Nadir Toprak Elementi Nedir? Ne İşe Yarar?

Günlük hayatın ayrılmaz bir parçası haline gelen akıllı telefonlarda yedi farklı nadir toprak elementi kullanıldığını biliyor muydunuz?

Birçok alanda az miktarda kullanılan ancak oldukça yaygın bir şekilde kullanıldığı için büyük öneme sahip nadir toprak elementlerine gelin yakından bakalım.

Nadir Toprak Elementi Nedir?

Periyodik tabloda yer alan 15 adet lantanit grubu elementi ve bu elementler ile benzer özellikler gösteren İtriyum ve Skandiyum, nadir toprak elementi olarak adlandırılır. Nadir toprak elementleri (rare earth elements), NTE kısaltmasıyla ve çevreci teknolojilerin geliştirilmesinde kullanılmasından dolayı yeşil elementler (green elements) olarak da anılır.

Bahsedilen bu elementlerin nadir toprak elementleri olarak adlandırılması sanıldığı gibi az bulunmalarından değildir. Nadir toprak elementleri yeraltında dağınık bir yapıda ve çeşitli mineraller halinde bulunur. Çıkarılması ve işlenerek kullanılabilecek hale gelmeleri oldukça zahmetlidir. Bu yüzden de nadir olarak nitelendirilirler.

Nadir toprak elementlerinin, çeşitli alaşımların oluşumunda az miktar kullanımı ortaya çıkarılan ürünün daha dayanıklı, ateşe dayanıklı, manyetik özelliğinde artış olması gibi ek güçlendirmelere sahip olmasını sağlar. Özellikle teknolojik ürünlerin geliştirilmesinde kilit rol oynayan nadir toprak elementleri, gelecek için son derece önemli kaynaklardandır.

Nadir Toprak Elementleri Nelerdir?

Toplamda 17 elementten oluşan nadir toprak elementlerinin 15 tanesini lantanitler olarak adlandırılan elementler oluştururken diğer 2 tanesi ise İtriyum ve Skandiyum’dur. 

Nadir toprak grubu elementler doğada bulunma sıklıklarına göre iki farklı gruba ayrılır. Doğada daha sık bulunan Lantan (La), Seryum (Ce), Praseodim (Pr), Neodimyum (Nd), Prometyum (Pm), Samaryum (Sm), Skandiyum (Sc) elementleri hafif nadir toprak grubu elementleri olarak sınıflandırılır. 

Evropiyum (Eu), Gadolinyum (Gd), Terbiyum (Tb), Disprosyum (Dy), Holmiyum (Ho), Erbiyum (Er), Tulyum (Tm), İterbiyum (Yb), Lutesyum (Lu) ve İtriyum (Y) elementleri ise diğerlerine nazaran daha zor bulunduğundan ağır nadir toprak elementleri olarak adlandırılır.

Gümüş ve demir renklerine sahip bu elementler birbirlerine benzer özellikler gösterdiklerinden aynı amaçlar içinde birbirlerinin yerine kullanılabilir. Lantanit grubunda 57-71 arasındaki atom numaralarına sahip elementlerde, atom numarası arttıkça iyonlaşma enerjisi de artar. Birçok lantanitin iyon halinin kendine has renkleri bulunur.

Lantan (La) 

Atom Numarası: 57

Doğada katı halde bulunan Lantan, fotoğrafçılık, özel cam üretimi, teleskop mercekleri yapımında, petrol rafinerisinde ve atık su arıtımında kullanılır. Lantan ayrıca çeliğin daha dövülebilir hale gelmesine yardımcı olduğundan üretim aşamalarında sıklıkla yer verilir.

Seryum (Ce)

Atom Numarası: 58

Gümüş benzeri parlaklığa sahip Seryum’dan cam ve seramiğe sarı renk vermede, petrol rafinerilerinde parçalama katalizörü olarak faydalanılır. Seryum, otomobillerde emisyonu düşürmek için egzoz sisteminde katalizör olarak kullanılır.

Praseodim (Pr)

Atom Numarası: 5

Nadir toprak mıknatısları, lazer, kaynak gözlüğü üretiminde, cam ve emaye ürünlerin renklendirilmesinde, çakmak taşlarında, uçaklar için hazırlanan dayanıklı metallerin üretiminde Praseodim kullanılır.

Neodimyum (Nd)

Atom Numarası: 60

Seramik kondansatörlerde, seramik ve camlara mor renk vermede, güçlü kalıcı mıknatısların üretiminde, kızılötesi lazerlerde, mikrofonlarda, bilgisayar ve akıllı telefon parçalarında Neodimyum’dan faydalanılır.

Prometyum (Pm)

Atom Numarası: 61

Nadir toprak elementleri içerisinde radyoaktif özellik gösteren tek element Prometyum’dur. Prometyum’a toprakta doğal olarak neredeyse hiç rastlanmadığından genellikle yapay olarak üretilir. Nükleer bataryaların üretiminde ve kalp pillerinde kullanılan nadir toprak elementlerindendir.

Samaryum (Sm)

Atom Numarası: 62

Nötron yakalama çalışmalarında, lazer ve mıknatıs üretiminde kullanılan Samaryum, tıp alanında büyük oranda faydalanılan bir toprak elementidir. Kanser özellikle de prostat, meme ve akciğer kanseri hücreleriyle savaşta uygulanan tedavilerde Samaryum kullanılır.

Evropiyum (Eu)

Atom Numarası: 63

Floresan lamba, lazer, cıva buharlı lamba üretiminde, kırmızı ve mavi fosfor üretiminde Evropiyum üretilir.

Gadolinyum (Gd)

Atom Numarası: 64

Gadolinyum, mıknatıs, yüksek kırılma endeksli cam, mıknatıs, X ışınları ve MRI için kullanılan kontrast maddelerinin üretiminde kullanılır.

Terbiyum (Tb)

Atom Numarası: 65

Floresan lambaların, yeşil fosforun, renkli ekranların, nadir toprak mıknatıslarının, yakıt hücrelerinin üretiminde kullanılır. Terbiyum’a son derece kolay bir biçimde şekil verilebilir.

Disprozyum (Dy)

Atom Numarası: 66

Lazerler, aydınlatma cihazları, bilgisayar parçaları, nadir toprak mıknatıslarının üretiminde, enerji tasarruflu cihazlarda ve nükleer reaktörlerde Disprozyum kullanılır.

Holmiyum (Ho)

Atom Numarası: 67

Manyetik olarak son derece güçlü olan Holmiyum’un temel kullanım alanı Holmiyum barındıran alaşımlardan oluşan güçlü mıknatısların üretimidir.

Erbiyum (Er)

Atom Numarası: 68

Fiber optik teknolojisinde ve kızılötesi lazerlerin üretiminde, nükleer kontrol çubuklarında Erbiyum’dan faydalanılır.

Tulyum (Tm)

Atom Numarası: 69

X ışınlarında, savunma sanayisinde ve sağlık alanında çeşitli lazerlerin oluşturulmasında Tulyum kullanılır.

İterbiyum (Yb)

Atom Numarası: 70

Savunma sanayiinde kullanılan alev topu (flare), paslanmaz çelik, kızılötesi lazer üretiminde kullanılan İterbiyum aynı zamanda nükleer tıpta da kullanılır.

Lutesyum (Lu)

Atom Numarası: 71

Lutesyum, yüksek kırılma endeksli camlarda ve nesnelerin yaşını belirlemek için uygulanan testlerde kullanılan nadir toprak elementlerinden biridir.

İtriyum (Y)

Atom Numarası: 39

Lantanit grubuna dahil olmayan nadir toprak elementlerinden biri olan İtriyum, LCD ve LED ekranlarda ve kamera lenslerinde yaygın olarak kullanılır. Ayrıca gümüş rengine sahip olan İtriyum, lazer, buji, kanser ilaçları, cerrahi malzemeleri ve yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin üretiminde de kullanılır.

Skandiyum (Sc)

Atom Numarası: 21

Skandiyum ile üretilen hafif alüminyum-skandiyum alaşımı havacılık sektöründe sıkça kullanılır.

Nadir Toprak Elementi Üretimi Nasıl Yapılır? 

Açık işletme, yeraltı madenciliği ve solüsyon madenciliği ile çıkarılabilir nadir toprak elementi konusunda asıl karşılaşılan zorluk bir arada değil dağılmış ve çeşitli mineraller halinde bulunmalarıdır. Diğer elementlerle bileşikler halinde bulunan nadir toprak elementlerinin ayrıştırılması gerekir. 

Öğütme, kırma, kimyasal ve metalurjik işlemler uygulanarak nadir toprak elementleri elde edilir. Bu sebeple sadece nadir toprak elementi rezervine sahip olmak yeterli değildir. Farklı türleri bulunan bu elementleri işlenebilir hale getirmek için her birine özel olan ayırma teknolojisine sahip olmak gerekir.

Nadir Toprak Elementlerinin Özellikleri 

Nadir toprak elementleri çeşitli metaller ile bir arada kullanılır. Kullanıldığı maddelere yüksek dayanıklılık gibi özellikler kazandıran bu elementler, ihtiyaç duyulan metal oranın azaltılarak daha hafif ve küçük ürünler üretilmesini sağlar.

Nükleer ve yenilenebilir enerji kaynaklarının üretimi için gereken teknolojinin de üretilmesinde çokça kullanılan nadir toprak elementi, enerji üretiminde kritik öneme sahiptir.

Enerji üretiminin yanı sıra uydular ve akıllı telefonlar gibi haberleşme cihazları, bilgisayar çipleri, tıbbi cihazlar ve hatta savunma sanayiinde kullanılan nadir toprak elementine sahip olmak ve işleyebilmek son derece önemlidir. Dünya’nın en büyük nadir toprak elementi ücreticisi olan Çin, bu durumu avantajına kullanarak teknoloji üretimi üzerine büyük gelişme göstermiştir.

Nadir Toprak Elementlerinin Kullanım Alanları

Günümüzde nadir toprak elementlerinin bu kadar büyük bir öneme sahip olmasının altında yatan neden beraber kullanıldığı maddelere yüksek dayanıklılık gibi ek özellikler katmasıdır. 

Nadir toprak elementleri, elektronik, enerji, cam üretimi, manyetizma, ilaç, metalurji, optik, seramikler ve çeşitli katalizörlerin üretiminde kullanılır. Bu kadar farklı sektörde kullanılması nadir toprak elementlerine olan ilginin artmasına neden olur.

• Metalurji 

Metal bilimi olarak da adlandırılan metalurji çalışmalarında, nadir toprak elementleri üretime ve kullanıma daha uygun metallar oluşturulmasında kullanılır. Çeşitli çelik ve demir dışı alaşımların oluşturulmasında nadir toprak elementlerinden faydalanılır.

• Nükleer Enerji Üretimi

Nükleer enerjinin üretimi gibi yüksek hassasiyet ve dayanıklı ürünlere ihtiyaç duyulan süreçlerde de nadir toprak elementlerinden faydalanılır. Radyasyon kalkanlarında, reaktör kontrolünde, katot ışın tüplerinde ve güçlü mıknatısların üretiminde bu elementler kullanılır.

• Petrokimya 

Petrokimya sanayisinde petrol arıtma, hidrokarbonları parçalayıcı kraking katalizör, polimerizasyon katalizörü, oksitleyici katalizör başta olmak üzere çeşitli katalizör ürünleri üretiminde kullanılır.

• Seramik Üretimi

Farklı alanlarda kullanılan seramik malzemelerin üretiminde nadir toprak elementleri kullanılır. Sır, kapasitör, pigment, ateşe dayanıklı refrakter malzemeler ve kaplamalar oluşturmada bu elementlerden faydalanılır.

• Cam Üretimi

Cam ve cam ürünleri üretiminde ise nadir toprak elementleri, optik camlar, X-Ray camları, pigment, parlatma ve sır-kaplama ürünlerinde, kızılötesi ışın emici, kamera lensleri ve güneş gözlüğü üretiminde sıkça kullanılır.

• Teknolojik ve Elektronik Cihaz Üretimi

Çeşitli elektronik cihazların üretiminde kritik rol oynayan nadir toprak elementleri bu özellikleriyle sağlıktan elektrikli ev aletlerinin üretimine kadar pek çok alanda kullanılır. Süperiletken maddelerinde üretiminde kullanılan nadir toprak elementleri, pil, lamba, akıllı telefon, bilgisayar çipleri, mikrodalga kristalleri, medikal lazer, diş porselenleri gibi çeşitli ürünlerin üretiminde yer alır.

Tüm bu kategorilerin dışında nadir toprak elementleri cryogenik soğutma, güneş enerjisi, mücevher ve tekstil ürünleri üretiminde kullanılır. Bu kullanım şekillerinden bir arada yararlanıldığında nadir toprak elementlerinin önemi daha da ortaya çıkar.

Hem süperiletken üretiminde hem de cryogenik soğutmada kullanılabilen nadir elementlerinden son derece güçlü süperiletken mıknatısların üretimi ve kullanımında faydalanılır. Böylelikle MRI cihazları ve maglev trenleri gibi yüksek teknoloji ürünü cihazların üretiminde önemli rol oynar. Yine aynı şekilde rüzgar türbinleri, güneş panelleriyle beraber batarya ve elektrikli araçların üretiminde kullanılması bu elementleri yenilenebilir enerjinin üretiminde ve kullanımında kritik noktaya yerleştirir.

Nadir toprak elementleri, kuantum mekaniği uygulamaları arasında yer alan MRI cihazlarının, floresan lambaların ve fiber optik teknolojisi gibi gelişmelerin gerçekleşmesine katkı sağlar.

Dünya’da ve Türkiye’de Nadir Toprak Elementi Rezervleri

Yeryüzünde nadir toprak elementleri oldukça yaygın olarak bulunur. Ülkeler bazında bakıldığında ise Çin, sahip olunan nadir toprak elementi rezervleri ve işlenmesi açısından Dünya lideri konumundadır. Bilinen tüm rezervlerin yaklaşık %36’sına sahip olan Çin dışında Brezilya ve Vietnam da öne çıkar.

Türkiye’de ise Eskişehir’de bulunan Kızılcaören kompleksi bölgesinde araştırmalar sonucu nadir toprak elementi rezervleri açısından son derece umut vericidir. Yapılan araştırmalarda bölgede NTE ve toryum kaynakları tespit edilmiştir. Bu bölgede hidrotermal çözeltilerle oluşmuş florit-barit-NTE minerilazyonu bulunduğu keşfedilmiştir.

Nadir Elementlerin Çevresel Etkileri

Nadir toprak elementleri yüksek teknoloji ürünlerin yanı sıra yeşil enerji sistemlerinin de en önemli yapı taşları arasında yer alır. Hatta nadir elementlerin bu özelliklerinden dolayı yeşil elementler olarak da adlandırıldığını söylemek, çevreye olumlu etkilerini özetlemek de yeterli olacaktır.

Çevresel etkilerine yakından bakıldığında, nadir toprak elementleri özellikle rüzgar türbinlerinin üretiminde önemli bir rol oynar. Sadece bu özelliği ile bile fosil yakıta olan ihtiyacın azaltılmasına ve iklim değişikliği ile mücadeleye yardımcı olur. 

Tabii ki nadir elementleri günümüzde bu kadar önemli olmasının tek nedeni bu değildir. Bu türden elementler modern teknoloji ürünü cihazların da üretiminde büyük yere sahiptir. Uydular, cep telefonları, televizyon, MR cihazları, mıknatıs kullanılan diğer cihazlar, elektrikli arabalar, bataryalar gibi oldukça fazla kullanım alanıyla, bu ürünlerin daha verimli ve yüksek performans sunacak şekilde üretilmesini mümkün kılar. Böylelikle üretim aşamaları sonucu çevreye verilen olumsuz etkilerin azaltılmasına katkı sağlar.

Ülkeler arasında adeta kıyasıya bir yarışa dönüşen nadir toprak elementi üretimi bugünün ve geleceğin teknolojileri için son derece hayati öneme sahiptir. Az miktarlarda kullanılsalar da oldukça yaygınlaşmalarına bu elementlere olan talebin de giderek artmasına neden olur. 

Sizce de insanlığın ve teknolojinin gelişmesindeki rol oynayan çözümlerin hala yeraltında erişilmeyi bekliyor olması ilgi çekici değil mi? Bizimle bu konu hakkındaki yorumlarınızı paylaşmayı unutmayın.