Nadir toprak elementleri, günümüz yüksek teknoloji endüstrisinin gelişimi için vazgeçilmez bir anahtar malzeme olup “modern sanayinin vitamini” olarak adlandırılıyor. Şu anda Çin, madencilik, işleme ve uygulama alanlarındaki mutlak avantajlarıyla küresel nadir toprak tedarik zincirinin kilit lideri haline geldi. Peki, Çin’in nadir toprak endüstrisi nasıl adım adım yükseldi ve bu kadar önemli bir konuma ulaştı? Gelin birlikte bakalım!
Bu yılın Haziran ayında, Suzuki Motor aniden, nadir toprak ihracat kısıtlamaları nedeniyle parça tedarikinde gecikmeler yaşandığını duyurdu ve klasik kompakt sedan modeli Suzuki Swift’in üretimi durdurulmak zorunda kaldı.
Tesadüf değil, aynı dönemde Avrupa’daki otomotiv parça tedarikçileri de üretim hatlarını kapattı, ABD’li şirketler de alarma geçti ve Ford Explorer modelinin üretimi acilen durduruldu.
Elektrikli araçlarda, farlardan sileceklere, kameralardan emniyet kemerlerine ve ses sistemlerine kadar mikro motor ve sensör gerektiren her bileşende nadir toprak elementleri neredeyse vazgeçilmezdir. Özellikle ana tahrik motorunun performansı, nadir toprak kalıcı mıknatıs malzemelerine sıkı sıkıya bağlıdır.
Eski enerjiyle çalışan araçlarda bile elektrikli direksiyon desteği (EPS) nadir toprak elementleri olmadan işlev göremez.
Morgan Stanley’nin hesaplamalarına göre, Çinli şirketler küresel ağır nadir toprak madenciliğinin %65’ini, rafinasyonun %88’ini ve neodimyum-demir-bor kalıcı mıknatıs tedarikinin %90’ından fazlasını kontrol ediyor. Bu nedenle CNN, nadir toprak kaynaklı tedarik krizini “yükseltilmiş bir çip kıtlığı” olarak nitelendirdi.
2010 yılında Japonya’ya ait bir devriye gemisinin Diaoyu Adası’nda Çinli bir balıkçı teknesiyle çarpışması olayından sonra, Çin’in Japonya’ya nadir toprak ihracat kotaları keskin bir şekilde düştü. Başlıca nadir toprak oksitlerinin fiyatları beş kattan fazla arttı, disprosyum, terbiyum ve evropyum gibi üç metalin fiyatları ise yıllık bazda 15-20 kat yükseldi. Bu durum, Avrupa ve ABD’de büyük bir paniğe yol açtı.
2011 yılından itibaren, ABD ve Japonya gibi ülkeler, bağımlılığı azaltmak amacıyla bir dizi alternatif plan başlattı. O dönemde, nadir toprak krizinin tekrarlanmasını önlemek için genellikle 10 yıl gerektiği öngörülüyordu.
15 yıl geçti ve nadir toprak krizi yeniden ortaya çıktı. ABD Enerji Bakanlığı’nın hesaplamalarına göre, tam bir nadir toprak tedarik zinciri yeniden inşa etmek hâlâ 10 yıl sürecek. Görünen o ki, tarih bazen gerçekten tekerrür ediyor.
- Nadir Toprak Gerçekten Toprak Değildir
2016 yılında Model 3 piyasaya sürüldüğünde, batarya kapasitesi Model S 100D’den 20 kWh daha az olmasına rağmen menzili neredeyse aynıydı. Elon Musk bunu karbon silisyum MOSFET’lere bağladı, ancak Tesla’nın baş motor tasarımcısı Konstantinos Laskaris, başarının kendi departmanına ait olduğunu düşünüyor:
“Model 3’ümüz bir sabit mıknatıslı motor kullanıyor; bu motor, menzil ve performans hedeflerini dengelerken maliyeti en aza indiriyor.” 2021 yılında, üç sabit mıknatıslı motorla donatılmış Model S Plaid piyasaya sürüldü ve 0-100 km/s hızlanması sadece 2,1 saniye sürdü. Musk, lansman etkinliğinde gururunu gizleyemedi ve bunu “fizik mühendisliğinin sınırı” olarak nitelendirdi.
Ancak gerek Model 3’ün menzili gerekse Model S’in hızlanması, neodimyum adlı bir nadir toprak elementine borçlu.
Ana akım tahrik motorları iki türdür: sabit mıknatıslı senkron motorlar ve endüksiyon asenkron motorlar. Her ikisinin yapısı büyük ölçüde benzerdir ve çalışma prensipleri de mıknatısların temel ilkesinden, yani aynı kutupların itmesi ve zıt kutupların çekmesinden sapmaz.
Ancak endüksiyon motorlara kıyasla, sabit mıknatıslı motorlar yalnızca daha yüksek güç yoğunluğuna sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda daha büyük çıkış torku sağlar. Bu, yalnızca daha güçlü bir performans sunmakla kalmaz, aynı zamanda motorun boyutunu da daha küçük yapar.
Sabit mıknatıslı motorlarda yaygın olarak kullanılan neodimyum-demir-bor (NdFeB), “mıknatıs kralı” olarak bilinir ve yeryüzündeki en güçlü manyetik malzemelerden biridir; bu, motorun maksimum verimliliğini %99’a yaklaştırır. Standart N35 sınıfı (sayı manyetik enerji birikimini/manyetik gücü temsil eder), kendi ağırlığının 600 katından fazla metali çekebilir.
Bu, yetenek ile çaba arasındaki farktır. Cybertron gezegeni nadir toprak elementlerini rafine edebilse, Transformers bile elektrikli dönüşüme geçmek zorunda kalırdı.
Neodimyumun keşfi 1841 yılına kadar uzanır; İsveçli kimyager Gustav Mosander, keşfettiği praseodimyum-neodimyum bileşiğine Yunanca “ikiz” anlamına gelen “Didymium” adını verdi.
1885’te Avusturyalı kimyager Carl von Welsbach, praseodimyum ve neodimyumu ayırmayı başardı. Yüzyıl sonra, neodimyum elektrikli araç endüstrisinde parlamaya başladı.
Nadir toprak elementleri, aslında 17 metal elementinin genel adıdır ve keşif süreçleri oldukça çalkantılıdır. İlk element olan itriyumun keşfinden son element prometyuma kadar kimya dünyası tam 153 yıl harcadı.
1966’da RCA, katot ışın tüplü televizyonlarda nadir toprak kırmızı fosfor tozu kullanarak nadir toprakların büyük ölçekli endüstrileşmesini başlattı. O zamandan beri, çoğu elektronik ve otomotiv parçası nadir toprak elementlerini yaygın olarak kullanmaya başladı, ancak kullanım miktarları sınırlı olduğu için nadir toprakların stratejik önemi çok yüksek, pazar ölçeği ise oldukça kısıtlıydı.
Yeni enerji araçlarının yaygınlaşmasıyla birlikte nadir toprak kullanımı önemli ölçüde arttı. Genel olarak, bir elektrikli araç 1,5–3 kg nadir toprak kullanır. Sabit mıknatıslı senkron motorların kurulum oranı %96’ya ulaşarak neodimyum-demir-bor sabit mıknatısların stratejik önemini daha da artırdı.
Neodimyum-demir-bor mıknatısların yüksek sıcaklıkta zayıf ısı direnci ve kolayca demanyetize olma özellikleri için çözüm, genellikle formüle disprosyum veya terbiyum eklemek oluyor.
Örneğin, General Motors’un Ultium platformuna dayalı SUV’ları her biri yaklaşık 160 gram disprosyum kullanıyor. Bu miktar az gibi görünebilir, ancak elektronik ürünlere kıyasla hiç de az değil.
CNN, nadir toprakları Çin’in “güçlü kozu” olarak nitelendiriyor, çünkü kritik hammaddelerin kontrolü, otomotiv üretiminin boğazını sıkmakla eşdeğerdir. Ancak bugün nadir topraklar nedeniyle büyük bir telaş içinde olan ABD, bir zamanlar kendisi de bir nadir toprak üretim deviydi.
- Bir Zamanların Avantajlı Endüstrisi
Bu yılın Nisan ayında *Forbes* dergisi, oldukça çarpıcı bir başlıkla bir makale yayınladı: “ABD’nin Tek Nadir Toprak Madeni, Gümrük Vergilerinden Büyük Zafer Kazanacak.”
Bahsedilen “tek nadir toprak madeni,” Kaliforniya’daki Mountain Pass madenidir. Bu maden, adeta doğanın bir lütfu: 1930’larda altın madeni keşfedilmiş, uranyum madeni aranırken dünya çapında bir nadir toprak yatağı bulunmuş.
Daha sonra, Amerikan Molycorp şirketi madencilik hakkını aldı ve nadir toprak elementi evropyumu başarıyla ayırarak renkli televizyon devriminde büyük kârlar elde etti. 1965’ten 1995’e kadar Mountain Pass, küresel nadir toprak metal arzının büyük bir kısmını sağladı ve tam 30 yıl boyunca bu avantajla rahatça kazandı.
Petrolün aksine, nadir topraklarda bariyer madencilikte değil, işleme aşamasındadır. Nadir toprakların madencilikten kullanıma kadar olan zinciri şu adımlardan oluşur: cevher seçimi ve konsantre üretimi – nadir toprak oksitlerinin ayrılması – tekil metalin rafine edilmesi – işlevsel malzemelere dönüştürülmesi.
Nadir toprak elementlerinin kimyasal özellikleri birbirine çok yakındır; özellikle 15 lantanit elementi adeta ikiz kardeş gibidir ve ayrıştırılıp saflaştırılması oldukça zordur. Aynı zamanda, nadir toprakların ayrıştırılmasında eşlik eden yabancı maddelerin mümkün olduğunca elenmesi gerekir; çünkü saflık, aşağı akış malzemelerinin performansını doğrudan etkiler.
Bu nedenle, tıpkı çip endüstrisinde olduğu gibi, nadir toprak endüstrisinde de nihai ürüne ne kadar yakınsanız, yarattığınız katma değer o kadar yüksek olur. Yüksek saflıkta tekil nadir toprak metalinin rafine edilmesi, bu zincirin en kritik halkasıdır.
Başka bir deyişle, çoğu ülkenin eksik olduğu şey maden değil, üretim ve işleme kapasitesidir.
1999 yılında Çin, nadir toprak ihracatına kota sistemi uygulamaya başladı. Bu politikanın özü, ihracat ölçeğini sınırlamak değil, ihracat yapısını bilinçli bir şekilde yönlendirmekti: yani, düşük katma değerli ham ürünlerin ihracatını kısıtlayarak, yüksek katma değerli aşağı akış ürünlerin ihracatını teşvik etmek ve işletmeleri saflaştırma gibi yüksek katma değerli süreçlere yöneltmek.
Şu anda Çin, nadir toprak elementlerini 6N (%99,9999) ultra yüksek saflık seviyesine kadar rafine edebiliyor, oysa ABD hâlâ 2N-3N seviyesinde bu teknolojiyi geliştirmeye çalışıyor. İşleme teknolojisindeki bu uçurum, doğrudan bir soruna yol açıyor: ABD’nin nadir toprak konsantreleri işlenmek üzere Çin’e gönderiliyor ve ardından tekrar ABD’ye geri satılıyor.
ABD Stratejik ve Uluslararası Çalışmalar Merkezi’ne (CSIS) göre, Çin’in nadir toprak rafinasyon üretimi küresel payın %92’sini oluşturuyor; ağır nadir toprak rafinasyon kapasitesi ise %99’a ulaşıyor.
Örneğin, sabit mıknatıslı motorlarda kullanılan neodimyum-demir-bor (NdFeB) mıknatısları ele alalım: Neodimyum hafif bir nadir toprak, disprosyum ise ağır bir nadir topraktır. Disprosyum, bir katkı maddesi olarak kullanıldığında en az 3N saflık seviyesine ulaşmalıdır.
Denizaşırı nadir toprak endüstrisinin karşılaştığı bir diğer sorun, bazı teknik süreçlerin yalnızca Çin tarafından değil, başka ülkeler tarafından da bilinmesine rağmen, sadece Çin’in bu süreçleri büyük ölçekli üretime dönüştürebilmiş olmasıdır. Çin, on binlerce ton kapasiteli üretim hatları kurmayı başarmıştır.
Yüksek katma değerli süreçlere yönelik bilinçli bir yönlendirmenin yanı sıra, Çin’in iç politikaları da endüstriyel entegrasyonu teşvik etmektedir. 2011 yılında, Sanayi ve Bilgi Teknolojileri Bakanlığı “1+5” planını önerdi; yani “kuzeyde bir, güneyde beş” şirketten oluşan bir yapı. Bu plan, 2014 yılında tamamlanarak resmi olarak onaylandı.
2021 yılında, Devlet Varlıkları Denetim ve İdare Komisyonu’nun (SASAC) liderliğinde altı nadir toprak grubu dörde indirildi. 2023 yılında ise bir kez daha birleşerek Kuzey Nadir Toprak ve Çin Nadir Toprak adlı iki şirkete dönüştü. On yıldan kısa bir sürede endüstriyel entegrasyon hızla tamamlandı ve bu, ölçek avantajı ile pazarlık gücünü ortaya çıkardı.
Bu durumda, denizaşırı şirketler teknik bariyerleri aşsa bile ölçek avantajı oluşturmakta zorlanıyor.
2010 yılında Çin’in Japonya’ya nadir toprak tedarikini kısıtlamasından sonra, zarar nedeniyle üretimi durduran Mountain Pass madenini işleten Molycorp, Japonya’nın Sumitomo şirketinden 1,3 milyar dolarlık yatırım alarak nadir toprak üretimini yeniden başlattı. Ancak Çin’in nadir toprak ihracat kotalarını gevşetmesiyle fiyatlar çöktü ve Mountain Pass madeni 2015 yılında yeniden iflas etti.
2017 yılında, MP Materials adlı bir şirket, atıl durumdaki Mountain Pass madenini satın aldı. Amaç, nadir toprak madenciliğinden rafinasyona ve mıknatıs üretimine kadar dikey bir entegrasyon avantajı oluşturarak ABD’nin nadir toprak endüstrisini canlandırmaktı.
Ancak 2024 yılına kadar, madenden elde edilen konsantrelerin hâlâ Çin’e gönderilip ayrıştırılması gerekiyordu ve Mountain Pass madeninin gelirinin %80’i hâlâ Çin’e konsantre satmaktan geliyordu.
- Eksik Üçgen İlişki
2023 Mart’ındaki Yatırımcı Günü’nde Elon Musk, karbon silisyum kullanımını %75 azaltmayı ve nadir toprak sabit mıknatısları tamamen terk ederek nadir toprak içermeyen bir sabit mıknatıslı motor üretmeyi yüksek sesle duyurdu.
Musk’ın kariyerinde bu iki büyük hedef nispeten düşük bir yankı uyandırdı. Ancak 2017’den 2022’ye kadar Tesla, aktarma sisteminin verimliliğini artırarak Model 3 motorlarındaki nadir toprak kullanımını %25 azalttı.
Musk’ın bu ısrarının ardında maliyet faktörleri yatıyor: Sabit mıknatıslı senkron motorlarda, nadir toprak mıknatıslarının maliyeti yaklaşık %30’u oluşturuyor; bu, nadir toprak fiyatlarının artmaması ve ihracatın kısıtlanmaması durumunda geçerli. Ancak bir diğer neden de tedarik zinciriyle ilgili kaygılar.
Tesla’nın Roadster ve Model S modelleri başlangıçta endüksiyon motorları kullanıyordu, çünkü sabit mıknatıslı motorlar denizaşırı tedarik zincirine bağımlıydı. Tesadüfen, Toyota da aynı düşüncedeydi ve Tesla’ya endüksiyon motoru geliştirmesi için 60 milyon dolar yatırım yaptı.
Ancak Model 3’ten itibaren Tesla, maliyet-performans avantajı nedeniyle sabit mıknatıslı motorlara geçti.
Nadir toprak mıknatısların yanı sıra, ferrit mıknatıslar da motorlarda kullanılabilir ve maliyetleri daha düşüktür. Ancak performansları, neodimyum-demir-bor (NdFeB) mıknatıslarının çok gerisindedir. En iyi ferrit mıknatısların bile manyetik enerji birikimi, NdFeB’ye kıyasla oldukça düşüktür.
Tesla’yı büyüleyen bir diğer malzeme grafitti. 4680 bataryası, silikon-karbon anot kullanımı nedeniyle grafiti neredeyse tarihin çöp sepetine atmıştı. Ancak grafitin yerini alacak bir alternatif bulmak hâlâ uzun bir yol gerektiriyor ve yalnızca Çin, Tesla’nın standartlarına ve ölçeğine uygun grafit üretebiliyor.
Yakın zamanda Kanadalı anot malzemesi üreticisi Graphite One, ABD hükümeti için bir hesaplama yaptı: Sadece 50,5 milyar dolarlık bir yatırımla ABD için bir grafit tedarik zinciri oluşturulabilir, ancak grafit konsantrelerinin üretime başlaması 2030 yılına kadar planlanmış durumda.
Bir upstream (hammade) endüstrisi olarak, gerek ölçek gerekse teknik seviye, genellikle downstream (aşağı akış) endüstrilerinin ölçeği ve katma değeri tarafından desteklenir. ABD’nin elektrikli araç sektöründe tek başına Tesla’nın varlığı, bu yükü taşımakta yetersiz kalıyor.
Neodimyum-demir-bor mıknatısları ilk olarak Japonya’nın Sumitomo (daha sonra Hitachi Metals tarafından satın alındı) ve General Motors tarafından geliştirildi. İki taraf, patentler için mahkemelik oldu ve sonunda çapraz lisanslama anlaşması yaptı. Ancak Toyota Prius’un popülerliğinin aksine, Amerikan otomotiv endüstrisi elektrifikasyona ilgisizdi, bu da sabit mıknatıslar için downstream siparişlerin eksikliğine yol açtı.
Daha sonra General Motors’un mıknatıs iş kolu bir Çin şirketi tarafından satın alındı ve patent savaşlarının başrolü Çin Manyetik Malzeme Birliği ile Hitachi Metals arasında geçti. 2016 yılında, Hitachi Metals’ın iki sinterlenmiş NdFeB patentinin ABD Patent ve Ticari Marka Ofisi tarafından geçersiz kılındığına karar verildi ve patent ayrıcalığı hikayesi yavaş yavaş sona erdi.
O dönemde Çin’in NdFeB mıknatıs üretimi küresel üretimin %80’ini oluşturuyordu, ancak çoğu düşük-orta seviye ürünlerden ibaretti.
2020’den sonra Çin’in yeni enerji araçları hızlanmaya başladı ve bu, nadir toprak endüstri zincirinin yükselmesini daha da teşvik etti. 2022 yılına gelindiğinde, Çin’in yüksek performanslı mıknatıs ihracatı küresel toplamın %70’ine ulaştı.
Bu süreçte, “nadir toprak madenciliği – rafinasyon işleme – yeni enerji araçları” üçgeni sağlam bir ilişki oluşturdu. Nadir toprak üretim devi, aynı zamanda bir nadir toprak tüketim devine dönüştü ve iç döngüyü gerçekleştirdi.
Şu anda, küresel NdFeB mıknatıs üreticileri Çin ve Japonya’da yoğunlaşmış durumda. Geçen yıl Japonya, iç piyasada 4500 ton NdFeB mıknatıs üretti ve %60’lık bir kendi kendine yeterlilik oranına ulaştı, ancak hammadde için hâlâ Çin tedarik zincirine bağımlı.
Karşılaştırma için, Çin’in yıllık NdFeB üretimi 300 bin tonu aşıyor; bu kapasitenin büyük kısmı, yeni enerji araçları gibi downstream endüstriler tarafından tüketiliyor, geri kalanı ise yurtdışına ihraç ediliyor.
Hazırlayan: CTT Danışmanlık