Un edificio de tres pisos con fachada vidriada situado en Lagoa Santa, un municipio ubicado a 35 kilómetros de Belo Horizonte, capital del estado brasileño de Minas Gerais, alberga una estructura fabril y laboratorial que ayudará a Brasil a dominar el ciclo completo de producción de imanes permanentes de tierras raras. También llamados superimanes, debido a su elevada fuerza magnética y resistencia a la desmagnetización, estos componentes se utilizan en aplicaciones relacionadas con las áreas de defensa, energía limpia y movilidad eléctrica, y especialmente en los motores de los coches eléctricos y de las turbinas eólicas. El principal elemento químico empleado en su fabricación, el neodimio (Nd), es una de las 17 tierras raras de la tabla periódica, que se consideran fundamentales para plasmar la transición energética. Por sus peculiares propiedades, tales como el intenso magnetismo, la luminiscencia y la conductividad, este grupo de elementos químicos tiene un amplio uso en productos y procesos de alta tecnología. Además de los superimanes, también se los emplea en la fabricación de los catalizadores que se emplean en la industria del petróleo y gas, en fibras ópticas, en pantallas de computadoras y teléfonos móviles, en jets militares, en misiles y en marcadores luminiscentes para exámenes biomédicos (véase la infografía). Últimamente, las tierras raras se han ubicado en el centro de una disputa geopolítica mundial.
– La minería urbana puede reducir los impactos ambientales de la producción de tierras raras
En Lagoa Santa funciona el primer laboratorio industrial de imanes de neodimio del hemisferio sur. En la actualidad, China monopoliza la producción de estos componentes magnéticos, al concentrar más del 90 % de la oferta mundial. La unidad brasileña, bautizada con las siglas CIT Senai ITR, que significan Centro de Innovación y Tecnología del Servicio Nacional de Aprendizaje Industrial – Instituto de Imanes de Tierras Raras, comenzó a funcionar en 2024. Está compuesta por dos áreas, una con laboratorios y una pequeña planta piloto dedicados a la investigación y el desarrollo de tecnologías asociadas a las aleaciones metálicas de tierras raras y superimanes, y la otra con una línea de producción semiindustrial, dedicada a la fabricación de grandes lotes de superimanes. Anteriormente denominado LabFabITR, el laboratorio industrial fue creado hace ocho años por la Compañía de Desarrollo de Minas Gerais (Codemge), propiedad de la gobernación de este estado. En 2023 fue adquirido por la Federación de Industrias del Estado de Minas Gerais y el CIT Senai pasó a gestionar el ITR.
“Ya dominamos a escala piloto el ciclo tecnológico de producción de imanes permanentes a base de neodimio, hierro [Fe] y boro [B], la aleación metálica más común para la fabricación de estos materiales. A nivel industrial, dominamos entre el 60 % y el 70 % del proceso”, informa el químico y magíster en ingeniería de materiales André Pimenta de Faria, coordinador del CIT Senai ITR. “Para ampliar la producción, necesitamos completar la puesta en marcha [pruebas en un entorno real] de algunos equipos, todos importados de China. Nuestra meta es alcanzar este objetivo en el mes de enero”. La materia prima principal utilizada para fabricar los imanes, consistentes en pequeñas barras de neodimio metálico, se importa desde China. Si bien Brasil posee grandes reservas minerales de tierras raras, su producción de óxidos o metales puros de estos elementos químicos es incipiente. Solamente una compañía minera, con capital y tecnología extranjeros, comercializa el concentrado de tierras raras. Brasil no opera comercialmente en las demás etapas de la cadena, en particular, en la etapa de separación de las tierras raras.
Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESPAndré Nunis (arriba), investigador del IPT, junto al reactor piloto utilizado en la etapa de reducción de los óxidos de tierras raras. Abajo, la aleación de neodimio y praseodimio producida en el institutoLéo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP
El laboratorio industrial aspira a erigirse como un nexo entre la investigación y la aplicación industrial. Su producción permitirá validar prototipos y procesos a escala semiindustrial. La máxima capacidad de producción de la unidad es de 100 toneladas de imanes permanentes al año, pero, como se trata de un centro de investigación, es difícil que se alcance ese volumen. “Nuestro propósito no es la producción comercial de imanes. Somos un instituto de investigación, no podemos hacer eso”, explica Pimenta de Faria. “Lo que pretendemos es dominar la cadena productiva de estos componentes para transferirles la tecnología a empresas que estén interesadas en producir los imanes en el país”.
El CIT Senai ITR forma parte del proyecto “MagBras – De la mina al imán”, aprobado en un llamado a concurso del programa Movilidad Verde e Innovación del gobierno federal. La iniciativa se presentó en julio y reúne a 38 empresas, startups, centros de innovación, universidades, institutos de investigación y fundaciones de apoyo a la investigación científica. Con un presupuesto de 73 millones de reales, de los que el gobierno federal aporta 60 millones y el resto es una contrapartida de las entidades participantes, su finalidad consiste en consolidar la cadena productiva brasileña de imanes permanentes, desde la extracción de tierras raras hasta la fabricación del producto final (véase la infografía).
“Tenemos la segunda mayor reserva de tierras raras del mundo, solamente por detrás de China, y todas las condiciones para dominar a escala industrial el ciclo de producción de estos minerales, así como de los imanes permanentes”, subraya el ingeniero mecánico Luís Gonzaga Trabasso, coordinador de MagBras e investigador en jefe del Instituto Senai de Innovación en Sistemas de Manufactura y Procesamiento Láser, con sede en el municipio de Joinville, en el estado de Santa Catarina. “MagBras es una alianza tecnológica creada con este fin. Pretendemos alcanzar este objetivo en 2030”, remarca Gonzaga Trabasso, quien también es docente en el Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), situado en el municipio paulista de São José dos Campos.
La separación, el gran cuello de botella
Pese a su denominación de tierras raras, la presencia de estos elementos en la naturaleza es relativamente abundante. El problema, según lo explica el químico Henrique Eisi Toma, del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP), reside en que se encuentran presentes en concentraciones muy bajas, a menudo mezclados y presentan una gran similitud química entre sí. Esta última característica hace que se requieran tecnologías avanzadas para su extracción y refinado, principalmente durante la etapa de la separación química, cuando se aísla un elemento específico del resto del concentrado de tierras raras.
Para alcanzar sus objetivos, el equipo del laboratorio industrial de Lagoa Santa contará con el inestimable conocimiento generado por las investigaciones concernientes a la cadena tecnológica de las tierras raras que cobraron fuerza en Brasil desde hace más de una década. Una parte importante de estos estudios se llevaron a cabo en el ámbito del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología (INCT) de Tierras Raras, también llamado Patria, acrónimo de Procesamiento y Aplicaciones de Imanes de Tierras Raras para la Industria de Alta Tecnología. Activo entre 2018 y 2024, contó con el apoyo de la FAPESP y del gobierno federal, a través del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) y la Coordinación de Perfeccionamiento de Personal de Nivel Superior (Capes).
El INCT promovió un diálogo entre los diversos grupos que investigaban estos elementos en las distintas etapas del ciclo productivo, entre ellos la Escuela Politécnica (Poli) de la USP, el Instituto de Investigaciones Tecnológicas (IPT) y el Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen), ambos en São Paulo, los centros de Tecnología Mineral (Cetem), en Río de Janeiro, y de Desarrollo de la Tecnología Nuclear (CDTN), en Belo Horizonte [Minas Gerais], la Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC) y la Fundación Certi, que tiene su sede en Florianópolis, Santa Catarina.
En el Cetem, un instituto de investigación público vinculado al Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (MCTI) de Brasil dedicado exclusivamente a la tecnología del sector minero, el mayor avance se obtuvo en la etapa de la separación química, el principal cuello de botella de la cadena y una de las etapas más costosas. Según informa el ingeniero químico Ysrael Marrero Vera, jefe del Servicio de Metalurgia Extractiva, el centro ya ha logrado separar exitosamente praseodimio (Pr) y neodimio.
“Realizamos la separación con lo que llamamos soluciones sintéticas, y no a partir del concentrado químico mineral real de tierras raras, porque por ahora no lo producimos”, explica. “Les adquirimos los reactivos y las tierras raras a empresas chinas y los colocamos en una solución acuosa. Después, los separamos empleando solventes específicos”. El proceso fue registrado en el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI) y la patente fue otorgada en 2022. Los resultados de los estudios sobre la separación se publicaron en parte en un artículo de la revista Minerals Engineering, en marzo de 2020.
El proyecto MagBras, señala Marrero Vera, brindará la oportunidad de trabajar con el material real, ya que hay 12 mineras participantes en el programa que se han comprometido a producir el concentrado de tierras raras, la etapa previa a la separación, desde los yacimientos existentes en el país. “Estoy muy confiado en que la tecnología que estamos desarrollando también funcionará con los concentrados reales, a partir de los minerales brasileños”, declara; y explica que para llevar a cabo la separación química de las tierras raras se necesitan, como mínimo, unos 20 kilogramos (kg) del concentrado químico de tierras raras. Por el momento, son pocas las empresas del país capaces de suministrar esta cantidad.
En São Paulo, la mayor inversión del INCT Patria se realizó en el IPT, según comenta el ingeniero metalúrgico Fernando José Gomes Landgraf, coordinador del INCT y docente de la Poli-USP. A lo largo de los años, el instituto ha ido adquiriendo el conocimiento, a escala de laboratorio o de planta piloto, de las etapas finales de la cadena productiva, posteriores a la separación química, entre ellas la reducción de los óxidos de tierras raras y la producción de las aleaciones metálicas que se emplean en la fabricación de los imanes (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 241).
“El imán está compuesto principalmente por neodimio y praseodimio. Otras dos tierras raras magnéticas, el disprosio [Dy] y el terbio [Tb], se utilizan para proporcionar propiedades adicionales a estos imanes”, explica el ingeniero químico André Luiz Nunis da Silva, gerente técnico del Laboratorio de Procesos Metalúrgicos del IPT. El instituto comenzó a trabajar con estos materiales en 2014, antes de la creación del INCT, en un proyecto financiado en forma conjunta por la Empresa Brasileña de Investigación e Innovación Industrial (Embrapii) y la minera CBMM, la mayor productora mundial de niobio, propietaria de una mina en Araxá, en Minas Gerais, que también posee tierras raras.
Danita Delimont / Getty Images | 3alexd / Getty ImagesTurbinas eólicas y coches eléctricos: los imanes permanentes de tierras raras son esenciales para el buen rendimiento de sus motoresDanita Delimont / Getty Images | 3alexd / Getty Images
“Por entonces, el personal de CBMM nos contactó porque las tierras raras de sus minas se convertían en residuos: el foco de sus actividades mineras era y sigue siendo el niobio. Pero notaron que existía una demanda por esos materiales y necesidad de disponer de un proveedor como alternativa a los chinos”, relata Nunis da Silva. Ellos se encargarían de las etapas anteriores del ciclo productivo, que comprenden la concentración y la separación de los óxidos, tarea que estaría a cargo de los ingenieros y proyectistas contratados por la minera.
El IPT fue convocado para participar en el proceso de reducción, que consiste en transformar cualquier óxido de tierras raras, un polvo de aspecto arenoso, en un metal. A tal fin, es necesario eliminar el oxígeno del óxido de interés para quedarse solamente con el metal; en este caso, el objetivo era reducir el óxido de neodimio para obtener neodimio metálico. Para ello, el instituto exploró dos vías: por reducción electroquímica o mediante reacción calciotérmica, que consiste en un proceso de extracción metalúrgica utilizando calcio. “Observamos que la vía electroquímica era más factible y abandonamos la otra”, dice Nunis da Silva. En la ruta escogida, se utiliza energía eléctrica en un reactor cuya temperatura supera los 1.000 grados Celsius (ºC) para producir neodimio metálico en estado líquido, es decir, fundido. En una segunda fase de la operación, iniciada dos años después, en 2016, el IPT empezó a producir la aleación metálica necesaria para la fabricación del superimán, siempre a escala de laboratorio.
En un informe técnico publicado en la revista Brazilian Journal of Analytical Chemistry en 2022, Nunis da Silva, Gomes Landgraf y otros colegas del IPT, del Ipen, de la Poli y del IQ de la USP presentaron un método analítico para cuantificar los elementos principales inherentes a la producción de los superimanes de tierras raras. “Pequeñas variaciones en los porcentajes de neodimio y praseodimio tienen gran influencia sobre las propiedades fisicoquímicas de la aleación”, escribieron los investigadores en la nota. Por esta razón, los métodos de química analítica deben ser capaces de distinguir pequeñas variaciones en la concentración de los elementos constituyentes.
En la etapa siguiente del proyecto, en 2019, se incorporó como socia la empresa fabricante de motores eléctricos WEG, y lo propio sucedió con la UFSC, con la cofinanciación del Banco Nacional de Desarrollo Económico y Social (BNDES). El IPT, WEG y la UFSC forman parte de la iniciativa MagBras. A continuación se proyectó un nuevo equipo para la etapa de reducción y producción del neodimio metálico a escala piloto. “Este reactor tiene aproximadamente un tercio del tamaño de uno a escala industrial. Puede producir hasta 1 kg de material por hora”, comenta Nunis da Silva, quien explica que para obtener 1 kg de neodimio metálico se necesita disponer previamente de 1,5 kg de óxido de neodimio.
