Brasil investe em pesquisa para dominar o ciclo produtivo das terras-raras e dos superímãs

Por Frances Jones e Yuri Vasconcelos

Um prédio de três andares com fachada envidraçada localizado em Lagoa Santa, município a 35 quilômetros de Belo Horizonte, sedia uma estrutura fabril e laboratorial que poderá ajudar o Brasil a dominar o ciclo completo de produção de ímãs permanentes de terras-raras.

Também chamados de superímãs, em razão de sua elevada força magnética e resistência à desmagnetização, esses componentes são usados em aplicações relacionadas à defesa, energia limpa e mobilidade elétrica, com destaque para motores de carros elétricos e de turbinas eólicas. O principal elemento químico empregado em sua fabricação, o neodímio (Nd), é uma das 17 terras-raras da tabela periódica, consideradas fundamentais para a transição energética.

Por causa de suas propriedades especiais, como magnetismo intenso, luminescência e condutividade, esse grupo de elementos químicos é largamente usado em produtos e processos de alta tecnologia.

Além dos superímãs, são empregados na fabricação de catalisadores usados pela indústria de óleo e gás, fibras ópticas, telas de computadores, celulares, jatos militares, mísseis e marcadores luminescentes para análises biomédicas (ver infográfico). Nos últimos tempos, as terras-raras têm estado no centro de uma disputa geopolítica mundial.

Lagoa Santa abriga o primeiro laboratório-fábrica de ímãs de neodímio do hemisfério Sul. Atualmente, a produção desses componentes magnéticos é monopolizada pela China, com mais de 90% da oferta mundial. Batizado de CIT Senai ITR, sigla de Centro de Inovação e Tecnologia do Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial – Instituto de Ímãs de Terras-raras, a unidade começou a operar em 2024.

Ela é constituída por duas áreas, uma com laboratórios e uma planta-piloto de pequeno porte, dedicados à pesquisa e ao desenvolvimento de tecnologias ligadas a ligas metálicas de terras-raras e superímãs, e outra com uma linha semi-industrial, voltada à fabricação de grandes lotes de superímãs. Antes denominado LabFabITR, o laboratório-fábrica foi criado há oito anos pela Companhia de Desenvolvimento de Minas Gerais (Codemge), do governo mineiro. A Federação das Indústrias do Estado de Minas Gerais o adquiriu em 2023 e o CIT Senai passou a gerir o ITR.

“Já dominamos, em escala-piloto, o ciclo tecnológico de produção de ímãs permanentes à base de neodímio, ferro [Fe] e boro [B], a liga metálica mais comum para a fabricação desses materiais. Em nível industrial, temos o domínio de 60% a 70% do processo”, afirma o químico e mestre em engenharia de materiais André Pimenta de Faria, coordenador do CIT Senai ITR.

“Para ampliar a produção, precisamos finalizar o comissionamento [testes em ambiente real] de alguns equipamentos, todos importados da China. Queremos atingir esse objetivo até janeiro.” A principal matéria-prima usada para fabricar os ímãs – pequenas barras de neodímio metálico – é importada da China.

Embora o Brasil tenha grandes reservas minerais de terras-raras, a sua produção de óxidos ou metais puros desses elementos químicos é incipiente. Somente uma mineradora, com capital e tecnologia estrangeiros, comercializa o concentrado de terras-raras (ver reportagem). O Brasil não tem operação comercial das demais etapas da cadeia, notadamente a etapa de separação das terras-raras.

Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESPAndré Nunis (acima), pesquisador do IPT, junto ao reator-piloto usado na etapa de redução dos óxidos de terras-raras. Ao lado, liga de neodímio e praseodímio produzida no institutoLéo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP

O objetivo do laboratório-fábrica é ser um elo entre a pesquisa e a aplicação industrial. Sua produção permitirá validar protótipos e processos de forma semi-industrial. A capacidade produtiva máxima da unidade é de 100 toneladas por ano de ímãs permanentes, mas, por ser um centro de pesquisa, esse volume dificilmente será atingido. “Nossa intenção não é fabricar comercialmente os ímãs. Por sermos um instituto de pesquisa, não podemos fazer isso”, explica Faria. “Queremos dominar a cadeia produtiva desses componentes e fazer a transferência de tecnologia para empresas interessadas em produzir os ímãs no país.”

O CIT Senai ITR integra o projeto MagBras – Da mina ao ímã, aprovado em um edital do programa Mobilidade Verde e Inovação, do governo federal. Lançada em julho, a iniciativa reúne 38 empresas, startups, centros de inovação, universidades, instituições de pesquisa e fundações de apoio. Com um orçamento de R$ 73 milhões, dos quais R$ 60 milhões são do governo federal e o restante é contrapartida das entidades participantes, sua finalidade é consolidar a cadeia produtiva brasileira de ímãs permanentes, desde a mineração das terras-raras até a fabricação do produto final (ver infográfico).

“Temos a segunda maior reserva de terras-­-raras do mundo, atrás apenas dos chineses, e todas as condições para dominar em escala industrial o ciclo de produção desses minerais, bem como dos ímãs permanentes”, destaca o engenheiro mecânico Luís Gonzaga Trabasso, coordenador do MagBras e pesquisador-chefe do Instituto Senai de Inovação em Sistemas de Manufatura e Processamento a Laser, em Joinville (SC). “O MagBras é uma aliança tecnológica criada com essa finalidade. Queremos alcançar esse objetivo até 2030”, reforça Trabasso, que também é professor do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), em São José dos Campos (SP).

Separação, o grande gargalo

Apesar do nome terras-raras, a presença desses elementos na natureza é relativamente abundante. O problema, explica o químico Henrique Eisi Toma, do Instituto de Química da Universidade de São Paulo (IQ-USP), é que eles estão presentes em concentrações muito baixas, costumam ser encontrados misturados e têm grande similaridade química entre si. Esta última característica exige tecnologias avançadas para extração e refino, principalmente durante a etapa da separação química, quando se isola um elemento específico do restante do concentrado de terras-raras.

Para atingir seus objetivos, a equipe do laboratório-fábrica de Lagoa Santa contará com um valioso conhecimento gerado por pesquisas em torno da cadeia tecnológica das terras-raras que ganharam força no país há mais de uma década. Uma parte importante dos estudos se deu no âmbito do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia (INCT) Terras-raras, também chamado Patria – sigla de Processamento e Aplicações de Ímãs de Terras-raras para a Indústria de Alta Tecnologia. Ativo entre 2018 e 2024, recebeu apoio da FAPESP e do governo federal, via Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes).

O INCT promoveu o diálogo entre os diversos grupos que pesquisavam esses elementos em diferentes etapas do ciclo produtivo, como a Escola Politécnica (Poli) da USP, o Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) e o Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen), ambos em São Paulo, os centros de Tecnologia Mineral (Cetem), no Rio de Janeiro, e de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN), em Belo Horizonte, a Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e a Fundação Certi, com sede em Florianópolis (SC).

No Cetem, instituição pública de pesquisa vinculada ao Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) dedicada exclusivamente à tecnologia do setor mineral, o maior avanço se deu na etapa da separação química, o principal gargalo na cadeia e uma das etapas mais caras. O centro, informa o engenheiro químico Ysrael Marrero Vera, chefe do Serviço de Metalurgia Extrativa, já obteve sucesso na separação de praseodímio (Pr) e neodímio.

“Fazemos a separação com o que chamamos de soluções sintéticas – e não a partir do concentrado químico mineral real de terras-raras, porque não o produzimos, por enquanto”, explica. “Compramos os reagentes, as terras-raras de empresas chinesas e os colocamos em solução aquosa. Depois, os separamos usando solventes específicos.” O processo foi registrado no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI) e a patente foi concedida em 2022. Parte dos resultados dos estudos sobre a separação está publicada em artigo na revista Minerals Engineering, de março de 2020.

O projeto MagBras, avalia Vera, trará a oportunidade de trabalhar com o material real, uma vez que há 12 mineradoras envolvidas no programa empenhadas em produzir o concentrado de terras-raras, etapa anterior à separação, a partir dos depósitos existentes no país. “Tenho grande confiança de que a tecnologia desenvolvida por nós vai funcionar também com os concentrados reais, a partir dos minérios brasileiros”, declara. Ele explica que, para fazer a separação química das terras-raras, são necessários, no mínimo, cerca de 20 quilos (kg) de concentrado químico de terras-raras e, no momento, poucas empresas no país são capazes de prover essa quantidade.

Em São Paulo, o maior investimento do INCT Patria foi no IPT, conta o engenheiro metalúrgico Fernando José Gomes Landgraf, coordenador do INCT e professor da Poli-USP. Ao longo dos anos, o instituto adquiriu o conhecimento, em escala laboratorial ou de planta-piloto, das etapas finais da cadeia produtiva, após a separação química, entre eles a redução dos óxidos de terras-raras e a produção das ligas metálicas usadas na fabricação do ímã (ver Pesquisa FAPESP nº 241).

“O ímã é composto principalmente por neodímio e praseodímio. Disprósio [Dy] e térbio [Tb], outras duas terras-raras magnéticas, são utilizados para conferir propriedades adicionais a esses ímãs”, detalha o engenheiro químico André Luiz Nunis da Silva, gerente-técnico do Laboratório de Processos Metalúrgicos do IPT. O instituto começou a trabalhar com esses materiais em 2014, antes da criação do INCT, em um projeto cofinanciado pela Empresa Brasileira de Pesquisa e Inovação Industrial (Embrapii) e pela mineradora CBMM, maior produtora mundial de nióbio e cuja mina em Araxá (MG) dispõe também de terras-raras.

“Na época, o pessoal da CBMM nos contatou porque as terras-raras das minas deles viravam rejeito – o foco da mineração era e continua sendo o nióbio. Mas eles perceberam que havia demanda e necessidade de ter um fornecedor dos elementos de terras-raras como alternativa aos chineses”, relata Nunis. As etapas anteriores do ciclo produtivo, de concentração e separação de óxidos, seriam trabalhadas internamente, com os engenheiros e projetistas contratados pela mineradora.

O IPT foi chamado para atuar no processo de redução, que consiste em transformar um óxido qualquer de terras-raras, um pó de aspecto arenoso, em um metal. Para isso, é preciso retirar o oxigênio do óxido de interesse para ficar apenas com o metal – no caso, o objetivo era fazer a redução do óxido de neodímio para obter o neodímio metálico. O instituto estudou duas rotas: a redução eletroquímica e a calciotérmica, processo de extração metalúrgica com uso de cálcio. “Vimos que a eletroquímica era mais viável e abandonamos a outra”, diz Nunis. Na rota escolhida, usa-se energia elétrica em um reator com uma temperatura que supera mil graus Celsius (ºC) para que o neodímio metálico seja produzido no estado líquido, ou seja, fundido. Em uma segunda fase do trabalho, iniciada dois anos depois, em 2016, o IPT passou a produzir a liga metálica necessária à fabricação do superímã, sempre em escala de bancada.

Em nota técnica publicada no Brazilian Journal of Analytical Chemistry, em 2022, Silva, Landgraf e colegas do IPT, do Ipen, da Poli e do IQ da USP apresentaram um método analítico para quantificar os principais elementos na produção dos superímãs de terras-raras. “Pequenas variações na porcentagem de neodímio e praseodímio influenciam fortemente as propriedades físico-químicas da liga”, escreveram os pesquisadores na nota. Por essa razão, métodos de química analítica precisam ser capazes de distinguir pequenas variações na concentração dos elementos constituintes.

Na etapa seguinte do projeto, em 2019, a empresa de motores elétricos WEG entrou como parceira, assim como a UFSC, com cofinanciamento do Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES) – IPT, WEG e UFSC integram a iniciativa MagBras. Foi projetado então um novo equipamento para a etapa de redução e a produção do neodímio metálico em escala-piloto. “Esse reator tem a dimensão de mais ou menos um terço do que seria uma escala industrial. Consegue produzir até 1 kg de material por hora”, conta Silva. Ele explica que, para obter 1 kg do neodímio metálico, é necessário antes ter 1,5 kg do óxido de neodímio.

A CBMM concluiu que a operação na sua mina de Araxá não tinha viabilidade comercial e não deu continuidade ao projeto. No caso dessa mina, os elementos de terras-raras estão contidos no minério monazita, com forte associação a um óxido de ferro, o que dificulta e encarece a seleção do material de interesse. A mineração é facilitada quando as terras-raras são extraídas de argilas iônicas, comuns nos depósitos existentes em Poços de Caldas (MG), e em Minaçu, no norte de Goiás, onde a Mineração Serra Verde opera o primeiro projeto comercial de terras-raras no país.

O investimento em pesquisas no país possibilitou avanços também na etapa de fabricação dos ímãs. Um dos principais grupos de pesquisa nessa área é liderado pelo engenheiro mecânico Paulo Wendhausen, coordenador do Laboratório de Materiais Magnéticos (Magma) da UFSC. Dedicada ao processamento, à fabricação e à caracterização de ímãs permanentes, sua equipe já domina todas as fases de desenvolvimento a partir de terras-raras e metais de transição.

“Trabalho desde a década de 1990 com terras-raras e minha pesquisa sempre foi voltada a materiais magnéticos. Nos últimos 10 anos, nosso foco foram os ímãs permanentes de neodímio, ferro e boro”, conta. O maior desafio na produção desse material, de acordo com Wendhausen, é obter altos valores de propriedades magnéticas, como remanência (capacidade de induzir o magnetismo espontaneamente), coercividade e densidade magnética. Em escala laboratorial, o grupo da UFSC conseguiu produzir ímãs com produto energético de 42 megagauss-oersteds (MGOe), a medida mais comum de classificação da força de um ímã. Para atingir a escala comercial, o valor deve chegar a 55 MGOe.

Os ímãs de terras-raras produzidos pela equipe catarinense, de pequenas dimensões, vêm sendo testados em campo para a verificação de seu desempenho magnético. “Fazemos os ensaios em dispositivos de menor porte e potência, como pequenos motores. O material que desenvolvemos não é adequado para aplicação em máquinas maiores, como aerogeradores”, ressalta Wendhausen, que colabora com o CIT-Senai-ITR.

Ysrael Marrero Vera / CetemPlanta do Cetem, no Rio de Janeiro, faz a separação das terras-raras pelo método de extração por solventeYsrael Marrero Vera / Cetem

Enquanto os pesquisadores e desenvolvedores da cadeia dos ímãs permanentes exploram as propriedades magnéticas das terras-raras, outras equipes focam em suas características fotônicas, que envolvem produção, transporte ou detecção de luz. Em São Paulo, um projeto temático financiado pela FAPESP tem como objetivo avanços na área de materiais conversores de luz à base de terras-raras.

Segundo o químico Hermi Felinto de Brito, do IQ-USP e coordenador do projeto, os grupos têm conseguido produzir compostos e novos materiais, com possíveis aplicações como marcadores luminescentes, sensores ou amplificadores ópticos. “Usamos quase todos os elementos de terras-raras, menos o promécio [Pm], que é radioativo”, diz. Entre os materiais, ele destaca também os polímeros dopados (misturados) com európio (Eu) e térbio, que podem funcionar como marcadores de segurança para passaportes, carteiras de identificação e cédulas de dinheiro. “Basta irradiar com luz ultravioleta para ver a luminescência como se fosse a impressão digital do composto, dificultando muito a falsificação”, conta o pesquisador. “Ninguém falsifica.” Outra pesquisa envolve o desenvolvimento de nanossensores para mapear a temperatura de células humanas, como as tumorais.

Para o químico, o Brasil ainda descobrirá mais reservas de terras-raras. Por isso, defende que o país precisa de uma política de Estado no longo prazo voltada à exploração, extração, produção, ao refino e à separação de terras-raras. “É preciso ter um projeto muito bem elaborado e pautado em critérios de sustentabilidade ambiental”, alerta o pesquisador.

Projeto
1. INCT 2014: PATRIA Processamento e Aplicação de Ímãs de Terras-raras para Indústria de Alta Tecnologia (n° 14/50887-4); Modalidade Auxílio à Pesquisa – Temático; Pesquisador responsável Fernando Jose Gomes Landgraf (USP); Investimento R$ 2.269.782,76.
2. Materiais conversores de luz à base de terras-raras: marcadores luminescentes, sensores e amplificadores ópticos (n° 21/08111-2); Modalidade Auxílio à Pesquisa – Temático; Pesquisador responsável Hermi Felinto de Brito (USP); Investimento R$ 6.404.542,28.

Artigos científicos
PAPAI, R. et al. Chemical characterization in the production chain of permanent magnets by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP OES) – Precise quantification of Nd, Pr, Fe and B in super-magnets samples. Brazilian Journal of Analytical Chemistry. v. 8, p. 124-45. 2022.SOUSA FILHO, P. C. e SERRA O. Terras-raras no Brasil: Histórico, produção e perspectivas. Química Nova. p. 753-60. 2014.SCAL, M. L. W. et al. Study of the separation of didymium from lanthanum using liquid-liquid extraction: Comparison between saponification of the extractant and use of lactic acid. Minerals Engineering. v. 148. mar. 2020.

Este texto foi originalmente publicado por Pesquisa FAPESP de acordo com a licença Creative Commons CC-BY-NC-ND. Leia o original aqui.

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