrhenius, e três deles — térbio, érbio e itérbio — receberam o nome da mesma vila sueca.) Poucos fora do laboratório de química, no entanto, prestaram muita atenção. A lâmpada a gás, um tipo de lâmpada patenteada em 1885 que iluminou algumas cidades antes da eletricidade, representou um dos primeiros usos comerciais de um elemento de terra rara. As lâmpadas usavam gás ou querosene para aquecer uma cúpula de malha impregnada com uma pequena quantidade de cério, que emitia uma luz branca. O cério também é usado há muito tempo para fabricar pedras artificiais para isqueiros. Quando as televisões passaram a ser coloridas na década de 1950, os elementos de terras raras aumentaram seu brilho, particularmente o da cor vermelha.

Mas foi somente na década de 1980, com o início da era digital, que esses 17 metais e suas extraordinárias propriedades magnéticas, condutoras, catalíticas e luminescentes se tornaram indispensáveis. Você provavelmente tem pelo menos cinco deles no bolso se possui um smartphone. Seria difícil encontrar algum dispositivo tecnológico que não os utilize.

Infelizmente, juntamente com a utilidade tecnológica das terras raras, surgem alguns problemas espinhosos. Poluição e degradação ambiental, para começar. Paradoxalmente, embora as terras raras e os poderosos ímãs feitos a partir delas sejam cruciais para turbinas eólicas, carros elétricos e outras tecnologias verdes em um futuro de energia renovável, extraí-las do solo e separá-las umas das outras, pelo menos da forma como é feito atualmente, é um processo extremamente poluente. As minas a céu aberto e as vastas refinarias produzem quantidades enormes de resíduos tóxicos, ácidos ou potencialmente radioativos. Milhares de toneladas de rocha são retiradas das minas para serem triadas de forma rudimentar. Trabalhadores dessas operações, ou pessoas que vivem nas proximidades, têm apresentado taxas de câncer significativamente elevadas.

Mas essa não é a principal razão pela qual as terras raras têm estado nas notícias ultimamente. Grande parte disso tem a ver com sua geopolítica. Até a década de 1990, os Estados Unidos eram líderes mundiais na mineração e processamento de terras raras, um papel que a China passou a dominar no século XXI. Isso levou ao aumento das tensões comerciais e disputas diplomáticas entre a China e outras nações. Enquanto isso, a Groenlândia abriga alguns dos maiores depósitos inexplorados de terras raras do mundo, e a busca por eles pode ser um dos motivos pelos quais a ilha gelada está no radar de Washington. Olhando muito além: como as missões Apollo da NASA trouxeram rochas lunares contendo terras raras, houve discussões sérias sobre a mineração desses elementos na Lua.

Então, o que são esses metais aparentemente mágicos, embora problemáticos, e o que os torna tão úteis? E será que conseguiremos navegar pelas complexas encruzilhadas em que nos encontramos em relação a eles? Acontece que pesquisadores da Johns Hopkins estão entre aqueles que exploram maneiras de nos conduzir por um caminho mais limpo e sustentável para as terras raras.

O velho Carl Axel Arrhenius certamente deu início a uma curiosa sequência de eventos.

Todos os elementos de terras raras são metais, portanto têm aparência prateada (em sua forma pura), são maleáveis e conduzem calor e eletricidade com facilidade. Mas o que os torna tão úteis na nossa era moderna? Resumindo, "tudo se resume aos elétrons", diz Grace Panetti , professora assistente do Departamento de Química da Universidade Johns Hopkins. Sua resposta mais detalhada corre o risco de se tornar uma complexa aula de química inorgânica. Essencialmente, todos eles tendem a perder três elétrons, e muitos deles também possuem elétrons com padrões orbitais distintos mais próximos do núcleo, de modo que ficam "escondidos" de outros elementos. Elétrons individuais geram pequenas correntes e podem ser considerados pequenos ímãs. Na maioria dos elementos, os elétrons estão emparelhados e ocupam o mesmo orbital, mas com spins opostos, de forma que cancelam a energia magnética um do outro. Os elementos de terras raras adquirem poder magnético pela presença de elétrons desemparelhados girando individualmente. E quando seus elétrons "escondidos" se alinham, eles podem criar campos magnéticos incrivelmente fortes e emitir cores específicas de luz quando excitados. "Acaba se tornando algo estranho, onde todos eles querem se comportar da mesma maneira, com base em sua carga e no número de elétrons que possuem", diz Panetti sobre os elementos.

Quinze dos elementos de terras raras são facilmente localizados na tabela periódica: eles formam a parte superior das duas fileiras de elementos isolados abaixo do restante da tabela. São conhecidos como lantanídeos, em referência ao lantânio, o primeiro e mais leve elemento da fileira, com número atômico 57. A fileira termina com o lutécio, de número atômico 71. O escândio e o ítrio, embora façam parte da tabela periódica, também são considerados terras raras, pois possuem propriedades semelhantes e são frequentemente encontrados nos mesmos depósitos minerais.

Suas órbitas eletrônicas e comportamentos podem diferenciá-los de outros metais, mas isso não os torna raros. "Embora sejam chamados de elementos de 'terras raras', se você observar sua abundância na crosta terrestre, alguns são tão raros quanto níquel, cobre e estanho", diz Panetti. O cério, por exemplo, é três vezes mais abundante que o chumbo. O nome é uma herança: eles realmente pareciam raros para os químicos escandinavos que lutavam para isolá-los no século XVIII. Além disso, o uso de "terra" também data dessa era passada, já que é um termo químico arcaico para um óxido.

Embora a lista de itens em que são usados seja longa e crescente, as quantidades empregadas são pequenas — tão baixas quanto 100 partes por milhão. "Chamamos isso de dopagem", diz Panetti sobre como a indústria os utiliza. "É quando pequenas quantidades de terras raras são adicionadas para alterar as propriedades de um material. E muitas vezes, se você adicionar demais, elas começam a se anular." Às vezes, também são chamadas de "tempero" industrial — um toque adicionado para melhorar o ingrediente principal. Quer uma liga de alumínio com maior resistência, tolerância ao calor e resistência à corrosão? Um pouco de cério — apenas 2% — pode resolver o problema. Os ímãs de terras raras são compostos principalmente de ferro e boro, mas é a adição de neodímio, e às vezes uma pitada de disprósio, que os potencializa com até 10 vezes a potência dos ímãs convencionais. Esses microímãs extrafortes são leves e ideais para uso em dispositivos eletrônicos compactos, como fones de ouvido, produzindo o áudio de alta fidelidade de alto-falantes muito maiores. Elas também permitem que seu telefone vibre quando estiver no modo silencioso. As telas sensíveis ao toque, por sua vez, são alimentadas por apenas alguns miligramas de índio, que é opticamente transparente e condutor de eletricidade.

Pegue um punhado de terra do seu quintal e provavelmente encontrará traços de alguns elementos de terras raras. O que é raro são depósitos desses elementos em concentrações suficientes para justificar a mineração. Eles são como uma fina poeira espalhada globalmente, com poucos lugares possuindo as condições geológicas específicas, como a presença de rochas ígneas alcalinas, que fazem com que essa poeira se acumule. Esses locais também costumam conter elementos radioativos como urânio e tório.

Um desses lugares é a Mina de Terras Raras de Mountain Pass, no alto deserto do Condado de San Bernardino, Califórnia, a cerca de 80 quilômetros a sudoeste de Las Vegas. Descoberta por garimpeiros de urânio em 1949, a mina dominou a mineração de terras raras em nível global por décadas. Da mesma forma, os EUA foram líderes no desenvolvimento e fabricação de produtos de terras raras. Os ímãs de neodímio foram inventados simultaneamente (embora separadamente) nos Estados Unidos e no Japão em 1984. Uma subsidiária da General Motors chamada Magnequench foi pioneira em sua produção e venda comercial.

Hoje, a região da Mongólia Interior, na China, é o epicentro da mineração e do processamento de terras raras. As minas chinesas produzem quase 70% das terras raras do mundo. E, como outros países exportam seus minérios para a China, o país também processa e refina cerca de 90% das terras raras mundiais. Embora a Magnequench continue sendo líder em ímãs de terras raras, na década de 1990, a empresa foi vendida para proprietários com ligações com o governo chinês e, posteriormente, fundida com outra empresa; todas as suas instalações de produção estão agora na China.

Como chegamos a isso? É complicado, diz Julie Klinger, formada em 2007 pela SAIS (Certificado) , professora associada de estudos ambientais na Universidade de Wisconsin-Madison. Seu livro de 2017, " Fronteiras das Terras Raras: Dos Subsolos Terrestres às Paisagens Lunares" , conta a história complexa e abrangente desses elementos, envolvendo desde o desejo dos líderes comunistas chineses de desenvolver o interior do país até as políticas de livre mercado do presidente Ronald Reagan. "Era uma forma de reduzir os impactos ambientais da mineração de terras raras: simplesmente transferir a indústria poluente para outro lugar", afirma. Indústrias americanas de todos os tipos migraram para o leste em busca de mão de obra mais barata e leis ambientais mais brandas.

A mineração a céu aberto na China gera vastas quantidades de resíduos, muitas vezes radioativos, poeira tóxica, águas residuais poluídas e montes de entulho ou lama resultantes da triagem inicial, conhecidos como rejeitos de mineração. A extração de terras raras do minério e sua posterior separação são processos complexos que exigem muita água, energia e produtos químicos cáusticos para lixiviação. Para separar meio quilo de terras raras, são necessários cerca de 9 kg de ácido clorídrico e 1 kg de soda cáustica, gerando quase 57 litros de águas residuais salinas que precisam ser tratadas para evitar que contaminem os cursos d'água. Em 1996, o rompimento de um cano na mina de Mountain Pass derramou mais de 1.325.000 litros de águas residuais radioativas na Reserva Nacional de Mojave, adjacente à mina. Multas ambientais e os custos contínuos de limpeza contribuíram para acelerar o fechamento da mina em 2002. Nesse mesmo ano, a Magnequench concluiu sua transferência para a China.

A China abordou algumas das questões ambientais relacionadas à sua mineração de terras raras, incluindo o fechamento de minas menores, às vezes ilegais, e a consolidação das operações em empresas estatais melhor administradas. Mas os danos são enormes e incluem um lago tóxico com mais de oito quilômetros de diâmetro. Pode levar um século para que a terra ao redor das minas chinesas se recupere.

Poucos no Ocidente prestaram muita atenção ao crescente monopólio chinês de terras raras até 2010, quando, em meio a uma disputa territorial entre a China e o Japão sobre ilhas desabitadas, alguns carregamentos de terras raras para o Japão foram embargados. Isso serviu como um alerta para os fabricantes japoneses, que perceberam o quão vulneráveis estavam a interrupções no fornecimento que poderiam desacelerar, ou mesmo paralisar, uma ampla gama de produção industrial. E havia mais com o que se preocupar. Sim, as terras raras proliferam em eletrônicos de consumo, mas nosso armamento de alta tecnologia também depende delas. Um caça F-35 requer cerca de 400 kg de terras raras, em ligas metálicas, revestimentos térmicos especializados e todos os tipos de componentes eletrônicos: sensores, sistemas de mira e orientação de armas e pequenos motores resistentes ao calor para controlar lemes e flaps das asas. Os novos navios da Marinha usam ainda mais. E a China não está fabricando esses componentes.

Após alguns percalços iniciais por parte de outras empresas, a MP Materials, sediada em Las Vegas, reabriu a mina de Mountain Pass em 2017. Atualmente, ela extrai pouco mais de 10% das terras raras do mundo. A mesma empresa também inaugurou uma fábrica de ímãs de terras raras no Texas. Ambos os empreendimentos recebem apoio federal, incluindo investimento direto e subsídios de preços. Outras empresas nacionais que utilizam apoio governamental para entrar no setor incluem a USA Rare Earth, sediada em Oklahoma, e a ReElement Technologies, de Indiana. No início deste ano, o governo Trump propôs a criação de um estoque de minerais críticos de US$ 12 bilhões, no qual o governo adquiriria e armazenaria reservas de cerca de 60 minerais, incluindo terras raras.

Por sua vez, Klinger lamenta a atitude de "escavar, cavar, cavar" que se instalou entre alguns que buscam acabar com o monopólio chinês das terras raras. Os investidores procuram incessantemente novos locais, potencialmente vulneráveis ??do ponto de vista ambiental, para extraí-las, seja na Groenlândia, na bacia amazônica, no fundo do mar ou na Lua. Ela acredita que o que precisamos são novas eficiências na mineração e tecnologias de reciclagem, não novas minas. Para começar, até metade das terras raras extraídas nas minas atuais permanece no local, em pilhas de rejeitos. "Se as operações industriais existentes melhorassem sua eficiência em 5, 10 ou 15%, isso poderia inundar o mercado", afirma Klinger.

"Há muito a ganhar ao obtermos nossos elementos de terras raras sem precisar cavar novos buracos no solo", acrescenta ela, destacando pesquisas que mostram que cinzas de carvão e rejeitos de mineração de todos os tipos podem ser fontes de terras raras. "Se fizermos as coisas da maneira certa, podemos ter tudo, certo? Podemos ter abundância de terras raras e outros minerais críticos. Podemos ter a proteção ambiental de não abrir novas minas e também podemos ter a limpeza de áreas contaminadas há muito tempo."

Parte da pesquisa que pode nos levar a um novo mundo, mais verde e menos tenso geopoliticamente, na extração e processamento de terras raras está sendo realizada na Johns Hopkins. Três pesquisadores do Laboratório de Física Aplicada (APL) — Jarod Gagnon , Lisa Pogue e Scott Shuler — ganharam o prêmio de Invenção do Ano do laboratório em 2023 por um projeto que explora a reciclagem de terras raras a partir de eletrônicos antigos, como o smartphone que você substituirá em breve. Seu bolso tem o potencial de ser uma fonte melhor de terras raras do que um buraco enorme no chão.

"Estamos buscando maneiras de extrair terras raras de materiais em fim de vida útil — para recuperá-las na esperança de mitigar alguns dos desafios da mineração", diz Gagnon. "E o processo que utilizamos emprega gálio como metal líquido, que se liga a uma ampla variedade de outros metais e materiais."

O foco inicial deles são os onipresentes ímãs de neodímio encontrados em telefones, discos rígidos de computador, alto-falantes e outros eletrônicos de consumo, que podem acabar no lixo eletrônico após alguns anos. O gálio, que é líquido a poucos graus acima da temperatura ambiente, forma ligas apenas com as terras raras do ímã. "Isso cria um único bloco de material", diz Gagnon. Separar as terras raras desse "bloco" não requer os ácidos cáusticos e de uso industrial comumente empregados para extrair terras raras de materiais extraídos de minas. Os ácidos que eles usam não são mais fortes do que os encontrados em molhos para salada.

"Realizamos estudos para tentar extrair seletivamente o neodímio, deixando para trás o ferro, o boro e outros componentes desnecessários", diz Gagnon. "E conseguimos demonstrar rendimentos muito altos e pureza razoavelmente elevada com nosso processo inicial. Agora, estamos buscando oportunidades para impulsionar a pesquisa."

Entretanto, a mineração de qualquer tipo — mesmo quando realizada nas melhores condições — raramente é considerada ecologicamente correta. Há inúmeras oportunidades de poluição ao extrair grandes quantidades de material do solo.

Aí entra a fitomineração, que é literalmente verde porque as plantas são as mineiras.

A evolução dotou certas plantas com a capacidade de absorver metais do solo e concentrá-los em suas folhas. O níquel talvez seja o metal mais comum absorvido por certas plantas — trata-se de uma estratégia defensiva, já que plantas ricas em níquel são menos palatáveis para insetos. A Deep Root Biolabs, uma startup incubada no centro FastForward da Universidade Johns Hopkins, está explorando como essa capacidade natural pode ser adaptada para que as plantas absorvam e concentrem outros metais, incluindo terras raras. Seus fundadores, John Sittmann e Thomas Curtis, começaram a explorar a fitomineria enquanto trabalhavam como cientistas pesquisadores no Laboratório de Física Aplicada (APL).

"Você pode imaginar as raízes subterrâneas como pequenas mãos que agarram todo o níquel espalhado, concentrando-o na planta, e então você colhe a planta", diz Sittmann. "O que estamos fazendo com nossa tecnologia é modificar as bactérias que vivem dentro das raízes das plantas e instruí-las a ajudar a planta a absorver elementos de terras raras. Estamos dando à planta a capacidade de se associar às bactérias e trazer os metais para a superfície."

Quando a planta atinge o tamanho suficiente, ela é colhida e incinerada em um forno especializado que captura e filtra os poluentes do ar, deixando para trás um "bio-minério" concentrado do qual os metais podem ser extraídos. Provavelmente não seria interessante minerar ferro dessa forma, dada a grande quantidade desse metal necessária, mas poderia ser uma boa solução para terras raras. Como prova de conceito, a empresa desenvolveu com sucesso uma planta capaz de absorver cobre. Agora, eles estão trabalhando no desenvolvimento de plantas capazes de concentrar o lantânio, uma terra rara.

O fato de terras raras serem encontradas em rejeitos e cinzas de minas de carvão confere ao projeto um potencial vantajoso para todos: ele poderia ser empregado como parte de um esforço para limpar minas abandonadas e depósitos industriais. A Deep Root Biolabs está trabalhando com o estado de Maryland para testar a fitomineria em uma área de remediação de mina na região montanhosa do oeste do estado.

"Eu sou o otimista da empresa, então acredito que daqui a cinco anos teremos um sistema estabelecido que nos permitirá recuperar minerais críticos do meio ambiente e de fluxos de resíduos de forma discreta e em grande escala", diz Sittmann. "Acho que os Apalaches são uma região muito, muito promissora para operarmos."

Outra forma de reduzir os desafios que podem acompanhar o uso de terras raras — tanto os potenciais riscos ambientais quanto as manobras geopolíticas — é, bem, reduzir o uso de terras raras. Fingir, de certa forma, que Arrhenius nunca pegou aquela fatídica rocha negra. Será que combinações e ligas de outros metais e minerais, até então inexploradas, poderiam produzir resultados semelhantes?

Essa é uma questão que está sendo abordada por uma equipe liderada por Leslie H. Hamilton , gerente de programa para Ciência de Materiais Extremos e Multifuncionais no APL. "Nos últimos seis ou sete anos, investimos no uso de IA e aprendizado de máquina para a descoberta direcionada de materiais", diz ela. "A IA é realmente muito boa nisso. Basta fornecer alguns critérios e ela explorará todas as diferentes combinações [químicas] de uma maneira que os humanos jamais conseguiriam."

Até o momento, em colaboração com pesquisadores da Escola de Artes e Ciências Krieger e da Escola de Engenharia Whiting da universidade, eles utilizaram essa abordagem para descobrir uma nova liga de zircônio, índio e níquel que funciona como um supercondutor, um material capaz de conduzir eletricidade sem perda de energia quando resfriado abaixo de uma temperatura crítica. (Supercondutores permitem a criação de eletroímãs potentes, com aplicações que vão desde imagens médicas a trens de levitação magnética e sistemas de armas avançados; muitos deles utilizam terras raras.) Recentemente, a equipe começou a usar inteligência artificial para auxiliar na descoberta de novos ímãs potentes que requerem pouca ou nenhuma terra rara.

"Estou otimista de que a área da ciência dos materiais apresentará soluções interessantes para esses desafios", diz Hamilton. "Mas também estou muito entusiasmado com todos os diferentes tipos de abordagens que estamos atualmente incubando no APL e em Hopkins. Não haverá uma solução única para todos os casos."