Ο ανταγωνισμός για τις σπάνιες γαίες

Το 2013 είχα γράψει ένα μυθιστόρημα με τίτλο «Σπάνιες γαίες»: η ιστορία εκτυλισσόταν στη Σοβιετική Ένωση από τα τέλη της δεκαετίας του 1920 μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 1960. Ο κεντρικός χαρακτήρας, ο Πραβιέν Σεργκέγεβιτς Μακάρεφ, ένας χημικός εδαφολόγος από τη βορειοδυτική Ρωσία, αναζητούσε σπάνιες γαίες στις εσχατιές της χώρας. Εκείνη την εποχή, οι ΗΠΑ και η Σοβιετική Ένωση ερευνούσαν τη χρησιμότητα αυτών των μετάλλων στα ραντάρ, στις πρώτες έγχρωμες οθόνες, στην αεροδιαστημική τεχνολογία και αργότερα στα πυρηνικά προγράμματα. Αρχικά, οι επιστήμονες και των δύο πλευρών έψαχναν ουράνιο και θόριο· όμως, μέσω της επεξεργασίας αυτών των ραδιενεργών στοιχείων, ανέπτυξαν τεχνικές (όπως η ανταλλαγή ιόντων) που οδήγησαν στην απομόνωση των «σπάνιων γαιών», σαν το ευρώπιο, το νεοδύμιο, το λανθάνιο ή το σαμάριο. Όπως είναι φυσικό, το μυθιστόρημα δεν αναλύει ζητήματα χημείας και γεωπολιτικής, αλλά αφηγείται την περιπέτεια του Μακάρεφ στη διάρκεια του σταλινισμού, όταν οι Σοβιετικοί είχαν μάθει ότι οι Αμερικανοί έψαχναν σπάνιες γαίες και βάλθηκαν να ψάχνουν κι αυτοί χωρίς να έχουν ιδέα σε τι θα χρησίμευαν.

Σπάνιες γαίες: Η γεωπολιτική της τεχνητής νοημοσύνης και των κρίσιμων μετάλλων

Από τότε που ο Μακάρεφ έσκαβε το χώμα στη Σιβηρία, οι ιδιότητες των σπάνιων γαιών έχουν αποκαλυφθεί. Το ευρώπιο, αφού χρησιμοποιήθηκε ως απορροφητής νετρονίων σε πυρηνικούς αντιδραστήρες, αργότερα, στη δεκαετία του 1960, έγινε ανάρπαστο διότι ήταν απαραίτητο για την παραγωγή του κόκκινου φωσφόρου στις πρώτες έγχρωμες τηλεοράσεις και στις οθόνες των στρατιωτικών ραντάρ. Το νεοδύμιο και το σαμάριο χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη των πρώτων πανίσχυρων μόνιμων μαγνητών, που έπαιζαν ζωτικό ρόλο στα συστήματα καθοδήγησης πυραύλων, στα ραντάρ, στα υποβρύχια και στις στρατιωτικές τηλεπικοινωνίες. Το λανθάνιο και το κήριο χρησιμοποιήθηκαν ευρέως ως καταλύτες στη διΰλιση πετρελαίου (στην παραγωγή καυσίμων υψηλής ποιότητας για μαχητικά αεροσκάφη) και σε ειδικά κράματα μετάλλων για την αεροδιαστημική βιομηχανία. Το ύττριο (Y) χρησιμοποιήθηκε σε συνδυασμό με το ευρώπιο για τις οθόνες, αλλά και για την κατασκευή ειδικών ανθεκτικών κρυστάλλων (YAG – Yttrium Aluminum Garnet) που τροφοδότησαν τα πρώτα στρατιωτικά λέιζερ. Το προμήθιο, ένα τεχνητό, εξαιρετικά σπάνιο ραδιενεργό στοιχείο που απομονώθηκε στο πλαίσιο του Manhattan Project, χρησιμοποιήθηκε σε πυρηνικές μπαταρίες για διαστημικές συσκευές και ως πηγή φωτός σε στρατιωτικά όργανα.

Από τον Ψυχρό Πόλεμο στην εποχή της AI: η ιστορία των σπάνιων γαιών

Κατά τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου, οι ΗΠΑ κυριάρχησαν στην παγκόσμια αγορά χάρη στο ορυχείο Mountain Pass στην κομητεία Σαν Μπερναντίνο της Καλιφόρνια, το οποίο ανακαλύφθηκε τυχαία το 1949 από γεωλόγους που έψαχναν για ουράνιο. Το Mountain Pass προμήθευε σχεδόν το σύνολο των αναγκών των δυτικών χωρών σε ευρώπιο και άλλες σπάνιες γαίες μέχρι τη δεκαετία του 1980, ώσπου η Κίνα άρχισε να αναπτύσσει πολιτική εξόρυξης σπανίων γαιών και απέκτησε, σχεδόν, το μονοπώλιο, ιδιαίτερα στα μέταλλα που απαιτούνται για τα μικροτσίπ. Η τεχνολογία της τεχνητής νοημοσύνης χρειάζεται πανίσχυρα μικροτσίπ (όπως οι μονάδες επεξεργασίας γραφικών: GPUs), επεξεργαστές, συστήματα αποθήκευσης δεδομένων και υποδομές data centers.

Αν και τη βάση αποτελεί το πυρίτιο (ένα ημιμέταλλο), για τις τεράστιες ταχύτητες επεξεργασίας της AI απαιτείται ευρεία γκάμα πολύτιμων, σπάνιων και βιομηχανικών μετάλλων (εκτός από τον χαλκό, τον χρυσό και τον άργυρο): το νεοδύμιο, το δυσπρόσιο και το πρασεοδύμιο είναι απαραίτητα για την κατασκευή πανίσχυρων μόνιμων μαγνητών. Αυτοί οι μαγνήτες χρησιμοποιούνται στους σκληρούς δίσκους (HDDs) των data centers για την αποθήκευση των δεδομένων εκπαίδευσης της AI, καθώς και στους κινητήρες των ρομπότ που ενσωματώνουν AI. Παραλλήλως, καθώς εξελίσσεται η τεχνολογία, χρειάζονται μεγάλες ποσότητες κοβαλτίου, το οποίο αντικαθιστά σταδιακά τον χαλκό στα πιο μικροσκοπικά σημεία των προηγμένων τσιπ (κάτω των 7 nm), διότι αποτρέπει την ηλεκτρομετανάστευση και αντέχει σε υψηλές πυκνότητες ρεύματος. Υψηλή ζήτηση υπάρχει επίσης για το βολφράμιο, το ταντάλιο, το γάλλιο και το ίνδιο, όπως και για το αλουμίνιο, το λίθιο και το νικέλιο.

Η τεχνολογία της τεχνητής νοημοσύνης χρειάζεται πανίσχυρα μικροτσίπ (όπως οι μονάδες επεξεργασίας γραφικών: GPUs), επεξεργαστές, συστήματα αποθήκευσης δεδομένων και υποδομές data centers

Κίνα, ΗΠΑ και Ταϊβάν: ο νέος πόλεμος για τον έλεγχο των κρίσιμων μετάλλων

Η ανάπτυξη της AI εξαρτάται από τη φυσική υποδομή της —από τα προηγμένα τσιπ και τα κέντρα δεδομένων—, πράγμα που δημιουργεί μια νέα γεωπολιτική και περιβαλλοντική πραγματικότητα γύρω από τα κρίσιμα μέταλλα και τις σπάνιες γαίες. Η παραγωγή υλικού AI εξαρτάται από μια εξαιρετικά συγκεντρωμένη και ευάλωτη εφοδιαστική αλυσίδα: η Κίνα ελέγχει το μεγαλύτερο ποσοστό εξόρυξης και, κυρίως, επεξεργασίας σπάνιων γαιών παγκοσμίως (περίπου 60-70% στην εξόρυξη και άνω του 90% στην επεξεργασία και στον διαχωρισμό): τόσο τα κρίσιμα μέταλλα (κοβάλτιο, λίθιο, νικέλιο, γάλλιο, γερμάνιο, ίνδιο) όσο και οι σπάνιες γαίες (νεοδύμιο, δυσπρόσιο) χρησιμοποιούνται ως διπλωματικός μοχλός πίεσης. Η εξόρυξη και το εμπόριο πολλών μετάλλων αποτελούν παράγοντες γεωπολιτικής αστάθειας και εκβιασμών: πάνω από το 70% του παγκόσμιου κοβαλτίου εξορύσσεται στη Λαϊκή Δημοκρατία του Κονγκό, μια ταραγμένη περιοχή με σοβαρά προβλήματα σε επίπεδο ανθρωπίνων δικαιωμάτων. Εξάλλου, όπου και αν εξορύσσονται τα μέταλλα, η προηγμένη κατασκευή των τσιπ AI (όπως αυτά της Nvidia) είναι συγκεντρωμένη στην Ταϊβάν (το TSMC είναι το σημαντικότερο εργοστάσιο παραγωγής τσιπ στον κόσμο): μια ενδεχόμενη κλιμάκωση της έντασης μεταξύ Λαϊκής Κίνας και Ταϊβάν θα μπορούσε να ακινητοποιήσει την παγκόσμια παραγωγή υλικού AI.

Το περιβαλλοντικό κόστος της τεχνητής νοημοσύνης και η αναζήτηση νέων υλικών

Τίθεται ακόμη ένα ζήτημα: η AI έχει βαρύ περιβαλλοντικό αποτύπωμα στον πραγματικό κόσμο. Η εξόρυξη σπάνιων γαιών απαιτεί τη μετακίνηση τεράστιων όγκων εδάφους, η οποία προκαλεί αποψίλωση δασών και καταστροφή των τοπικών οικοσυστημάτων. Στη συνέχεια, η επεξεργασία αυτών των μετάλλων γίνεται με τη χρήση ισχυρών οξέων και χημικών, με τα υπολείμματα να καταλήγουν στον υδροφόρο ορίζοντα, μολύνοντας το νερό (συνήθως, οι σπάνιες γαίες συνυπάρχουν με ραδιενεργά στοιχεία όπως το ουράνιο και το θόριο). Εξάλλου, η εξόρυξη και ο καθαρισμός μετάλλων σε βαθμό καθαρότητας κατάλληλο για τσιπ (π.χ. πυρίτιο ηλεκτρονικής ποιότητας) απαιτούν τεράστιες ποσότητες ενέργειας, αυξάνοντας τις εκπομπές CO. Επιπλέον, καταναλώνονται εκατομμύρια λίτρα νερού, στερεύοντας τις τοπικές πηγές σε ήδη ξηρές περιοχές (όπως το «τρίγωνο του λιθίου» στα κοινά σύνορα της Αργεντινής, της Βολιβίας και της Χιλής).

Παρόλο που η AI αποτελεί μέρος του προβλήματος, προτείνει ταυτοχρόνως και τη λύση του: μεταμορφώνει την επιστήμη των υλικών, μετατρέποντας μια διαδικασία δεκαετιών σε ζήτημα ημερών. Μοντέλα βαθιάς μάθησης (όπως το GNOME της Google DeepMind) έχουν προβλέψει τη σταθερότητα εκατομμυρίων νέων υλικών. Η AI μπορεί να προσομοιώσει τις ιδιότητες ενός υλικού (αγωγιμότητα, αντοχή, μαγνητικές ιδιότητες) στον υπολογιστή, χωρίς να χρειαστεί να συντεθεί πρώτα στο εργαστήριο· βρίσκει εναλλακτικές λύσεις για μέταλλα σε έλλειψη —για παράδειγμα, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν AI για να σχεδιάσουν μπαταρίες επόμενης γενιάς χωρίς καθόλου λίθιο ή κοβάλτιο (π.χ. μπαταρίες νατρίου ή στερεάς κατάστασης) ή μαγνήτες για ανεμογεννήτριες χωρίς σπάνιες γαίες— και μπορεί να δημιουργήσει νέα κράματα (High-entropy alloys). Η AI μπορεί να αναλύσει δισεκατομμύρια συνδυασμούς διαφορετικών μετάλλων για να δημιουργήσει κράματα με ακραία αντοχή στη θερμότητα ή τη διάβρωση, ιδανικά για πιο αποδοτικά τσιπ, αεροδιαστημική και πράσινη ενέργεια.

Επιστρέφω στον Πραβιέν Σεργκέγιεβιτς Μακάρεφ και στην αρχαιολογία των σπάνιων γαιών, στην εποχή όπου οι Σοβιετικοί δεν ήξεραν σε τι ακριβώς θα τους χρησίμευε ο λοπαρίτης που προσπαθούσαν να εξορύξουν από το έδαφος της χερσονήσου Κόλα στον Αρκτικό Κύκλο. Οι συνθήκες της εξόρυξης ήταν πολύ δύσκολες· ιδιαίτερα στη Γιακουτία, όπου το κοίτασμα Tomtor, που ήταν πλούσιο σε νιόβιο, σκάνδιο και σπάνιες γαίες, βρισκόταν σε μόνιμα παγωμένο έδαφος (permafrost). Όμως, εντέλει, με την επιστράτευση των σταχανοβιτών, η Σοβιετική Ένωση απέκτησε λίθιο, ρουβίδιο, καίσιο, βηρύλλιο, γάλλιο και γερμάνιο, με τα οποία ανταγωνίστηκε τις ΗΠΑ στην παραγωγή υπερηχητικών αεροσκαφών, πυραύλων, ειδικών κραμάτων χάλυβα υψηλής αντοχής, πυρηνικών αντιδραστήρων, ημιαγωγικών συστημάτων και συστημάτων νυχτερινής όρασης. Όσο για τον Μακάρεφ, έσκαβε χωρίς να ξέρει καλά-καλά γιατί.