Minerais críticos: Elementos estratégicos são ignorados no país

Elementos estratégicos para várias indústrias são ignorados no país

A possibilidade de o Brasil perder o trem da história na extração e transformação de metais críticos despertou a atenção de pesquisadores inconformados com a falta de incentivos. O caso mais emblemático envolve o gálio e o germânio, elementos com aplicações na indústria eletroeletrônica e produtos medicinais, cujos estudos aqui foram abandonados há cerca de 30 anos.

Ambos são subprodutos de outras indústrias. Ou seja, o germânio está associado aos carvões minerais e o gálio, ao alumínio ou zinco. Contudo, não há dados precisos sobre reservas, nem muito consenso técnico-científico a respeito da origem e/ou das tecnologias de obtenção e processamento desses materiais.

Por hora, representantes da comunidade cientifica minerária e parte dos da indústria minerometalúrgica – esses se manifestaram na condição off the records – apenas manifestam preocupação com a movimentação dos concorrentes estrangeiros. Os mais afoitos, claro, são os chineses que nadam de braçada na área, motivados pela necessidade de enfrentar, desde agora, os efeitos negativos do risco geopolítico de escassez futura desses elementos essenciais para a indústria de alto conteúdo tecnológico. Não por acaso, portanto, a China anunciou, recentemente, restrições a exportações dessas duas substâncias.

A avaliação é do engenheiro de minas Mathias Heider, assessor técnico da Agência Nacional de Mineração (ANM), órgão que substituiu o Departamento Nacional de Produção Mineral (DNPM), em 2017. Mas, ao contrário do despertar chinês, o cenário no Brasil é sonolento, em parte devido à sua vocação de exportar commodities e depois ter que importar produtos acabados. É o que acontece em alguns segmentos derivados da mineração, como salientou o professor Versiane Albis Leão, do Departamento de Metalurgia e Materiais da Universidade Federal de Ouro Preto, uma ilha de excelência em pesquisa mineral com foco na indústria de transformação.

Leão cita como exemplo o próprio alumínio, que tal qual o gálio tem como fonte a bauxita – um dos materiais que estaria na ponta do processo exportador de minérios e concentrados ao invés de metais mais nobres. Essa inversão de valor alimenta uma progressiva desindustrialização em metais não-ferrosos, desestimulando o avanço da cadeia produtiva, segundo o raciocínio do professor da Ufop.

Além da desindustrialização, a falta de interesse público e privado por esses materiais se situa também nos entraves tecnológicos, no desconhecimento das reservas e na inviabilidade econômica da P&D nas condições atuais. O alumínio é o pivô de outro fator inibidor da evolução dos não-ferrosos e seus derivados, acrescenta o químico Thiago Canevari, pesquisador de nanomateriais híbridos multifuncionais da Escola de Engenharia da Universidade Mackenzie, entre os quais o grafeno, aplicado em construção civil, energia, telecomunicações, medicina e eletrônica.

Para se obter uma grande quantidade de alumina, que depois será convertida em alumínio, é preciso minerar muita bauxita o que possivelmente geraria alguns gramas de gálio em meio a toneladas de resíduos. Por conta desse impacto ambiental e considerando que a produção de alumínio pode ser realimentada via sucata, a exploração de bauxita vem sendo atenuada, diz Canevari, que também é pós-doutorado em nanotecnologia e coordenador do curso de química da Escola de Engenharia da universidade.

Há que se levar em conta também que os processos de produção de não-ferrosos normalmente são intensivos em consumo de energia, acrescenta o professor Leão, da Ufop. Com isso o beneficiamento da matéria-prima, ou seja, da bauxita para a produção de alumínio e de outros minerais a jusante na cadeia, esbarra na inviabilidade econômica.

Quanto ao germânio, sabe-se que sua obtenção resulta de várias fontes, a começar pela reciclagem das cinzas dos carvões minerais, segundo Arthur Pinto Chaves, professor de tratamento de minérios da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (USP), com um histórico de pesquisa igualmente em não-ferrosos (veja adiante). É usualmente encontrado também na natureza, em minerais silicatados, por estar situado na tabela periódica associado ao silício, ou seja, tem comportamento geoquímico semelhante, complementa.

Outras fontes do germânio são os sulfetos de zinco e de cobre, acrescenta Leão, lembrando que, quando presente em sulfetos de zinco, o germânio é precipitado junto com o ferro durante o processo de produção de zinco eletrolítico. A obtenção do germânio ocorre ainda por meio da extração e beneficiamento da hematita, dada a associação do material com o silício, observa Canevari.

Minerais críticos: Elementos estratégicos são ignorados no país ©QD Foto: Divulgação
Canevari: gálio e germânio têm múltiplas aplicações

“O gálio e o germânio não têm um mineral de origem específico, como acontece, por exemplo, com o alumínio que resulta da bauxita e o ferro, da hematita. Por serem elementos grandes na tabela periódica, eles não conseguem formar estruturas muito complexas ou empacotadas, digamos assim. Por essa razão, eles se ligam linearmente a outro elemento. É por isso que tanto o gálio como o germânio fazem sua retaguarda naqueles minerais que citei anteriormente, a bauxita e hematita, respectivamente”, detalha Canevari.

Chaves, da Poli-USP, reforça essa abordagem ao afirmar que, na tabela periódica, o gálio e o germânio, situam-se nas mesmas colunas, respectivamente, do alumínio e do silício. As propriedades de um e de outro são, portanto, semelhantes, especialmente quanto ao silício. Essa aproximação físico-química com o silício torna a importância de ambos ainda mais estratégica, observa Chaves, devendo a referida importância ser buscada e mais bem definida no deslocamento industrial do silício metálico.

Esse encontro de ideias de ambos os pesquisadores leva à conclusão manifesta expressamente por Canevari de que o potencial do gálio e do germânio, sob a ótica tecnológica, é enorme. O grande problema, segundo ele, é como obter volumes expressivos de um e de outro, que possam ser usados amplamente pelas diversas cadeias produtivas.

Um segundo problema referido por Canevari é que, por conta da especificidade dos materiais em questão e da pequena quantidade disponível na natureza – traços presentes em outros minérios –, eles se tornam elementos muito caros. Por exemplo, de acordo com estimativas do engenheiro metalurgista Marcos Contrucci, enquanto a cotação do ferro, que ele classifica como “humilde primo pobre” do gálio, varia entre US$ 350 a US$ 400, por tonelada, o gálio está na faixa dos US$ 400 mil por tonelada.

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Contrucci: uma t de gálio vale quase mil vezes uma t de ferro

Contrucci é membro do Iron and Steelmaking Research Group, da PUC-RJ, e um dos pais da Tednored, a tecnologia verde-amarela, hoje em poder da Vale, que viabilizou a produção de briquetes para produção siderúrgica, igualmente baseada em resíduos. Tido como um empreendedor técnico-científico junto à comunidade minerometalúrgica, ele teve seu primeiro contato com o gálio no renomado MIT (Massachusetts Institute of Technology), mais ou menos no mesmo período em que o metal estava sendo estudado pela CBA e Poli-USP. Contrucci disse que, na ocasião, o professor de engenharia de materiais Julian Szekely revelou para ele as virtudes do arsênico [trióxido de arsênio, N.E.] na formação de um composto químico denominado arsenieto, que facilitava muito o refino do gálio, com foco nos estudos voltados para as atividades de ponta da Nasa, no próprio MIT. A relação entre o gálio e o arsênio é conhecida no Centro de Tecnologia Mineral (Cetem) do Ministerio de Ciência, Tecnologia e Inovação. Contudo, segundo o próprio Cetem, não há estuos atuais em andamento na instituição sobre o gálio.

De fato, as pesquisas são raras e/ou incipientes e o potencial volumétrico das duas substâncias ainda não está devidamente avaliado no Brasil, concorda Heider, da ANM. Por essa razão, ele acredita que vale a pena promover o que classifica como uma quebra de paradigma no empreendedorismo técnico-científico. Esta seria a rota institucional capaz de unir os setores público e privado, a fim de que o país tenha alguma chance concreta de dominar a tecnologia de extração e aplicação do gálio e do germânio.

Minerais: Desenvolvimentos e aplicações possíveis do gálio e do germânio

O Basil foi o quarto maior produtor mundial de bauxita em 2022, com uma produção de 34,2 milhões de toneladas e reservas estimadas em 2,7 bilhões de t, conforme estatísticas da Associação Brasileira de Alumínio (Abal). A Guiné detém as maiores reservas, avaliadas em 7,4 bilhões de t – que sustentam a produção de 86 milhões de t em 2022 a terceira maior do mundo –, seguida pelo Vietnã (5,8 bilhões de t) e Austrália (5,1 bilhões de t).

A produção de 90 milhões de t de bauxita em 2022 colocou a China no segundo lugar do ranking mundial – superada pelas 100 milhões de t da Austrália –, embora detenha apenas a sétima maior reserva, de 710 milhões t. Isso não a impede de responder por cerca de 60% da produção do germânio em todo o mundo, de acordo com a Critical Raw Materials Alliance (CRMA). O restante da produção global do material fica por conta dos Estados Unidos, Canadá, Finlândia e Rússia. A produção mundial do gálio é ainda mais concentrada na China, que fica com 80% da fabricação global, segundo a CRMA.

No Brasil, as empresas Mineração Rio do Norte, Alcoa e Hydro são as maiores produtoras de bauxita, representando mais de 85% do total. Contudo, nenhuma delas quis se manifestar sobre o gálio e o germânio, alegando, por meio de suas respectivas assessorias de imprensa, que não produzem esses materiais. Nem mesmo a CBA, quarta maior produtora nacional de bauxita e que foi a única a pesquisar o gálio há cerca de 30 anos, concordou em informar sobre o resultado e que decisões foram tomadas a partir dos dados levantados em sua pesquisa (veja adiante), realizada com a Escola Politécnica da USP.

A bauxita é fonte da maior parte do gálio, por exemplo, segundo estudo publicado, do Departamento de Metalurgia Extrativa do Centro de Tecnologia Mineral (Cetem) em parceria com o CNPq. Mas a Agência Nacional de Mineração avalia que ainda é imaturo definir o potencial físico e econômico do segmento de metais estratégicos, como um todo – gálio e germânio – parte deles obtida de rejeitos da própria bauxita, dentre outros minerais.

O gálio é um metal de coloração prateada pertencente ao grupo 13 da tabela periódica. A sua forma metálica e pura é acrescida de outras características, como o baixo ponto de fusão. Essa condição é consequência de seu baixo raio atômico, de 130 pm (picômetros – unidade de comprimento, 10-12 m), quase o mesmo do alumínio, conforme estudo acadêmico publicado pelo professor Stéfano Araújo Novais, mestre em ciências pelo Programa de Pós-Graduação em Química da UFRJ.

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Mina de bauxita, minério que pode ser fonte de gálio

Por conta dessas características, o metal se apresenta também na forma líquida, quando exposto à temperatura próxima do ambiente. Mas isso só se torna possível por meio do mercúrio, rubídio e césio, e sua permanência em estado líquido é muito grande, descreve Novais.

Ainda segundo o estudo, ele quase sempre apresenta super-resfriamento (ou supercongelamento). Graças a essa propriedade física, o gálio permanece líquido mesmo abaixo do ponto de solidificação, para o qual é necessária a utilização de um gérmen de solidificação. Trata-se de um pequeno pedaço metálico no estado sólido para iniciar todo o processo.

Para o assessor técnico da ANM e engenheiro de minas Mathias Heider, a obtenção de indicadores mais precisos do gálio e do germânio dependeria de um inventário sobre as estatísticas produzidas no passado, acrescidas de dados sobre o que foi prospectado mais recentemente. Quanto às aplicações do gálio e do germânio, elas são distribuídas em várias cadeias produtivas, incluindo semicondutores, telecomunicações e veículos elétricos.

O professor Versiane Albis Leão, do departamento de Metalurgia e Materiais da Ufop, considera o gálio e o germânio elementos tecnologicamente essenciais para a indústria eletroeletrônica. Por isso, segundo ele, foram incluídos na lista de matérias-primas críticas em documento da União Europeia.

Ele acrescenta que o gálio, em particular, é usado principalmente em semicondutores como compostos de arseneto de gálio. Por intermédio dessa substância, compõem insumos usados na fabricação de telefones celulares e dispositivos optoelétricos, como LED e células solares.

O germânio, por sua vez, destina-se principalmente a aplicações eletrônicas e solares. É o caso, por exemplo, de sistemas de fibra óptica, além de ser usado também nos dispositivos de imageamento em óptica no infravermelho. Há estudos também do uso de isótopos de germânio na área médica, informa Leão.

Na substituição do silício, o principal campo de aplicação do gálio e do germânio está na indústria de semicondutores, amplamente utilizados em computadores, relógios elétricos e numa infinidade de equipamentos eletrônicos, observa o professor Arthur Chaves, da Poli-USP.

“Especialmente, o arsenieto de gálio é um semicondutor muito importante. Se houvesse disponibilidade dele, deslocaria completamente o silício na aplicação em computadores”, afirma Chaves.

A inserção do germânio e do gálio no silício melhora as propriedades eletrônicas desse semicondutor, pois altera o band gap, ou seja, a transição dos elétrons da banda de valência para a banda de condução, explica o químico Thiago Canevari, pesquisador de nanomateriais híbridos multifuncionais da Escola de Engenharia da Universidade Mackenzie. Da mesma forma, quando utilizado com outros elementos para aplicação em soldagem, eles abaixam o ponto de fusão da solda, facilitando sua aplicação em ambientes e materiais específicos, como é o caso de ligas de alumínio e peças para sistemas eletrônicos, explica Canevari.

Desafios e oportunidades no resgate do tempo perdido

O Brasil ainda tem tempo de recuperar a defasagem na prospecção, extração e aplicação do gálio e do germânio, resgatando o conhecimento que foi desenvolvido e definindo novas rotas tecnológicas de pesquisa e de modelos de negócio no segmento. A tentativa de retomada representa um dos raros consensos entre os pesquisadores entrevistados, os quais defendem a necessidade de parcerias e o compartilhamento de saberes. Nesse sentido, apontam vários fatores positivos que podem contribuir para engajar outros atores nessa cruzada a fim de dominar a pesquisa e o desenvolvimento dos chamados minerais estratégicos ou críticos.

Apesar dos percalços na jornada técnico-científica envolvendo o gálio e o germânio, ainda sobrou fôlego entre os pioneiros da pesquisa. Arthur Pinto Chaves, professor de tratamento de minérios da Escola Politécnica da USP, um dos protagonistas da primeira e única parceria entre universidade e setor privado, com foco no gálio, diz que um dos passos para a retomada é a busca dos relatórios e outros documentos de 30 anos atrás sobre o assunto em questão. Chaves se refere particularmente ao estudo, em nível de laboratório, realizado entre a Escola Politécnica, por meio do Departamento de Engenharia de Minas, e a CBA, do qual ele participou intensamente.

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Chaves: estudos feitos há 30 anos foram descontinuados

“Fizemos um esforço muito grande nos anos 90 do século passado, em cooperação com a CBA e com recursos da Fapesp, para extração do gálio a partir do licor de Bayer, um líquido vermelho-escuro formado em uma das etapas iniciais da purificação do alumínio. Nessa rota de estudo, o gálio é lixiviado junto com o alumínio e se concentra no licor, a partir do qual a recuperação do mineral se torna factível”, descreve Chaves.

Mas, de acordo com sua avaliação, os resultados foram apenas parcialmente positivos. O principal entrave foi que a equipe envolvida na pesquisa não conseguiu refinar o metal até o nível de pureza exigido pela indústria de transformação. Por outro lado, as jazidas de bauxita conhecidas até então, em que a presença do gálio era mais elevada, estavam se exaurindo, fato que motivou a perda de interesse sobre o andamento do projeto, cuja memória se encontra aparentemente dispersa, até mesmo em outras instituições.

Estudos de extração de gálio a partir da bauxita já foram realizados também pela UFRJ, como lembrou o professor Leão, da Ufop. Mas ele acrescentou que não tem conhecimento de processos industriais que teriam resultado do estudo daquela instituição, conhecida pelo desenvolvimento de diversas competências por meio de Parques Tecnológicos. De qualquer forma, ele manifestou esperanças no futuro a partir dessas e de outras habilidades de pesquisadores do país, com vocação inovadora.

“O Brasil ainda possui uma importante comunidade cientifica na área de metalurgia extrativa. Esse grupo conseguiria responder aos desafios de produção de diversos metais estratégicos. Para isso, bastaria haver demanda e recursos disponíveis para o financiamento das pesquisas”, afirmou.

Há certos desafios que podem se transformar em oportunidades, argumenta Mathias Heider, da ANM. Um deles é representado pela formatação de políticas públicas e privadas para essas duas substâncias, bem como sua inclusão na lista de minerais críticos e estratégicos.

Heider cita como exemplo a bem-sucedida experiência de pesquisa desenvolvida pelo próprio Cetem, implementando chamadas públicas e seminários para discussão de projetos sobre terras raras, outro nicho de fomento do conhecimento em metais estratégicos. No caso do gálio e do germânio, ele considera oportuna também a tentativa de realizar parcerias estratégicas com países estrangeiros que se encontram em estágio avançado de pesquisa e desenvolvimento nesses minerais.

Minerais críticos: Elementos estratégicos são ignorados no país ©QD Foto: Divulgação
Heider recomenda avaliar com cuidado o potencial produtivo

“O potencial dessas duas substâncias não está devidamente avaliado no Brasil, se comparado com as fontes atuais de fornecimento no mundo”, comentou Heider. Algumas iniciativas internas ligadas a etapas subsequentes da extração mineral ou associadas a rejeitos não tiveram sua viabilidade financeira e tecnológica devidamente avaliada, segundo ele. Um dos motivos teria sido a falta de iniciativa de diversos stakeholders, disse.

Recentemente, informa Heider, o Brasil aprovou a resolução de Aproveitamento de Rejeitos e Estéreis que traz segurança jurídica para essa atividade. Ele prevê que a partir disso “certamente haverá um robusto crescimento desse segmento no setor mineral”, ao reiterar o exemplo da China que entendeu e soube trabalhar para dominar a pesquisa e desenvolvimento no segmento de metais críticos.

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