Risorse minerali non combustibili

Risorse minerali non combustibili

sommario: 1. Introduzione. 2. Disponibilità fisica, approvvigionamento e dipendenza: a) disponibilità fisica; b) approvvigionamento e dipendenza; vulnerabilità e criticità. 3 Tendenze future della domanda e del consumo. 4. Prospettive di impiego dei materiali: a) l'importanza dei materiali; b) tendenze degli impieghi dei materiali; c) sostituzione di materiali; d) prospettive future. 5. Approcci tecnologici per ridurre la vulnerabilità da importazione; l'esempio di quattro materiali strategici: a) cromo; b) cobalto; c) manganese; d) metalli del gruppo del platino, MGP (platino, palladio, rutenio, rodio, indio, osmio). 6. Ricerca e sviluppo negli Stati Uniti, in Giappone e nella Comunità Economica Europea. 7. Conclusioni. □ Bibliografia.

1. Introduzione

Il ben noto studio su I limiti dello sviluppo, effettuato da Meadows e altri (v., 1972) per il Club di Roma, sebbene risalga al 1972, resta a tutt'oggi il punto di partenza obbligato per una discussione sulle tendenze presenti e future, a livello mondiale, della disponibilità, del consumo e degli impieghi delle materie prime di origine minerale. In quel momento e in seguito alla pubblicazione del rapporto sopra ricordato l'opinione pubblica prestò improvvisamente attenzione al problema dell'esaurimento delle scorte. Subito dopo, la prima crisi del petrolio (1973-1974) parve alterare radicalmente la struttura del commercio mondiale e l'economia delle materie prime, evidenziando l'urgenza di una discussione approfondita.

In realtà si tratta di un problema con molte sfaccettature, nel quale, per comodità, si possono distinguere diversi elementi: a) la disponibilità fisica: cifre attuali delle riserve e delle risorse, criticità dei materiali e vulnerabilità dei rifornimenti, evoluzione futura in base alle probabili nuove scoperte e al mutamento dei modelli di consumo e di impiego; b) l'evoluzione dei consumi come conseguenza dei cambiamenti tecnologici e socioeconomici; c) l'evoluzione degli impieghi, elemento molto importante da considerare, alla luce dei rapidi sviluppi della scienza dei materiali; d) un complesso insieme di fattori politici ed economici: l'elevatissimo incremento demografico del Terzo Mondo, l'instabilità di alcuni tra i maggiori paesi produttori, la crescente industrializzazione dell'area intorno al Pacifico, il ruolo dei cartelli dei produttori, la contrapposizione tra società multinazionali e imprese private da un lato e imprese socializzate di Stato dall'altro, ecc.; e) il potenziale di ricerca per promuovere le innovazioni tecnologiche.

Le principali posizioni su questi problemi che si sono delineate negli ultimi anni si possono così riassumere.

1. Una previsione allarmistica circa la diminuzione delle risorse naturali, la lenta morte dell'industrializzazione e l'inquinamento irreversibile dell'ambiente. (In effetti questa diffusa interpretazione dello studio su I limiti dello sviluppo poggia su un equivoco: lo studio prediceva un crollo generale solo se fossero rimaste invariate le linee di tendenza esistenti nel 1970, linee che sembravano orientarsi verso curve esponenziali e che viceversa sono poi molto cambiate).

2. Una previsione completamente opposta, secondo la quale non può verificarsi, né mai si verificherà, una mancanza di materie prime: l'applicazione di misure per la conservazione dei materiali, l'obbligo legale di riciclarli, l'innovazione tecnologica, l'estrazione di materie prime da minerali a basso tenore, dall'acqua del mare e dai noduli dei fondali d'alto mare assicureranno abbondanza di materie prime per il futuro.

3. Una posizione intermedia, ora prevalente, secondo la quale le prospettive per il futuro possono essere improntate a un cauto ottimismo. È infatti ragionevole ritenere che l'ingegnosità dell'uomo potrà risolvere i problemi futuri attraverso la scoperta di nuove riserve e le innovazioni industriali. Sarà tuttavia necessaria anche una certa dose di fantasia politica per avviare a tempestiva soluzione, con mezzi pacifici, i problemi posti dall'ineguale distribuzione delle materie prime nel mondo.

2. Disponibilità fisica, approvvigionamento e dipendenza

a) Disponibilità fisica

Riserve e risorse. - ‛Riserve' sono le quantità complessive di minerali, metallici o non, la cui esistenza sia stata provata geologicamente e il cui sfruttamento sia economicamente conveniente, allo stato attuale della tecnologia. Il termine ‛risorse', invece, comprende tutti i giacimenti ancora da scoprire, come pure le concentrazioni di metallo provate e probabili nella crosta terrestre, che, anche se non utilizzabili attualmente, potrebbero divenire economicamente sfruttabili in futuro.

L'US Bureau of Mines (USBM) e l'US Geological Survey (USGS) hanno elaborato congiuntamente un'approfondita classificazione delle riserve e delle risorse. In particolare il concetto di ‛base di riserva' comprende le riserve in senso stretto (attualmente economiche), come pure le riserve marginalmente economiche e alcune risorse subeconomiche. Sono pertanto definiti ‛riserve' i materiali utilizzabili della base di riserva, cioè quelli che possono essere estratti o prodotti economicamente in un determinato momento (v. tab. I).

Le riserve e le risorse sono variabili influenzate da vari fattori, quali lo sviluppo tecnologico ed economico, i costi energetici, i prezzi dei metalli e, non ultimo, il successo delle esplorazioni geologiche. Pertanto il concetto di riserve (o di risorse) è un concetto dinamico. Si tratta di una nozione essenziale, da tenere ben presente quando si discute sulla durata prevista di riserve o di risorse; si può ingenerare confusione se non si fa una netta distinzione fra ‛durata Statica', che si ottiene facilmente dividendo il tonnellaggio totale delle riserve note per l'ammontare del consumo annuo corrente, ma che può risultare un po' fuorviante, e ‛durata dinamica', che richiede un calcolo molto più complesso per tener conto dei fattori sopra elencati.

La crescita delle riserve parallelamente all'aumento dei prezzi può essere illustrata dall'esempio delle riserve di uranio degli Stati Uniti (v. tab. II).

La storia degli ultimi 40 anni mostra molto chiaramente che le nuove scoperte e le nuove tecnologie hanno fatto aumentare le riserve di molti minerali a un tasso superiore a quello del loro consumo. Nel decennio 1966-1975 è stata trovata una quantità di bauxite cinque volte maggiore di quella utilizzata. Le riserve accertate dei minerali di rame si sono moltiplicate per 2,3 e quelle di bauxite per 3.

Durata delle riserve e delle risorse. - Una ricerca riguardante un certo numero dei principali minerali ha mostrato che le riserve nel 1981 erano in ogni caso, senza eccezioni, Superiori a quelle riscontrate nel 1950. Alcuni risultati sono riportati nella tab. III.

Fra i minerali le cui riserve si sono almeno raddoppiate nel periodo considerato si trovano alcuni materiali industriali di base, come i minerali ferrosi e lo zolfo, alcuni dei principali metalli di base non ferrosi (piombo, nichel, zinco) e anche alcuni dei metalli minori che sono spesso ricordati come elementi ‛chiave' strategicamente importanti per le industrie metallurgiche moderne: il cobalto, il cromo e il molibdeno. In questi ultimi tre decenni, comunque, le riserve sono state sfruttate al livello più alto mai raggiunto finora.

La tab. IV presenta due diverse misurazioni della consistenza complessiva delle riserve mondiali dei minerali più importanti. I calcoli per la durata statica sono basati sulla produzione media degli anni 1981-1982. La seconda colonna mostra il rapporto tra la domanda mondiale globale prevista fra il 1983 e il 2000 e l'insieme delle ‛riserve accertate' (riserve economiche, marginalmente economiche e subeconomiche, secondo la classificazione USBM-USGS). Il rapporto ‛dinamico' è più significativo del rapporto ‛statico' riserve/produzione, ma deve essere trattato con cautela. In effetti i dati forniti nella prima edizione dello studio di Crowson (v., 1982) erano piuttosto diversi.

Fra i metalli le cui riserve hanno una durata statica di oltre 100 anni se ne trovano alcuni di importanza strategica: il vanadio, il cromo e il cobalto. Per lungo tempo non dovrebbe esservi carenza di questi metalli per un esaurimento delle loro riserve. Per esempio, quando nel 1978 calarono gli approvvigionamenti di cobalto, l'interruzione era dovuta agli eventi politici nello Zaire, principale produttore mondiale, e non durò a lungo.

Fra i minerali le cui riserve hanno una durata statica relativamente breve (inferiore a 30 anni), ce ne sono due la cui durata sarà probabilmente allungata a causa di una diminuzione della domanda, dovuta a motivi sanitari e di inquinamento ambientale: l'asbesto e il mercurio. Per quanto riguarda lo zinco e la barite, è noto che esistono ulteriori risorse su larga scala, che potrebbero presto diventare delle riserve accertate. In questa categoria rientrano anche i due principali metalli preziosi, l'oro e l'argento, che possono essere considerati solo in parte materiali industriali.

In conclusione: ‟Non bisogna temere che le riserve si esauriscano in un prevedibile futuro. Il livello delle riserve resterà a lungo termine una funzione dell'intensità delle esplorazioni mineralogiche e dell'entità degli investimenti finanziari in questo settore" (v. Crowson, Non renewable. 1984).

Proiezioni a lungo termine. - Una previsione più audace e più complessa fu tentata da Goeller e Zucker (v., 1984) sulla base del presupposto, fra l'altro, che la popolazione mondiale raggiunga gli 8,5 miliardi nell'anno 2100 e che la scienza e la tecnologia siano in grado di mutare la condizione umana in modo imprevedibile.

La tab. V presenta le stime della domanda nel 2100, annuale e cumulativa, per 23 elementi chimici o gruppi di elementi di uso corrente (da noi selezionati fra i 60 della pubblicazione originale). La tabella dà anche le stime delle riserve e delle risorse, nonché alcune stime delle risorse ‛estese' (pari alla somma delle riserve e delle risorse totali, ivi comprese le risorse ‛ipotizzate').

Alcune stime delle risorse si accordano bene con quelle della tab. I, specialmente per il ferro, l'alluminio, il manganese, il rame, il piombo, il molibdeno, il cobalto, il niobio, l'oro e i metalli del gruppo del platino. Infine la tab. V tenta una quantificazione dell'esaurimento delle risorse nel 2100. Gli elementi sono elencati secondo l'ordine decrescente della domanda mondiale.

Secondo Goeller e Zucker: a) data l'attuale tecnologia già collaudata, si può contare fin d'ora su un approvvigionamento economico senza limiti per quel che riguarda una dozzina di elementi: azoto, ossigeno, gas nobili (eccetto l'elio), sodio, cloro, magnesio, bromo, silicio e calcio; b) si dispone già di una tecnologia parzialmente o completamente sviluppata, ma non ancora economicamente accettabile, per rendere praticamente inesauribili altri sette elementi: zolfo, idrogeno, carbonio ridotto, alluminio, gallio, ferro, potassio; c) con lo sviluppo di nuovi procedimenti che si potranno realizzare nell'arco di un secolo è probabile che altri 14 elementi raggiungeranno una condizione di approvvigionamento praticamente infinito: litio, boro, stronzio, iodio, rubidio, cromo, nichel, cobalto e metalli del gruppo del platino.

In breve, per 33 elementi, molti dei quali metalli chiave per l'industria, vi potrà essere un approvvigionamento illimitato verso il 2100. Sembra anche probabile che le risorse di uso corrente di molti degli altri elementi potranno estendersi al di là delle presenti previsioni.

Il fabbisogno di investimento di capitali (escludendo le strade, le navi e le abitazioni) si può valutare in mille miliardi di dollari per i prossimi 120 anni, ipotizzando un incremento annuo del 2% del PNL mondiale (fermo restando il valore del dollaro), ipotesi che viene considerata abbastanza realistica.

Una previsione di questo genere sarà inevitabilmente criticata, in gran parte a causa delle incertezze nelle stime delle risorse e anche perché le proiezioni della domanda sono basate - forse eccessivamente - su estrapolazioni a lungo termine del recente passato. Il suo merito principale consiste però nell'indicare dove, con più probabilità, si sentirà la maggiore necessità di nuovi processi e di sostituti, e in quale ordine.

Prospettive aggiornate per lo sfruttamento minerario degli oceani. - Poiché nelle proiezioni per il futuro si tiene oggi conto abitualmente delle risorse minerarie dei fondali marini (v. tabb. I e V), è necessario passare in rassegna le prospettive per lo sfruttamento minerario degli oceani. Dopo l'importanza data negli anni settanta al potenziale dei noduli polimetallici dei fondali d'alto mare, è in corso un processo di riesame. Un importante progresso si è avuto con la recente fissazione delle Zone Economiche Esclusive (ZEE), in seguito alla quale le nazioni costiere o insulari hanno il diritto di esclusiva sulle risorse viventi e non viventi in un'area che arriva fino a 200 miglia marine dalle loro coste. Al momento attuale una cinquantina di nazioni hanno fissato le ZEE, che sono ora oggetto di un'ampia serie di programmi esplorativi per identificare e quantificare risorse prima trascurate. Il risultato è che ora è disponibile tutta una serie di minerali del fondo marino, ognuno dei quali promette di soddisfare bisogni diversi in momenti diversi. I suddetti depositi possono essere classificati in quattro categorie: giacimenti costieri (fosforiti e giacimenti alluvionali), giacimenti idrotermali, croste ricche di cobalto e noduli polimetallici dei fondali d'alto mare.

1. Giacimenti costieri. Essi sono costituiti da fosforiti e giacimenti alluvionali e anche, appena sotto il fondo marino, da depositi di minerali simili a quelli delle coste adiacenti.

Le fosforiti sono giacimenti contenenti minerali a base di fosfati di calcio, con un tenore in fosforo fino al 14%, che possono essere usati come fertilizzanti. Quelli al largo della Nuova Zelanda e dell'Africa occidentale, vicino al Gabon e al Congo, sono molto promettenti e la relativa attività di prospezione si è sviluppata rapidamente in tutto il mondo.

I giacimenti alluvionali sono stati erosi dalle rocce della terraferma, trasportati dai fiumi verso il mare e quivi concentrati dalle onde e dalle correnti. In questo campo l'industria mineraria più importante è quella che si occupa dei giacimenti di stagno dell'Indonesia, della Thailandia e della Malaysia. Promettenti sono anche i giacimenti auriferi al largo dell'Alaska e quelli di titanio e zirconio al largo dell'India e dello Sri Lanka.

2. Giacimenti idrotermali. Solfuri di ferro, di zinco e di rame e ossidi di manganese precipitano dagli efflussi delle sorgenti idrotermali calde in prossimità dei sistemi disperdenti dell'oceano (per es. i limiti delle placche crostali divergenti, come la dorsale del medio Atlantico o il rialzamento del Pacifico orientale), generalmente in zone rialzate ('fumatori neri'); questi giacimenti possono acquisire col tempo un ruolo economico di rilievo. Quando invece il centro di dispersione è localizzato in una depressione, come nel caso dell'ormai famosa depressione Atlantide II del Mar Rosso, profonda 2.200 metri, i minerali si mescolano con sedimenti e formano i ‛fanghi metalliferi'. Le riserve di metalli accertate nella depressione centrale del Mar Rosso sono in grado di fornire 60.000 tonnellate annue di zinco e metalli associati, per un periodo di almeno 16 anni. Sono attualmente allo studio possibili sviluppi di tale progetto.

3. Croste di manganese ricche di cobalto. Questi depositi si trovano a profondità un po' inferiori (2.000 m) di quelle a cui si trovano i noduli di manganese dei fondali d'alto mare (4.500 m) e sono più ricchi di cobalto (2% circa), ma più poveri di nichel e di rame. Nell'Oceano Pacifico profondità sui 2.000 metri sono affiancate da montagne sottomarine o parti sommerse di isole: questa circostanza sta stimolando grossi lavori, particolarmente lungo la catena montuosa delle isole Hawaii, per la maggior parte sottomarina e lunga 1.500 km, che rientra tutta nell'ambito della ZEE statunitense.

4. Noduli dei fondali d'alto mare. All'inizio degli anni settanta si espresse molto ottimismo per l'utilizzazione mineraria dei noduli delle profondità oceaniche, contenenti manganese, nichel, cobalto e rame. Non si può negare che queste prospettive si sono ridimensionate e al momento attuale vi sono pochi incentivi economici al loro sfruttamento, in quanto i costi preventivati sono saliti e le ipotesi di futuri aumenti dei prezzi del nichel e del rame si sono rivelate troppo ottimistiche. Per di più va detto che le risorse dei suddetti quattro metalli reperibili sulla terraferma sono sufficienti a coprirne il fabbisogno ben al di là dell'anno 2000, in condizioni economiche normali (e presupponendo la stabilità politica dei paesi fornitori di manganese e di cobalto).

Le prospettive sono anche complicate da incertezze di carattere politico e giuridico che sorgono dai negoziati ancora in corso per la Convenzione sul diritto del mare delle Nazioni Unite. 159 paesi e la Comunità Europea hanno firmato la Convenzione, ma gli Stati Uniti non l'hanno ancora fatto e finora solo una minoranza di Stati l'ha ratificata.

Per tutte queste ragioni sembra improbabile che l'utilizzazione commerciale dei noduli venga intrapresa su vasta scala in un prevedibile futuro. Le relative operazioni minerarie potrebbero iniziare al più presto verso il 1995, ma su scala ridotta. È altamente probabile quindi che le ricerche minerarie nell'oceano durante i prossimi anni rimarranno concentrate nelle acque relativamente poco profonde delle ZEE.

b) Approvvigionamento e dipendenza; vulnerabilità e criticità

Da tutti i dati presentati in precedenza potrebbe sembrare che la ‛disponibilità' a lungo termine della maggior parte dei minerali sia o possa essere assicurata. Occorre notare, tuttavia, che l'apparente sicurezza a lungo termine non dà alcuna garanzia contro possibili interruzioni temporanee negli approvvigionamenti (si veda, È a, l'esempio del cobalto nel 1978). Molti fattori possono far scattare potenziali scarsità: calamità naturali e mutamenti politici possono influenzare la produzione, la lavorazione e il trasporto; tentativi di formare cartelli da parte dei produttori possono ostacolare la continuità degli approvvigionamenti; inoltre, contrasti fra le industrie possono influenzare la disponibilità di alcuni materiali di origine particolare.

Tutto ciò è di speciale importanza nel caso di minerali le cui riserve siano concentrate solo in pochi paesi (le cifre che seguono sono tratte da Crowson, Minerals..., 1984): 1) il solo Sudafrica detiene l'88,6% delle riserve mondiali di cromite, il 79,9% di quelle dei metalli del gruppo del platino e il 52,7% di quelle auree; 2) insieme lo Zaire (49,5%) e lo Zambia (13,1%) posseggono il 62,6% delle riserve mondiali di cobalto; 3) l'88,1% delle riserve di manganese è suddiviso fra il Sudafrica (40,7%), URSS (36,4%) e il Gabon (11,0%); 4) il 67,7%, delle riserve di bauxite si trova in Guinea (26,6%), in Australia (20,9%), in Brasile (10,7%) e in Giamaica (9,5%); 5) il 72,9% delle riserve di tungsteno si trova in Cina (37,5%), in Canada (20,5%) e nell'URSS (14,95).

L'eventualità di una possibile interruzione negli approvvigionamenti ci porta a delineare il concetto di ‛vulnerabilità'. La vulnerabilità è una funzione del rischio geopolitico, del grado di dipendenza, della bilancia commerciale e del grado di diversificazione. Più specificatamente: a) i fattori geopolitici comprendono la disponibilità fisica o geologica delle risorse e delle riserve minerali, la distanza dalle fonti di approvvigionamento e il rischio politico (affidabilità del paese produttore, formazione di cartelli); b) schematicamente, la dipendenza è il rapporto fra importazioni e consumi.

Un altro concetto è quello di ‛criticità', o vulnerabilità per quanto riguarda gli ‛usi' (la vulnerabilità in senso stretto è invece determinata da considerazioni di approvvigionamento). La criticità è misurata dalla natura e dal grado di impiego in applicazioni essenziali, siano queste civili o militari. Poiché determinati materiali sono essenziali in certe applicazioni, ma non in altre, possono sorgere difficoltà nel definire un materiale come critico. Diversi fattori concorrono a questa definizione; il primo è la sostituibilità: la criticità per un dato metallo viene aumentata dalla mancanza di sostituti per molti dei suoi usi. Il secondo fattore è il grado di recupero o di reimpiego che si può raggiungere. Ovviamente gli impieghi dissipativi, come il piombo nella benzina, sono svantaggiosi da questo punto di vista. I materiali impiegati come additivi o come costituenti minori di leghe metalliche o come rivestimenti non sono facilmente recuperabili. Entrano in gioco anche considerazioni socioeconomiche: la rigidità delle strutture e la resistenza ai cambiamenti possono rendere impossibile una sostituzione tecnicamente realizzabile.

Un importante criterio è la natura strategica del prodotto. ‟Un ‛minerale strategico' è quello per cui la quantità richiesta per usi essenziali, civili e militari, è superiore a quella ottenibile con ragionevole sicurezza dagli approvvigionamenti interni ed esterni e per il quale non sono disponibili, entro un ragionevole periodo di tempo, dei sostituti accettabili" (v. Congress of the United States, 1985).

I Rapporti al Congresso degli Stati Uniti del 1983 e del 1985 hanno segnalato che i metalli a più alta vulnerabilità e di maggiore interesse strategico per gli Stati Uniti sono il cromo, il cobalto, il manganese e i metalli del gruppo del platino. Questa conclusione è essenzialmente valida per altri paesi industrializzati, come il Giappone e i paesi della CEE. Questi metalli inoltre sono essenziali in vari usi industriali.

3. Tendenze future della domanda e del consumo

In anni recenti è diventato statisticamente evidente che il tasso di crescita della domanda per i principali metalli è in leggera diminuzione nelle nazioni industrializzate (v. tab. VI).

Un interessante approccio al problema delle previsioni è quello di Malenbaum (v., 1977). Le prospettive per la domanda sono presentate secondo due fattori: l'‛intensità d'uso' (IU) e il valore totale dei beni e servizi finali (Prodotto Nazionale Lordo, PNL). L'intensità d'uso di un dato materiale è la quantità fisica che ne viene usata per unità di PNL in un determinato periodo. L'IU del materiale i nell'anno t è quindi il rapporto

L'IU della grande maggioranza dei materiali (con l'eccezione dell'alluminio) nelle aree mondiali dove viene utilizzata la maggior parte di ogni materiale (cioè particolarmente nelle nazioni ricche) è andata diminuendo negli ultimi decenni.

Di questo andamento decrescente dell'IU si possono dare diverse spiegazioni. Esse sono essenzialmente: a) variazioni nei tipi di prodotti destinati al consumo finale; b) sviluppi tecnologici che riguardano l'intero ciclo vitale dei materiali (dalla scoperta alla distribuzione e all'uso) e nei quali sono contemplate possibili sostituzioni.

Si ritiene comunemente che si verifichino cambiamenti nella domanda quando cresce il reddito pro capite. Agli inizi del loro sviluppo i paesi tendono a concentrarsi sulle industrie di base (costruzioni, infrastrutture). Con la progressiva crescita del reddito, la domanda comincia a spostarsi verso i servizi, che tendono a consumare meno materiali: il tasso di crescita del consumo dei materiali subisce allora un rallentamento.

Come fa osservare Tilton (v., 1977), c'è un'altra possibile spiegazione per le variazioni dell'IU. I beni minerali hanno un loro ciclo vitale. Quando sono di recente introduzione, la relativa tecnologia si sviluppa rapidamente e fa ribassare i prezzi; a questo stadio è facile la conquista dei mercati da parte di materiali competitivi. Tuttavia tale vantaggio tende a ridursi col tempo, in seguito all'introduzione di nuovi materiali, e i materiali originari subiscono una diminuzione nell'uso per unità di reddito.

Secondo l'analisi di Malenbaum, che risale al 1977, l'intensità d'uso della maggior parte dei materiali tenderà a diminuire fino a raggiungere, nel 2000, un punto che si trova un 10-20% al di sotto dei recenti livelli.

Combinando le previsioni sull'IU, sul PNL pro capite e sulla popolazione totale, Malenbaum ha previsto che nel 2000 il mondo consumerà 2-3 volte più materie prime che nel 1975. La maggior parte dei rapporti, tuttavia, sono più vicini a 2 che a 3 (v. tab. VII).

I rapporti della tab. VII sono più bassi di quelli ottenuti nelle precedenti stime da Malenbaum e altri, che riportavano rapporti compresi fra 3 e 5. L'alluminio registra il rapporto più elevato, nonostante gli alti costi energetici richiesti per la sua produzione. Questo si spiega in quanto l'industria dell'alluminio ha realizzato negli ultimi anni notevoli risparmi di energia. Le cifre fornite dai maggiori istituti finanziari operanti nel settore e da vari studiosi negli anni 1981-1982 confermano questa tendenza (v. tab. VIII).

Le previsioni della domanda e dei consumi presentano tuttavia delle oscillazioni e i dati devono quindi essere presi con cautela. La tab. IX, che riporta i risultati di diversi studi sulla domanda mondiale nel 2000 di rame raffinato, conferma questa osservazione.

Consumi nei paesi in via di sviluppo. - La partecipazione delle nazioni povere al consumo mondiale complessivo di materie prime è andata crescendo costantemente dal 1950. Non solo il tasso di crescita della domanda è aumentato più rapidamente in tutte le regioni del mondo al di fuori degli Stati Uniti, ma inoltre i più elevati tassi di crescita dei consumi sono stati registrati nel gruppo delle nazioni più povere del mondo. Queste tendenze trovano conferma nella tab. X, tratta da uno studio del 1973 (v. Malenbaum, 1977).

La maggior parte della popolazione mondiale fa tuttora scarso uso di metalli. La tab. XI riporta le cifre dei consumi pro capite di tre particolari metalli in alcuni paesi. Essa illustra in maniera impressionante la disparità esistente fra la maggior parte delle nazioni industrializzate e le nazioni più povere del Terzo Mondo.

Tale disparità risulta ovvia anche dalla tab. XII, che mostra il consumo medio degli stessi tre metalli chiave nelle nazioni industrializzate e nel resto del mondo. Oltre l'80% di questi metalli viene consumato dal 30% della popolazione mondiale.

Non c'é dubbio che nei paesi afflitti da bassi standard di vita e di salute ci sia il desiderio di elevare questi standard e di raggiungere i livelli di una società consumistica. Ciò comporterà, fra l'altro, un aumento del consumo di metalli, dato che i metalli sono la base per la fabbricazione di attrezzature, per la costruzione di infrastrutture e per la produzione di mezzi di trasporto. La tendenza delineata nella tab. X continuerà, probabilmente, nei prossimi decenni, come è illustrato, per esempio, dalle proiezioni della domanda riportate nella tab. XIII.

4. Prospettive di impiego dei materiali

a) L'importanza dei materiali

Materiali come la pietra, il rame, il bronzo e il ferro sono stati fattori essenziali della passata evoluzione dell'uomo. In effetti molti studiosi considerano i materiali come uno stimolo fondamentale per lo sviluppo della civiltà. Per esempio, il declino delle prime civiltà mediorientali viene ascritto da alcuni storici a una diminuzione del contenuto di stagno nel bronzo. E come avrebbe potuto sopravvivere e progredire l'uomo primitivo senza la selce da cui intagliare i suoi utensili e le punte delle frecce?

Non c'e nulla di particolarmente nuovo, quindi, nel riconoscimento dell'importanza dei materiali per la società. Oggi, tuttavia, la pressione esercitata dall'evoluzione delle tecnologie ha stimolato una rinnovata riflessione sull'argomento.

‟I materiali sono oggi riconosciuti come una delle ‛risorse fondamentali' del genere umano, allo stesso livello dello spazio vitale, del cibo, dell'energia e della conoscenza umana [...]. I materiali sono visti come elementi di una vasta rete connettiva che lega nazioni, economie e popoli non soltanto tra loro, ma anche con la vera e propria ‛sostanza della natura' ". (M. Cohen, cit. in Hondros, 1986).

I materiali non sono in se stessi dei prodotti finali. Come è stato fatto notare da Hondros (ibid.) e da altri, essi devono essere considerati come il fattore abilitante che consente sviluppi futuri in diverse applicazioni industriali, quali i veicoli a motore, i prodotti aerospaziali, le costruzioni navali, le ferrovie, l'elettronica, la telematica, l'edilizia, la produzione di energia, l'ingegneria civile e il settore biomedico.

Per illustrare la crescente consapevolezza della criticità dei materiali si può citare da Hondros (ibid.) un'indagine effettuata di recente in Giappone allo scopo di raccogliere indicazioni, fornite da persone qualificate, sulle misure necessarie per far fronte alle richieste future in fatto di energia, di industria, di risorse naturali e di ambiente. Nella tab. XIV sono elencate alcune delle innovazioni che, secondo l'indagine, presentano un'alta probabilità di essere realizzate. Tutti i progressi e le tecnologie citate dipendono dagli sviluppi nel campo dei materiali: ancora una volta, il ‛fattore abilitante'. Il passaggio critico nella progettazione delle attrezzature per lo sfruttamento minerario delle profondità marine, per la realizzazione del reattore a fusione, per la sostituzione di organi umani o per lo sviluppo di fotocellule solari di grandi dimensioni sarà l'avvento dei relativi materiali ‛di base'.

Mentre questo secolo si avvia alla fine, sarà indispensabile un progresso nelle scienze dei materiali per aiutare a risolvere molti problemi che assillano i paesi industrializzati: l'uso razionale delle materie prime e dell'energia, la riduzione e la prevenzione dell'inquinamento e della produzione di rifiuti, la creazione di occupazioni più stabili e più gratificanti e una sopravvivenza effettiva dell'industria.

Per quanto riguarda l'uso razionale dell'energia, le implicazioni degli sviluppi riguardanti i materiali sono sia dirette che indirette. Per esempio, nuovi materiali in grado di operare ad altissime temperature possono accrescere l'efficienza della produzione di energia, mentre l'uso di materiali più leggeri per i trasporti contribuirà a un risparmio energetico.

In paesi come gli Stati membri della Comunità Europea, l'industria deve affrontare la sfida di una dura concorrenza sui mercati mondiali, specialmente da parte degli Stati Uniti, del Giappone e di altri paesi in rapido sviluppo dell'Estremo Oriente. Conservare la competitività è considerato in questi casi una necessità vitale. Le vie per ottenere tale risultato sono il miglioramento della qualità dei prodotti e il contenimento dei costi di produzione. Quest'ultimo obiettivo richiede sia la comparsa di materiali avanzati completamente nuovi, sia il miglioramento dei materiali più convenzionali.

b) Tendenze degli impieghi dei materiali

Nessuno potrà negare che sono in corso profondi cambiamenti nell'impiego dei materiali, specialmente nei paesi industrializzati. Oggi viene usato meno materiale per unità di prodotto o per un dato prodotto, come viene sinteticamente espresso nella frase ‟fare di più con meno". Esempi lampanti si potevano citare già 10 anni fa: un aereo a reazione da 200 tonnellate, che supera la capacità annua di trasporto passeggeri di un transatlantico da 85.000 tonnellate quale il Queen Elizabeth Il, o un satellite per comunicazioni da 1/4 di tonnellata che offre più prestazioni di 150.000 tonnellate di cavi transoceanici. Per un aereo a elica, con cabina pressurizzata, occorrevano 2 kg di materiale per passeggero-km, contro gli 0,8 kg occorrenti per il Boeing 707 e gli 0,4 kg per il Concorde: ma, certo, l'esempio più ovvio che oggi viene in mente è quello della sempre crescente miniaturizzazione dei calcolatori elettronici.

Si sta anche verificando un cambiamento qualitativo, con materiali che vengono fatti ‛su misura' per soddisfare le esigenze degli ingegneri, specialmente per le applicazioni di alta tecnologia.

Un importante fattore di questa evoluzione è il crescente sviluppo del settore della metallurgia delle polveri. Mentre fino a poco tempo fa le tecniche di preparazione differivano spesso notevolmente secondo i diversi materiali, la metallurgia delle polveri si sta evolvendo in una tecnica di rifinitura, economicamente efficiente, comune alla maggior parte dei materiali, sia nuovi che tradizionali.

La ‛corsa dei materiali'. - Durante il XIX secolo e fino alla prima guerra mondiale la tecnologia dei materiali è rimasta sostanzialmente invariata. I materiali disponibili erano relativamente pochi: il ferro, l'acciaio, la ghisa, poche leghe a base di acciaio, il cuoio, il vetro e il legno. Contrariamente a quanto è avvenuto in precedenza, le nuove tecnologie hanno ora aperto la strada alle leghe leggere, alle materie plastiche, ai materiali compositi e alle ceramiche industriali, col risultato di una varietà e qualità senza precedenti di materiali disponibili, in attiva concorrenza, quindi, fra loro. Ogni famiglia di nuovi materiali è ora impegnata in una corsa apparentemente senza fine per conquistare i mercati o per difendere, attraverso le innovazioni, le posizioni tradizionali. Vale la pena a questo punto di sottolineare il fatto che la concorrenza non è, o non dovrebbe essere, fra materiali ‛convenzionali' da un lato e materiali ‛avanzati' dall'altro. Entrambi debbono coesistere e in effetti possono essere considerati come complementari. Il materiale avanzato di oggi potrebbe diventare un materiale tradizionale in futuro. Del resto, se si guarda all'intero scenario mondiale, e particolarmente ai paesi in via di sviluppo densamente popolati, è evidente che le infrastrutture di base (abitazioni, trasporti) richiederanno ancora per lungo tempo quantità sempre crescenti di materiali tradizionali, come l'acciaio e altre leghe, l'alluminio e i cementi (v. tab. XIII).

Bisogna anche ricordare che il ferro è il metallo più importante e meno costoso. La domanda di ferro supera di molto quella di tutti gli altri metalli messi insieme. Sotto il profilo economico il ferro non ha sostituti e la sua disponibilità materiale è assicurata per secoli. Per quanto riguarda poi l'alluminio, esso è, dopo il ferro, il metallo maggiormente utilizzato. Inoltre è il metallo la cui domanda presenta il più alto tasso di crescita e per il quale le risorse sono praticamente illimitate.

La concorrenza fra i nuovi materiali è particolarmente attiva nell'industria dei trasporti (aerei, automobili e ferrovie), per la quale il fattore economico viene al primo posto. Le tabb. XV e XVI forniscono le previsioni per l'industria automobilistica e quella aerospaziale verso il 2000.

Per i principali sottogruppi di materiali la situazione può essere riassunta come segue.

1. Ferro, acciaio, ghisa e derivati. Nell'industria dei trasporti questi materiali hanno indubbiamente perso terreno a favore di altri più nuovi. Nonostante ciò, le prospettive non sono affatto disperate purchè venga fatto uno sforzo innovativo, come è stato messo in evidenza, fra l'altro, dal regresso dello stampaggio a parete sottile nell'industria automobilistica. La metallurgia delle polveri, per esempio, potrebbe costituire un fattore di rinnovamento.

In effetti, sviluppi recenti hanno portato a grandi progressi, grazie al miglioramento delle proprietà delle leghe esistenti e alla realizzazione di nuove composizioni. Acciai di alta resistenza e a basso tenore di lega (un miglioramento degli acciai dolci contenenti tipicamente lo 0,02% di niobio, talvolta con quantità equivalenti di vanadio o di titanio e a ridotto contenuto di carbonio) vengono ora utilizzati per importanti applicazioni, ad esempio tubazioni saldate per gas, ponti, piattaforme marine. Nel settore automobilistico consentono anche notevoli riduzioni di peso degli autoveicoli.

Altri miglioramenti vengono registrati in altri tipi di acciai, relativamente poveri di carbonio, che contengono nichel e altri elementi come l'alluminio, il molibdeno e il titanio; questi acciai sono impiegati nella produzione di aeromobili e negli impianti di arricchimento dell'uranio.

2. Metalli leggeri e loro leghe. L'alluminio, il magnesio e il titanio sono metalli importanti per le applicazioni ingegneristiche del futuro, principalmente perché possono essere usati per ridurre il peso di componenti e di strutture.

Grazie al favorevole rapporto tra proprietà meccaniche e peso specifico e al costo di produzione ragionevolmente basso, l'alluminio occupa una posizione speciale nelle industrie che operano nel settore dei trasporti: ha perso un po' di terreno a favore del titanio e dei materiali compositi nel settore aeronautico e aerospaziale, ma si registra la tendenza opposta nel settore automobilistico.

In effetti le prospettive globali per l'alluminio sono incoraggianti (v. tabb. VII e VIII). A prescindere dalle specifiche proprietà del metallo e dall'abbondanza di materia prima, una ragione importante consiste nella possibilità di riciclare l'alluminio dai rottami usando molto meno energia - solo il 5% - di quella necessaria per la sua produzione primaria.

Per rendere l'alluminio sempre più competitivo, l'industria dovrà abbassare i costi di produzione (minor consumo di energia), migliorare le proprietà meccaniche delle leghe ad alta temperatura e sviluppare la metallurgia delle polveri per nuove leghe (Al-Li e Al-Ca).

Il magnesio è il metallo più leggero (peso specifico 1,74) usato a scopi strutturali. Le sue leghe sono più difficili da fabbricare di quelle dell'alluminio: viene utilizzato principalmente nell'industria dei trasporti in generale e in quella aerospaziale in particolare; tuttavia i costi relativamente elevati della sua produzione hanno precluso finora una sua più ampia utilizzazione nella produzione dei veicoli di serie, dove pure avrebbe potuto consentire significative riduzioni di peso e quindi risparmi di energia.

Il titanio presenta due vantaggi: un buon rapporto tra prestazioni e peso, e un alta resistenza alla corrosione. Le applicazioni nell'industria aerospaziale assorbono circa l'80% della produzione; la parte restante viene usata principalmente nell'industria chimica.

Nonostante alcune eccezionali proprietà e l'utilizzazione intensiva - in particolare nel settore militare -, le leghe del titanio conosciute risultano ancora prive di un certo numero di requisiti desiderabili, in particolare presentano una tolleranza limitata a temperature di esercizio relativamente basse (~ 550 °C). Per migliorarne la competitività rispetto ad altri materiali, e in particolare a quelli compositi, è necessario quindi un lavoro di ricerca rivolto all'ottimizzazione dei costi di produzione e dei metodi di trasformazione e alla creazione di nuove leghe con alte prestazioni, realizzate utilizzando la metallurgia delle polveri. Per estenderne poi le applicazioni a campi diversi dall'aeronautica e dalla chimica sarà necessaria anche una forte riduzione dei costi di produzione.

3. Nichel. La necessità di prestazioni e di rendimenti effettivi di massimo livello delle turbine a gas fornisce l'incentivo a progettare materiali resistenti alle alte temperature. Le prospettive migliori sono offerte dalle leghe del nichel (con Cr o Ti-Al).

4. Ceramiche tecniche. I materiali ceramici si presentano vantaggiosi per la loro inerzia chimica, la loro bassa densità, il loro alto punto di fusione, il loro alto modulo elastico e la loro durezza. Come i materiali compositi (v. sotto, punto 5), essi consentono di realizzare materiali e componenti ‛su misura', e riducono il consumo di metalli industriali chiave anche se, sfortunatamente, sono per loro natura fragili.

Le ceramiche tecniche possono essere classificate in base ai materiali di cui sono costituite e agli usi cui sono destinate. Per quel che riguarda i materiali si distinguono gli ossidi ad alto grado di purezza (allumina, ossido di zirconio, ecc.), i non ossidi (carburi, boruri, nitruri, siliciuri, ecc.) e le ceramiche composite. Di particolare importanza è la famiglia degli ossidi di metallo in lega con nitruro di silicio, Si-Al-ON, di recente realizzazione. Gli usi cui tali ceramiche sono destinate si dividono in: a) termomeccanici (carburi, nitruri, Si-Al-ON): materiali per alte temperature e/o ultraduri per motori, lame di turbina, strumenti da taglio, ecc.; b) elettronici, elettrici e magnetici: materiali per filtri piezoelettrici, semiconduttori, magneti, ecc.; c) nucleari: materiali per rivestimenti di reattori, ecc.; d) ottici: materiali per diodi laser, cavi per comunicazioni ottiche, ecc.; e) chimici e biologici: materiali per scambiatori di calore, supporti di catalizzatori, ossa e denti artificiali, ecc.

5. Polimeri e materiali compositi. Questi materiali hanno già riscosso un notevole successo. Loro qualità intrinseche sono: il basso prezzo delle materie prime; la possibilità di migliorarne i componenti tramite modellatura; nessuna possibilità di rifinitura; la fabbricazione in serie su larga scala; la possibilità di automatizzarne la produzione.

I compositi si ottengono combinando due o più materiali, di modo che le proprietà ottenute sono superiori a quelle dei singoli componenti (un prototipo è il cemento armato). I compositi attualmente importanti sono i laminati, le schiume e le strutture ‛a sandwich'. Si può prevedere una crescente attenzione per i compositi caricati con fibre (o rafforzati con fibre). Questi materiali sono impiegati, e probabilmente continueranno a esserlo, nella costruzione di strutture, anche se meritano di essere studiate altre utilizzazioni, per esempio nel settore dei conduttori elettrici, nonostante le difficoltà tecniche.

Il campo dei compositi è in realtà uno di quelli da cui ci si può aspettare uno sviluppo considerevole. Nuove varietà di compositi realizzate utilizzando matrici metalliche, di ceramica o di vetro, allargheranno considerevolmente i campi di applicazione dei compositi ad alte prestazioni, in particolare per utilizzazioni a temperature elevate.

Quanto ai polimeri, essi offrono grandi possibilità di migliorare i prodotti tradizionali. Una prospettiva molto interessante è fornita dalla combinazione di differenti polimeri, analogamente a quanto avviene nel caso delle leghe, allo scopo di ottenere proprietà differenti. Una classe di nuovi polimeri ha proprietà semiconduttrici e si presta a molteplici applicazioni nell'industria elettronica, in particolare nel campo dei calcolatori e dell'elaborazione dei dati.

c) Sostituzione di materiali

La possibilità di sostituire un materiale relativamente raro e costoso con un altro più facilmente disponibile o capace di migliori prestazioni viene spesso presentata come uno dei principali sviluppi delle future tecnologie dei materiali, specialmente perché può contribuire a ridurre le difficoltà degli approvvigionamenti.

Il problema della sostituzione è spesso più complesso di quanto non venga suggerito dalla generica definizione data sopra. Talora, come nel caso del cromo, metallo di costo relativamente basso, la sostituzione deriva dalla preoccupazione di possibili interruzioni negli approvvigionamenti. In pratica, elemento decisivo per la sostituzione, almeno nell'economia di libero mercato, è la competitività dei costi, anche se occorre trovare un compromesso tra un certo numero di fattori tecnici, economici o di altro tipo, come la preferenza del consumatore e gli effetti sull'ambiente.

L'esempio del rame e dell'alluminio è istruttivo. L'alluminio ha una buona conducibilità termica ed elettrica ed è il più economico tra i due metalli; d'altro canto il rame può essere saldato molto più facilmente con altri metalli. Il risultato è che l'alluminio ha riscosso un certo successo sul mercato dei conduttori elettrici, mentre ha avuto molto meno successo, nella concorrenza col rame, come materiale per la costruzione di radiatori per automobili, poiché le difficoltà nella saldatura comportano costi di fabbricazione più alti. Nel 1974, quando la differenza di prezzo tra il ferro e l'alluminio era di 1.000 sterline la tonnellata, vi fu una certa propensione all'uso dell'alluminio per i conduttori elettrici, nonostante i vantaggi tecnici del rame. Solo un anno dopo, la differenza di prezzo si ridusse a 200 sterline la tonnellata annullando in larga misura l'incentivo all'uso dell'alluminio.

È importante comunque non dimenticare che: a) la sostituzione spesso porta, in pratica, a un'espansione in campi nuovi piuttosto che al semplice rimpiazzo di un materiale; b) ogni nuovo materiale può sostituirne uno vecchio solo in determinate applicazioni; c) è impossibile quindi, per un nuovo materiale, essere superiore sotto tutti gli aspetti a uno già affermato.

Il risultato della concorrenza tra i materiali e degli sforzi per promuovere l'uso di nuovi materiali è che i produttori di materiali più tradizionali sono stimolati a difendere i loro mercati e a rendere i loro prodotti più competitivi rispetto ai costi. Anche se la sostituzione non riesce, alla fine il consumatore si vedrà offerto un prodotto più economico o migliore. Un caso del genere si è verificato, per esempio, nella costruzione delle lattine per bibite, dove la banda stagnata continua a resistere alla concorrenza dell'alluminio e dell'acciaio senza stagno.

Da queste osservazioni risulta chiaro che la sostituzione deve essere considerata con oculatezza e che non bisogna contare troppo su di essa nelle proiezioni per il futuro.

d) Prospettive future

Lo scenario attuale per lo sviluppo dei materiali è piuttosto confuso. Negli ultimi 10 anni la ricerca ha prodotto una tale abbondanza di nuovi materiali che l'industria non sa proprio come far fronte a questa situazione: tuttavia non tutte le soluzioni prospettate sopravviveranno e occorre quindi essere cauti.

Gli equilibri passati sono stati rotti; si sta verificando una corsa cieca verso il futuro e non è dato prevedere un nuovo periodo di equilibrio né a breve né a medio termine. Questa situazione è causa di serie preoccupazioni e ci si può chiedere se l'industria non dovrebbe cercare di consolidare la nuova tecnologia già esistente piuttosto che continuare a sviluppare nuovi materiali al ritmo attuale. Alla fine si dovrà raggiungere un compromesso tra questi due scenari alternativi.

5. Approcci tecnologici per ridurre la vulnerabilità da importazione; l'esempio di quattro materiali strategici

Una strategia per ridurre la necessità di affidarsi a fonti poco sicure di approvvigionamento di metalli strategici dovrebbe combinare tre approcci tecnologici rivolti a: I) aumentare e diversificare gli approvvigionamenti, ricercando nuovi depositi e migliorando le tecniche di preparazione del minerale per rendere sfruttabili depositi subeconomici, sia nel paese preso in considerazione (se possiede il potenziale geologico necessario) sia altrove; 2) ridurre la domanda migliorando i processi di fabbricazione e ricidando i metalli strategici dai rottami e dagli scarti; 3) identificare materiali sostitutivi per le applicazioni correnti e sviluppare, per applicazioni future, nuovi materiali con un contenuto ridotto del metallo strategico.

Non esiste un'unica soluzione ai problemi sopra elencati. Per esempio, la sostituzione è molto importante per ridurre la vulnerabilità nel caso del cromo, ma non esiste un sostituto adeguato del manganese nelle sue applicazioni principali. Il riciclaggio è importante per il platino e il cobalto, mentre lo è molto meno per il manganese.

Tutti gli approcci richiedono poi un impegno continuo, sia che si tratti di far passare i nuovi materiali dal laboratorio allo sfruttamento industriale, sia che si tratti d'incoraggiare gli investimenti in nuove miniere, in attrezzature per l'elaborazione, in nuove tecniche.

Il successo richiede infine un sostegno lungo e continuato da parte dei governi, dei centri di ricerca e delle industrie per la ricerca di base nei campi dell'ingegneria e della scienza dei materiali.

Per dimostrare queste affermazioni si procederà a un esame piuttosto dettagliato della situazione di quattro metalli d'interesse strategico (v. cap. 2, § b).

a) Cromo

Produzione e usi principali. - Una percentuale schiacciante delle riserve mondiali di cromo si trova in Sudafrica e nello Zimbabwe. La cromite però (il minerale del cromo) è prodotta in larga parte, oltre che dal Sudafrica, anche dall'URSS, seguita dall'Albania (v. tab. XVII). Dei quattro principali produttori di acciaio (URSS, Stati Uniti, Giappone, Comunità Europea), l'URSS è l'unico che soddisfi le sue necessità di cromite con risorse nazionali.

Il cromo è il più importante elemento per le leghe, accresce la durezza dell'acciaio e ne aumenta la forza e la resistenza all'ossidazione, al calore e al logoramento; combinato col nichel, col cobalto, coll'alluminio o col titanio, in superleghe, offre una resistenza eccezionale alla corrosione e all'ossidazione. Altrettanto essenziali, anche se comportano minori consumi di materiali, sono: a) l'uso della cromite per i materiali di rivestimento refrattari nelle fornaci per la fabbricazione dell'acciaio; b) l'uso della sabbia di cromite per le colate nelle fonderie; c) l'uso dei composti del cromo per pigmenti, concia del cuoio, catalizzatori e conservanti del legno.

Campi di sviluppo tecnologico. - Spesso è difficile fare prospezioni per quanto riguarda la cromite; si rendono quindi necessari progressi nella tecnologia esplorativa, in particolare nelle tecniche geofisiche. A lungo termine, una migliore comprensione dei processi geologici e geochimici che formano i giacimenti potrebbe aiutare i ricercatori. Esiste quindi un potenziale considerevole in questo settore, come si è già evidenziato nella tab. I.

Si ritiene comunemente che non vi siano sostituti economici adeguati del cromo per produrre acciaio inossidabile. In realtà, il basso costo delle leghe del cromo scoraggia l'uso di sostituti e occorrono ulteriori esperimenti per valutarne il potenziale. Inoltre, non vi è un unico materiale sostitutivo che possa servire in tutte le applicazioni in cui viene oggi utilizzato l'acciaio inossidabile. Le possibilità tipiche sono: il nichel o lo zinco per la protezione dalla corrosione del ferro e dell'acciaio (ma a costi più elevati); il nichel, il cobalto, il niobio o il molibdeno per le proprietà di resistenza al calore delle leghe dell'acciaio; il ferro per i pigmenti; l'alluminio, il rame, il titanio e le materie plastiche per molte applicazioni dell'acciaio inossidabile; la magnesite nei refrattari.

Le tecniche di riciclaggio degli scarti di lavorazione sono già oggi a un livello elevato, ma esistono notevoli possibilità di aumentare il recupero del cromo dai rottami di acciaio inossidabile obsoleti e dai cascami prodotti nella fabbricazione dell'acciaio e negli impianti chimici. Gli ostacoli sono più economici che tecnici. Si è visto che è recuperabile anche il cromo degli scarti dell'industria della concia del cuoio.

Materiali avanzati (ceramiche, compositi e nuovi materiali metallici) possono sostituire le leghe del cromo in certe applicazioni aerospaziali e industriali, ma occorre ancora un notevole lavoro per conoscere le proprietà e i limiti di questi materiali.

b) Cobalto

Produzione e usi principali. - Il cobalto viene generalmente ottenuto come sottoprodotto dell'estrazione del nichel o del rame: del rame nello Zaire e in Zambia, del nichel e del rame in Canada e Botswana, del nichel a Cuba e nelle Filippine; solo in Marocco viene estratto in quanto tale (v. tab. XVII). L'ampia distribuzione dei minerali contenenti cobalto consente di ricorrere a diverse fonti di approvvigionamento, per ridurre la vulnerabilità da importazione, contrariamente a quanto avviene nel caso dei metalli del gruppo del cromo, del manganese o del platino. L'estrazione delle risorse oceaniche, come già si è accennato, è solo una prospettiva lontana.

Gli usi più critici del cobalto sono quelli che lo vedono impiegato come additivo in alcune superleghe resistenti al calore e alla corrosione, come legante in parti di utensili costituite di carburo e come componente di alcune leghe magnetiche. Il cobalto è contenuto anche nei catalizzatori usati per il raffinamento del petrolio e per la fabbricazione di prodotti chimici.

Campi di sviluppo tecnologico. - Il riciclaggio potrebbe far recuperare dai rottami e dagli scarti molto del cobalto che viene usualmente perso o degradato. Grandi quantità di rottami di fabbricazione si ricavano dalla lavorazione delle superleghe nell'industria aeronautica. Tecnologie più efficienti - quasi a forma di reticolo - per la fabbricazione di superleghe dalle polveri potrebbero anch'esse ridurre la vulnerabilità da importazione.

Non vi sono sostituti efficaci per i principali usi del cobalto. La maggior parte dei metalli che possono venir utilizzati sono anch'essi materiali strategici e comportano problemi analoghi. La linea di tendenza va verso una riduzione piuttosto che verso un'eliminazione del cobalto nelle leghe: per esempio, il contenuto di cobalto di alcune superleghe usate normalmente nei motori aerei potrebbe essere ridotto di circa il 50% o più grazie all'uso di nuove leghe basate sul nichel. Altri potenziali sostituti comprendono il nichel e le ceramiche nella fabbricazione dei macchinari (tipo gli strumenti da taglio) e dei motori jet, o materiali metallici avanzati resistenti alle alte temperature. Una nuova prospettiva è rappresentata dalla possibile sostituzione del cobalto con ferrite di ferro-neodimio-boro in magneti ad alte prestazioni.

c) Manganese

La produzione mondiale di manganese è dominata da un numero limitato di giacimenti molto grandi che, a causa delle loro considerevoli riserve e del loro alto tenore in manganese, sono molto economici da sfruttare. Le produzioni maggiori sono di gran lunga quelle del Sudafrica - che possiede anche le più grandi risorse minerarie mondiali su terraferma - e dell'URSS, seguite da quelle del Gabon, dell'India, del Brasile, della Cina e dell'Australia (v. tab. XVII). È improbabile che questa situazione cambi, almeno per i prossimi quattro decenni. I progetti per l'estrazione dal fondo marino sono stati rinviati.

Circa il 90% della produzione di manganese viene utilizzato nell'industria dell'acciaio. L'aggiunta di manganese è il sistema economicamente più competitivo per aumentare la durezza, la tenacità, la resistenza alla corrosione e al logoramento dell'acciaio. Le leghe del manganese con il nichel, con il rame, con l'alluminio, con il magnesio e con il silicio, conosciute per l'alta resistenza alla corrosione e l'elevata resistenza meccanica, vengono utilizzate nelle industrie chimiche, elettriche e meccaniche. La conservazione delle risorse poggia soprattutto sui miglioramenti della tecnologia di produzione dell'acciaio. Non vi sono sostituti economici adeguati del manganese nella fabbricazione dell'acciaio, e questa è la ragione principale per la quale i paesi industrializzati, che sono privi di giacimenti di manganese, considerano questa materia prima come altamente Strategica.

d) Metalli del gruppo del platino, MGP (platino, palladio, rutenio, rodio, indio, osmio)

Produzione e usi principali. - Oltre il 90% della produzione mondiale di MGP è dovuta all'Unione Sovietica e al Sudafrica, mentre la maggior parte del restante 10% proviene dal Canada o è recuperata come sottoprodotto dal rame e dal nichel (v. tab. XVII).

MGP sono usati principalmente nella lavorazione di gioielli e come catalizzatori nella raffinazione del petrolio e nella fabbricazione di materie plastiche. Una nuova consumatrice di platino, palladio e rodio, d'importanza crescente, è l'industria automobilistica, che utilizza questi metalli nei convertitori catalitici per ridurre le emissioni di gas inquinante. Gli Stati Uniti si sono dati fin dal 1974 dei livelli massimi legali di emissione dei gas di scappamento così bassi da rendere necessario l'uso di convertitori catalitici; il Giappone ha fatto lo stesso verso la metà degli anni settanta e la Comunità Europea, nel 1985, ha imposto una regolamentazione per gli autoveicoli più grandi. È prevedibile che questa tendenza a prendere provvedimenti contro l'inquinamento atmosferico continui e sia accompagnata da un rilevante aumento della domanda di MGP per uso automobilistico.

MGP sono inoltre largamente usati nelle industrie elettriche, elettroniche e delle telecomunicazioni (una nuova applicazione interessa il settore delle pile a combustibile) e svolgono un ruolo essenziale nelle industrie belliche e aerospaziali.

Campi di sviluppo tecnologico. - Si ritiene che le risorse mondiali di MGP siano almeno pari a oltre 20 volte la domanda di metallo primario calcolata per il periodo 1981-2000, e che potrebbero essere quasi infinite (v. tab. V).

Ciò nonostante, la scoperta e lo sviluppo di ulteriori importanti riserve sfruttabili dipenderanno in ampia misura, come nel caso del cromo, dai progressi nei controlli geologici e geochimici dei giacimenti di MGP e dai miglioramenti nelle tecniche di prospezione, così come in quelle del trattamento dei minerali.

L'attuale lavoro di ricerca e di sviluppo, in particolare nella Comunità Europea, sta ampliando la gamma degli ambienti geologici in cui possono essere trovate concentrazioni significative di MGP.

Il platino contenuto nei catalizzatori industriali viene già largamente riciclato; il recupero di vari MGP (principalmente platino, palladio e rodio) da rottami elettronici e da convertitori catalitici di vecchi autoveicoli è invece meno diffuso, ma entro il 1995 anche questa fonte di riciclaggio potrebbe crescere d'importanza.

Le maggiori possibilità di sostituzione si hanno nei componenti elettronici. Oro, argento e tungsteno sono sostituti nelle apparecchiature elettriche (la scelta dipende dai prezzi relativi); i materiali ceramici possono essere dei sostituti in odontotecnica. Le terre rare, il nichel, il vanadio e il titanio sono possibili sostituti nei catalizzatori, ma normalmente con penalizzazioni in fatto di costi e di efficienza: l'elevata efficienza e la lunga durata dei catalizzatori di platino li rende difficili da rimpiazzare. Normalmente è più facile sostituire un MGP a un altro, specialmente nelle leghe, che usare materiali alternativi.

6. Ricerca e sviluppo negli Stati Uniti, in Giappone e nella Comunità Economica Europea

Un problema cruciale per le economie dei paesi industrializzati è quello della disponibilità e dell'approvvigionamento di materiali nel futuro. La maggior parte degli studiosi insiste sul fatto che la tecnologia, avendo adeguati incentivi all'innovazione, è capace di far fronte alla sfida: verranno trovati nuovi giacimenti; le risorse saliranno al rango di riserve; si promuoverà un uso razionale dei materiali sia riducendo gli sprechi, sia attraverso i progressi della scienza dei materiali, con importanti benefici collaterali in termini di consumo di energia e di tutela dell'ambiente. Nel capitolo precedente sono stati delineati alcuni tra i probabili o prevedibili sviluppi tecnologici relativi a vari metalli strategici. Governi e industrie delle nazioni sviluppate sono giunti a condividere la tesi dell'importanza fondamentale dell'innovazione tecnologica e stanno stanziando somme di denaro considerevoli per i programmi di ricerca e di sviluppo.

Nei paesi insufficientemente dotati di risorse minerarie la riduzione della vulnerabilità da importazione rappresenta un obiettivo essenziale: si vedrà ora attraverso quale approccio tecnologico i paesi più avanzati cercano di raggiungere questo risultato.

Stati Uniti. - Poco prima dell'elezione del presidente Reagan, nel 1980, il Congresso aveva votato la National materials and minerals policy, R & D act, legge che sottolineava l'importanza delle attività di ricerca e sviluppo rispetto a tutti gli stadi del ciclo dei materiali (dalla prospezione all'estrazione del minerale, fino al riciclaggio e alla distribuzione). La legge riguarda tutti i materiali, anche i materiali strategici e altri per i quali gli Stati Uniti non dipendono dalle importazioni.

La spesa per la ricerca riguardante i metalli strategici e critici è stata aumentata da 11 milioni di dollari nel 1981 a 25,7 milioni nel 1983 ed è rimasta a questo livello nel 1984. Si tratta di somme stanziate per l'innovazione dei processi di estrazione del cobalto, dei metalli del gruppo del platino, del titanio, della fluorite e dei fosfati da minerali a basso tenore, nonché per finanziare il riciclaggio e per la raccolta di dati sulla sostituzione dei minerali strategici. Ciò che sta emergendo è una tecnologia per casi di emergenza o d'interruzione degli approvvigionamenti.

Nella National critical materials act, del 1983, la Camera dei rappresentanti degli Stati Uniti ha raccomandato di ‟mettere a punto un programma nazionale federale per la ricerca e la tecnologia riguardanti i materiali avanzati e per stimolare l'innovazione e l'utilizzazione della tecnologia nelle industrie dei materiali sia di base che avanzati". Esistono inoltre programmi particolari, diretti da enti come la NASA e il National Bureau of Standards, o da ministeri, come quelli della Difesa, dell'Energia, dell'Interno e del Commercio.

Il Governo Federale spende circa un miliardo di dollari all'anno per le ricerche sui materiali, mentre l'industria privata vi contribuisce probabilmente in misura anche maggiore. L'industria americana è altamente dinamica e si è impegnata attivamente nel campo dei materiali innovativi investendovi quantità considerevoli di risorse umane e materiali. Vengono costantemente ricercati nuovi impieghi per questi materiali avanzati, col risultato che l'innovazione tecnologica è praticamente automatica. Per ottenere l'uso più efficace di questo attacco concentrato al problema dei materiali, il Governo Federale ha anche istituito, all'Università di Berkeley, un centro di studio e sperimentazione dei materiali dotato di attrezzature d'avanguardia.

Giappone. - Il Giappone non ha praticamente risorse nazionali di metalli importanti, perciò la realizzazione di materiali avanzati è uno degli interessi primari dell'attività giapponese di ricerca e sviluppo. Il programma relativo ai materiali mosse i suoi primi passi all'inizio degli anni settanta, ma sta ora costantemente guadagnando d'importanza, grazie al coordinamento sistematico di tutte le forze creative disponibili diretto dal Ministero del Commercio e dell'Industria (MITI). Individuando un certo numero di settori vitali e adottando in questi settori un approccio pragmatico, il Giappone è riuscito a diventare il principale produttore mondiale di ceramiche industriali per l'elettronica e per motori avanzati, il secondo produttore mondiale di titanio (alla pari con gli Stati Uniti), di componenti elettronici e per l'elaborazione dei dati, e di fibre di carbonio.

Nel 1981 il MITI ha sottoposto a revisione il suo programma relativo ai materiali, allo scopo di sostenere la tecnologia avanzata nelle industrie di cui si prevede la crescita negli anni novanta. Questo programma decennale, che comporta stanziamenti annui per circa 300 milioni di dollari, ha riunito specialisti della ricerca pura provenienti dalle università e specialisti della ricerca tecnologica provenienti dall'industria, il cui coordinamento è stato organizzato con ottimi risultati. Il programma è incentrato sui materiali avanzati per i quali si prevedono maggiori applicazioni nel prossimo futuro: per esempio, leghe a cristallizzazione controllata, polimeri conduttori elettrici, polimeri cristallini di alta qualità, semiconduttori, ceramiche industriali.

Comunità Economica Europea (CEE). - Dopo la crisi energetica del 1973-1974, gli Stati membri della CEE sono divenuti consapevoli del loro alto grado di dipendenza dall'estero per molte materie prime importanti. Per fornire almeno una risposta parziale a questa situazione furono varati o intensificati programmi nazionali di ricerca e sviluppo, ma si sentì anche la necessità di programmi comuni, visti gli evidenti vantaggi che si ottengono nel condurre la ricerca a livello internazionale. Numerosi problemi, come per esempio quello della criticità dei metalli strategici, sono infatti comuni a più paesi e richiedono soluzioni analoghe: per esempio una migliore lavorazione dei minerali a basso titolo, il riciclaggio, la sostituzione ecc. Inoltre è probabile che la cooperazione internazionale fra scienziati dia risultati di valore più elevato. A partire dal 1978 sono in via di realizzazione programmi sulle materie prime minerali, affiancati da programmi sul riciclaggio e su alcuni aspetti delle tecnologie dei materiali.

È prevedibile che la ricerca a livello comunitario continui in futuro e ci si può anche aspettare che venga data maggiore importanza ai materiali avanzati (materiali metallici, ceramiche industriali e materiali compositi). La consapevolezza del ruolo fondamentale che i materiali avanzati sono destinati a svolgere si è sviluppata in Europa più lentamente di quanto non sia accaduto negli Stati Uniti e in Giappone. Tuttavia, a causa della complessità dei problemi che debbono essere risolti e degli approcci multidisciplinari che sono necessari a questo scopo, l'attività di ricerca e sviluppo dei materiali è considerata come una questione che per sua natura è realmente sovranazionale.

7. Conclusioni

Nell'introduzione a quest'articolo è stato enunciato un cauto ottimismo. La ‛disponibilità fisica' di materie prime non dovrebbe essere, di per sé, un grave motivo di preoccupazione, neanche a lungo termine. Alcuni elementi diverranno troppo scarsi e troppo costosi per essere usati, tranne che in alcune applicazioni vitali. Tuttavia, durante il tempo necessario per l'esaurimento economico di una qualsivoglia risorsa, possono essere sperimentati e sviluppati adeguati sostituti. La capacità di creare nuovi materiali per determinate esigenze specifiche si sta sviluppando rapidamente. Il principio del ‛fare di più con meno' sta riducendo i consumi, e una maggiore attività di ricerca e sviluppo, se adeguatamente sostenuta, porterà a un ulteriore progresso in questa direzione.

Le prospettive per l'approvvigionamento saranno anch'esse favorevoli ‟purché gli aggiustamenti del mercato possano aver luogo prontamente e i governi non erigano barriere all'esplorazione e allo sfruttamento di nuovi giacimenti e al flusso di capitali e di tecnologie verso i paesi produttori" (v. World Resources Institute, 1984). Per assicurare un approvvigionamento continuato a lungo termine sarà in ogni caso necessaria una combinazione di molti fattori: condizioni di stabilità politica, intensa attività di esplorazione e di ricerca, approntamento di nuove infrastrutture (miniere e impianti) per far fronte alla domanda crescente, disponibilità di energia a basso costo per estrarre e lavorare minerali sempre più poveri, messa a punto di nuove tecniche di lavorazione di minerali a basso titolo o alternativi, ricerche ulteriori sul riciclaggio, sui sostituti e sui materiali avanzati e, in ultimo, ma non certo per ordine d'importanza, adeguati investimenti di capitali. In questo processo di preparazione al futuro complesso, entusiasmante e a volte incerto - è compito essenziale dei governi fornire incentivi adeguati all'innovazione. In questo contesto l'industria mineraria ha un suo ruolo precipuo; l'innovazione, infatti, non è diretta solamente a promuovere cambiamenti tecnologici: essa deve essere incanalata verso l'esplorazione, la scoperta e lo sviluppo delle risorse.

bibliografia

Altenpohl, D., Materials in world perspective, Berlin-Heidelberg 1980.

Barsotti, A. F., Copper, cobalt, nickel and manganese availability from land-based endowments: a perspective, in ‟Natural resources forum", 1984, VIII, 3, pp. 267-278.

Bernier, L., Ocean mining activity shifting to exclusive economic zones, in ‟Engineering and mining journal", July 1984, pp. 57-60.

Commission of the European Communities, DG XII Materials substitution dossiers, I - Silver and chromium report, Series Raw Materials R & D, 1980.

Congress of the United States, H.R. 4186, National critical materials act of 1983, Washington 1983.

Congress of the United States, Strategic and critical non fuel minerals: problems and policy alternatives, Congressional Budget Office, Washington 183.

Congress of the United States, Strategic materials: technologies to reduce U.S. import vulnerability, Office of Technology Assessment, Washington 1985.

Council on Environmental Quality and the Department of State, The global 2000 report to the President: entering the Twenty-first century, Government Printing Office, Washington 1980.

Cronan, D., A wealth of sea-floor minerals, in ‟New scientist", 6 June 1985, pp. 34-38.

Crowson, P.C.F., Minerals handbook (1982-1983), London 1982.

Crowson, P.C.F., Minerals handbook (1984-1985), London 1984.

Crowson, P.C.F., Non renewable mineral resources and the European Community, Working document 10, Centre for European Policy studies, Brussels 1984.

Eurostat, EC raw materials balance sheets 1979-1982, Luxemburg 1985.

Farrands, J.L., Polmear, I. J., Samuels, L.E., New materials technology, in Proceedings of the fourth conference of engineering academies, vol. IV, reprint, Stockholm 1983.

Fine, D.I., USA mineral and materials technology policy: response to vulnerability of dependance. The International conference on Recent advances in mineral science and technology (MINTECH), Johannesburg 1984.

Goeller, H.E., Zucker, A., Infinite resources: the ultimate strategy, in ‟Science", 1984, CCXXIII, pp. 456-462.

Gray, P. M. J., The world of extraction metallurgy, in ‟Transactions of the institution of mining and metallurgy", 1984, XCIII, pp. C 49-C 54.

Hawkins, J., The future of aluminum, in ‟Transactions of the institution of mining and metallurgy", 1984, XCIII, pp. A 115 - A 122.

Hondros, E.D., Materials, year 2000: a perspective, in Proceedings of international conference on future development in technology, the year 2000, London, April 1984 (a cura di N. A. Dorgham), London 1986, pp. 105-124.

Malenbaum, W., World demand for raw materials in 1985 and 2000. Report for the national Science Foundation, Washington 1977.

Meadows, D.H., Meadows, D.L., Rander, J., Behrens, W.W., The limits of the growth, New York 1972 (tr. it.: I limiti dello sviluppo, Milano 1974).

Newcomb, R., Copper: the future of the world industry, in ‟Metal bulletin monthly", April 1984, pp. 9-21.

OCSE, Uranium: resources, production and demand, Report, December 1983.

Ray, G.F., Mineral rserves, projected lifetimes and security of supply, in ‟Resources policy", 1984, X, 2, pp. 75-80.

Saager, R., From antimony to zirconium: a guide to metal resources and application, Bank Vontobel, Zürich 1984.

Simon, J.L., Kahn, H. (a cura di), The resourceful earth: a response to global 2000, Oxford 1984.

??? Technology development forecast up to 2010 in Japan, in ‟Science and technology in Japan", April/June 1983, p. 24.

Tilton, J.L. (a cura di), The future of non fuel minerals, Brookings Institutino, Washington 1977.

US Bureau of Mines, Mineral commodity summary 1983.

US Bureau of Mines, Mineral commodity summary 1984.

US Geological Survey, Principles of a resource/reserve classification for minerals, Circular 831, 1980.

US Geological Survey, International strategic minerals inventory. Summary report, Circular 930-A (Manganese) and 930-B (Chromium), 1984.

World Resources Institute, The global possible 1984 conference. Proceedings, Washington 1984.