原文出处：https://www.nationaldefensemagazine.org/articles/2023/2/10/us-begins-forging-rare-earth-supply-chain
加州芒廷帕斯——从口袋里的智能手机到驱动越来越多电动汽车的磁铁，稀土元素是当今一些最常用技术的基础组件。
但在过去三十年中，北京牢牢控制着全球稀土元素供应链，几乎所有材料——无论产自世界何处——都要运往中国进行精炼，然后才能用于技术开发。
根据美国商务部的数据，目前中国控制着近60%的稀土矿开采业务、超过85%的加工能力和超过90%的永磁体生产。
考虑到华盛顿与北京的紧张关系，这个问题在美国供应链中构成了漏洞，并构成潜在的国家安全风险。随着依赖这些元素的技术的需求预计将飙升，业界和政府都在投资旨在确保国内稀土供应链安全的方法。
尽管被贴上“稀有”的标签，但被称为稀土元素的17种不同元素在地壳中相对丰富。拜登政府将其视为战略关键材料和矿物之一，用于多种现代商业和国防技术——包括智能手机、医疗设备以及用于电动汽车、喷气式战斗机和无人机的高度专业化磁铁。
然而，美国国防高级研究计划局（DARPA）的项目经理琳达·克里斯表示，由于稀土元素的化学性质几乎难以区分，单独分离和精炼它们以用于制造磁铁和其他技术是一个复杂的过程。
“两种不同的稀土元素的直径可能只有几分之一埃的差异——这意味着使用物理方法分离非常困难。目前使用的工艺……可能长达100步，”克里斯说，并指出，由于用于分离和纯化金属的化学品，该过程可能非常昂贵且对环境有害。
她补充道：“这些都是在美国难以维持此类运营的原因。”
然而，在莫哈韦沙漠的一座山顶上，在美国最大的稀土矿场——MP Materials公司，正试图扭转这一趋势。
MP Materials公司负责传播和政策的高级副总裁马特·斯劳斯特彻表示，凭借其设施的规模和能力，MP Materials公司正努力成为西半球的“磁铁冠军”。
“我们正在努力建立一个完整的磁铁供应链，我们希望能够生产所有必要的材料，并回收必要的材料，以构建这条磁铁供应链。”
自2017年收购芒廷帕斯矿以来，MP Materials公司重振了该矿场的稀土元素生产，并生产出一种稀土精矿混合物，根据美国地质调查局的数据，这种混合物约占每年稀土矿物消耗量的15%。
很快，MP Materials 将不再需要将这些混合物运往中国进行漫长的稀土元素分离和精炼流程。经过两年的建设，该公司于 11 月宣布，即将在芒廷帕斯矿启用美国境内首家稀土精炼厂。
Sloustcher 在参观芒廷帕斯矿正在进行的建设过程中表示，首先，新工厂必须投入使用，进行第二阶段的生产，即对设备进行压力测试，以确保其性能达到设计要求。他补充说，该流程将在 2023 年全面展开。
他解释说，生产的第二阶段始于对稀土精矿混合物进行干燥、焙烧、浸出和净化。然后，稀土被送入位于一座比美式足球场还长的建筑物内的几个高耸的储罐中的一个。他表示，在这些储罐中，溶剂萃取工艺将混合物分离成单独的稀土氧化物。
尽管这只是一家与中国多家精炼厂竞争的精炼厂，但它的投产标志着美国在解决其脆弱的稀土供应链方面迈出了关键一步。据五角大楼的新闻稿称，2020年，美国国防部向这个耗资2亿美元的项目投资了1000万美元。
斯劳斯特彻指出，MP Materials公司将专注于精炼钕和镨的化合物——这是制造稀土磁体最常用的材料之一——以及镧和铈。这些元素被归类为“轻稀土”。
政府还在推动“重稀土”的国内生产。重稀土元素的提炼难度更大，但也可用于制造更专业的磁体。例如，重稀土元素铽和镝用于制造可在高温下工作的稀土永磁体，而钐则用于生产用于航空航天和国防应用的钐钴磁体。
“如果国内没有分离稀土元素，磁体供应链就会出现故障，”他说道。
美国国防部于2022年2月授予MP Materials公司一份价值3500万美元的合同，用于在Mountain Pass矿区建造一座专门用于加工重稀土元素的设施。Sloustcher表示，重稀土元素将在另一栋建筑中进行提炼，并补充说该项目才刚刚启动。
为了全面实现磁铁供应链的本土化，MP Materials 还于 2022 年 4 月开始建造美国首家稀土磁体工厂。据该公司称，该工厂位于德克萨斯州沃斯堡，每年将能够利用在芒廷帕斯工厂开采和精炼的稀土元素生产约 1,000 吨钕铁硼磁体。
Sloustcher 指出，由于国防市场仅占美国稀土总需求的一小部分（约 5%），该公司希望首先满足商业行业的需求。
随着全球电气化进程的推进，需要高度专业化的稀土磁体的机器设备日益增多，预计稀土需求信号将会上升。
根据独立研究公司 Adamas Intelligence 的报告，全球对稀土氧化物的需求预计将从 2022 年的 150 亿美元增长两倍，达到 2035 年的 460 亿美元。
“世界正在各个方面实现电气化——电动汽车、风力涡轮机、无人机、机器人，应有尽有，”Sloustcher 说道。“因此，需求前景非常光明，但供应量却远低于大多数分析师对需求产量的预测。”
他表示，MP Materials 已与通用汽车达成协议，将从 2023 年底开始为该汽车制造商的电动汽车项目生产稀土合金和磁体。
“仅靠国防需求，甚至无法支撑一个中等规模的磁体工厂，”Sloustcher 说道。“我们希望能够支撑起通用汽车和其他公司的供应……如果我们成功做到这一点，国防需求就能得到满足。”
与此同时，Chrisey 和她在 DARPA 的团队正在研究如何利用另一种方法——生物采矿——来保障国内稀土供应链的安全。
Chrisey 表示，环境微生物作为生物工程资源（EMBER）项目是 DARPA 的一项倡议，旨在利用微生物和生物分子工程技术分离和纯化类似 Mountain Pass 矿场生产的稀土混合物。她表示，该项目的灵感来自于在严酷的火山环境中发现的微生物，这些微生物利用稀土元素生存。
“由于它们暴露在这些极端环境中，它们利用稀土元素作为酶的辅助因子，并进化出了运输系统，可以从环境中获取这些元素，并将其带入细胞并储存起来，直到需要它们为止，”她解释说。“也许我们可以弄清楚细胞是如何做到这一点的，并将其用于我们的目的。”
EMBER 将利用生物采矿来模拟这种自然发生的现象。 Chrisey解释说，该技术利用微生物帮助从较大的混合物中分解或分离目标元素。该机构表示，由于微生物对稀土元素的“特异性和选择性较差”，该技术尚未完全应用于稀土元素。
去年10月，该项目宣布已从劳伦斯利弗莫尔国家实验室、巴特尔纪念研究所和圣地亚哥州立大学选拔团队参与该四年期项目的第一阶段。
Chrisey 表示，每个团队将采用一种不同的原料，其中至少含有八种不同的稀土元素，并使用不同的微生物和生物采矿技术对每种元素进行分离和精炼。她补充说，这三个团队采用了独特的原料、微生物和生物采矿技术组合。
例如，两个团队从可从地下挖出的矿石中进行部分加工的矿物来源入手，而第三个团队则着眼于采矿废料。其中一个团队专注于微生物，因为它们天然存在于极端环境中，而另一个团队则使用一类以甲烷为生、以温室气体为食的微生物。
“我们正在从多个不同的层面思考，以及生物学如何在整个过程中发挥优势，”她说道。
Chrisey 表示，EMBER 第一阶段预计将于 2024 年 1 月左右结束，届时 DARPA 将决定是否继续进行第二阶段。如果成功，下一阶段将重点提高从源岩中分离稀土的效率和规模，第三阶段将以中试规模的稀土生物开采示范结束。
