ในยุคที่เทคโนโลยีก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว ระบบพลังงานสะอาด รถไฟฟ้า สมาร์ทโฟน จนถึงอุปกรณ์ทางการแพทย์และระบบอาวุธ ซึ่งต่างพึ่งพาวัสดุที่มีคุณสมบัติพิเศษซึ่งหาไม่ง่าย หนึ่งในกุญแจสำคุญนั้นคือ “แร่หายาก” หรือ Rare Earth Elements (REEs)
ซึ่งถึงแม้ชื่อจะฟังดูว่า “หายาก” แต่ความจริงคือพบได้ในเปลือกโลกไม่น้อย เพียงแต่การสกัด – แยก – กลั่นสารให้ใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพนั้นยากมาก เมื่อเรารู้จักและเข้าใจแร่หายากในแง่วิศวกรรมแล้ว จะเห็นว่าไม่ใช่แค่ “ส่วนประกอบ” ของอุปกรณ์ แต่คือ “หัวใจ” ที่ช่วยให้การออกแบบระบบมีสมรรถนะสูงขึ้น ตอบโจทย์ทั้งด้านแรงแม่เหล็ก ความร้อน ความทนทาน และการใช้งานเฉพาะทาง
แร่หายากถูกยกให้เป็น วัสดุเชิงยุทธศาสตร์ (Critical Materials) เพราะมีผลโดยตรงต่อเทคโนโลยีหลักของอุตสาหกรรม เช่น
- แม่เหล็กถาวรแรงสูง (Nd-Fe-B, Sm-Co) สำหรับมอเตอร์ EV และกังหันลม
- ตัวเร่งปฏิกิริยา และโลหะผสม (Catalysts & Alloys) ที่ช่วยให้เครื่องยนต์สะอาดและทนทาน
- วัสดุออปติกและฟอสฟอร์ สำหรับจอภาพ LED และเลนส์กล้อง
- วัสดุในระบบพลังงานสะอาดและอุปกรณ์ขั้นสูง เช่น เลเซอร์ เรดาร์ และไฟเบอร์ออปติก
ในมุมมองวิศวกรรม REEs คือหัวใจที่ช่วยให้เครื่องจักรมีขนาดเล็กลง เบาขึ้น และประสิทธิภาพสูงขึ้น ทั้งยังเป็นปัจจัยสำคัญของการเปลี่ยนผ่านสู่เทคโนโลยีพลังงานสะอาดของโลกอุตสาหกรรมไทยและทั่วโลก
ดังนั้น บทความนี้นายช่างมาแชร์จะขอพาไปทำความรู้จักประเภทของแร่หายาก, การนำไปใช้เชิงวิศวกรรม พร้อมข้อดี-จุดเด่น แล้วสรุปภาพรวมพร้อมข่าวที่น่าสนใจ เพื่อให้ “นายช่าง” หรือผู้ประกอบการในอุตสาหกรรม ได้มีมุมมองครบถ้วนสำหรับการประยุกต์ใช้งานในภาคอุตสาหกรรม
Rare Earth Elements (REEs) คืออะไร?
แร่หายาก (Rare Earth Elements หรือ REEs) คือกลุ่มโลหะจำนวน 17 ธาตุ ที่อยู่ในกลุ่มที่ 3 ของตารางธาตุ ซึ่งประกอบด้วยธาตุในชุด แลนทาไนด์ (Lanthanides) พร้อมด้วย สแกนเดียม (Scandium) และ อิตเทรียม (Yttrium) ซึ่งถูกจัดรวมไว้ด้วยกันเนื่องจากมีสมบัติทางกายภาพใกล้เคียงกัน และมักพบอยู่ในแหล่งแร่หรือสายแร่ชนิดเดียวกัน
แม้ชื่อจะบอกว่า “หายาก” แต่ความจริงแล้วธาตุเหล่านี้มีอยู่ในธรรมชาติ ในระดับที่พบได้ปานกลาง (moderately abundant)เพียงแต่ มีการกระจายตัวไม่เข้มข้นพอที่จะทำให้ขุดขึ้นมาใช้เชิงเศรษฐกิจได้ง่าย เท่านั้นเอง
ปัจจุบัน อินเดีย ถือเป็นประเทศที่มีแหล่งทรัพยากรแร่หายากมากเป็นอันดับ 5 ของโลก โดยส่วนใหญ่จะพบอยู่ในแร่ โมนาไซต์ (Monazite)
ธาตุที่อยู่ในกลุ่มแร่หายาก (The Rare Earth Elements (REEs) of the Periodic Table)
แร่หายาก (Rare Earth Elements หรือ REEs) คือกลุ่มโลหะจำนวน 17 ธาตุ ที่อยู่ในกลุ่มที่ 3 ของตารางธาตุ ซึ่งประกอบด้วยธาตุในชุด แลนทาไนด์ (Lanthanides) พร้อมด้วย สแกนเดียม (Scandium) และ อิตเทรียม (Yttrium) ซึ่งถูกจัดรวมไว้ด้วยกันเนื่องจากมีสมบัติทางกายภาพใกล้เคียงกัน และมักพบอยู่ในแหล่งแร่หรือสายแร่ชนิดเดียวกัน
แม้ชื่อจะบอกว่า “หายาก” แต่ความจริงแล้วธาตุเหล่านี้มีอยู่ในธรรมชาติ ในระดับที่พบได้ปานกลาง (moderately abundant)เพียงแต่ มีการกระจายตัวไม่เข้มข้นพอที่จะทำให้ขุดขึ้นมาใช้เชิงเศรษฐกิจได้ง่าย เท่านั้นเอง
แร่หายาก หรือ REEs ประกอบด้วย สแกนเดียม (Sc), อิตเทรียม (Y) และ ธาตุในชุดแลนทาไนด์ทั้ง 15 ชนิด ได้แก่
ลานทาเนียม (La), ซีเรียม (Ce), พราเซโอดิเมียม (Pr), นีโอดิเมียม (Nd), โพรมีเทียม (Pm), ซามาเรียม (Sm), ยูโรเพียม (Eu), แกโดลิเนียม (Gd), เทอร์เบียม (Tb), ดิสโพรเซียม (Dy), โฮลเมียม (Ho), เออร์เบียม (Er), ทูลเลียม (Tm), อิตเทอร์เบียม (Yb) และ ลูทีเทียม (Lu)
การจำแนกประเภท (Types of REEs)
REEs แบ่งออกเป็น 2 กลุ่มตามน้ำหนักอะตอม (Atomic Weight):
- แร่หายากกลุ่มเบา (Light Rare Earths: LREEs) → ธาตุที่มีหมายเลขอะตอม 57–63 (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu)
- แร่หายากกลุ่มหนัก (Heavy Rare Earths: HREEs) → ธาตุที่มีหมายเลขอะตอม 64–71 (Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu)
แม้ว่า สแกนเดียม (Sc) และ อิตเทรียม (Y) จะมีน้ำหนักเบา แต่จะถูกจัดรวมกับกลุ่ม HREEs เพราะมีคุณสมบัติทางเคมีและทางกายภาพใกล้เคียงกัน
ลักษณะทางฟิสิกส์และเคมี (Physical and Chemical Properties)
แร่หายากมีคุณสมบัติเด่นคือ
- ความหนาแน่นสูง (High Density)
- จุดหลอมเหลวสูง (High Melting Point)
- การนำไฟฟ้าและความร้อนสูง (High Electrical & Thermal Conductivity)
นอกจากนี้ REEs ส่วนใหญ่มี ประจุบวก 3 (+3) และรัศมีไอออนคล้ายกัน จึงมีสมบัติทางเคมีที่ใกล้เคียงกันมาก
แหล่งแร่หลัก (Source of REEs)
แร่หายากพบได้ในแร่ธรรมชาติต่างๆ เช่น
- Bastnaesite – ฟลูออโรคาร์บอเนตที่พบในหินคาร์บอเนไทต์และหินอัคนี
- Xenotime – ฟอสเฟตของอิทเทรียม มักพบในแหล่งแร่ทราย
- Loparite – พบในหินอัคนีประเภทอัลคาไลน์
- Monazite – ฟอสเฟตแร่ที่เป็นแหล่งสำคัญของ REEs
หลายชนิดของแร่หายากมี ธอเรียม (Th) และ ยูเรเนียม (U) ปนอยู่ในปริมาณต่างๆ แต่ไม่ถือเป็นส่วนประกอบหลักของแร่
ในบรรดา REEs ทั้งหมด ซีเรียม (Ce) เป็นธาตุที่มีปริมาณมากที่สุดในธรรมชาติ — ใกล้เคียงกับความชุกของทองแดงเลยทีเดียว
บทบาทของแร่หายากในอุตสาหกรรม
แร่หายากมีความสำคัญอย่างยิ่งในกระบวนการผลิตสินค้ามากกว่า 200 ชนิด ตั้งแต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค (Electronics), รถยนต์ไฟฟ้า (EV), ระบบป้องกันประเทศ (Defense Systems) ไปจนถึงเทคโนโลยีเฉพาะทางอื่น ๆ
ในอนาคต ความต้องการใช้ REEs มีแนวโน้มเพิ่มสูงขึ้นตามกระแสของ พลังงานหมุนเวียน (Renewable Energy), รถยนต์ไฟฟ้า (Electric Vehicles) และอุตสาหกรรมเฉพาะด้านอย่าง การสื่อสาร (Communications) และ พลังงานนิวเคลียร์ (Nuclear Energy)
การใช้งานของแร่หายาก (Applications of Rare Earth Elements)
แร่หายาก (Rare Earth Elements: REEs) มีคุณสมบัติที่หลากหลาย ทำให้ถูกนำไปใช้ในเทคโนโลยีจำนวนมาก ทั้งในอุตสาหกรรมพลังงาน อิเล็กทรอนิกส์ โลหะ และการแพทย์ ตัวอย่างการใช้งานหลักมีดังนี้
1. แม่เหล็กถาวร (Permanent Magnets)
แม่เหล็ก นีโอดิเมียม-เหล็ก-โบรอน (Nd-Fe-B) ทำจากธาตุ นีโอดิเมียม (Nd), เหล็ก (Fe) และ โบรอน (B) เป็นแม่เหล็กที่มีคุณสมบัติแม่เหล็กสูงที่สุดในบรรดาแม่เหล็กถาวรทั้งหมด และสามารถทนความร้อนได้ถึง 230°C
การใช้งาน:
- ระบบเบรก ABS ในรถยนต์
- ฮาร์ดดิสก์คอมพิวเตอร์, CD-ROM, กล้องดิจิทัล
- มอเตอร์ไฟฟ้าในพวงมาลัยเพาเวอร์, กระจกไฟฟ้า, เบาะไฟฟ้า
- ลำโพง และระบบเสียง
2. อิเล็กทรอนิกส์และจอแสดงผล (Electronics & Displays)
แร่หายากถูกใช้ในอุปกรณ์เทคโนโลยีชั้นสูง เช่น สมาร์ทโฟน ฮาร์ดดิสก์ กล้องดิจิทัล หลอดไฟ LED จอคอมพิวเตอร์ และจออิเล็กทรอนิกส์ ธาตุบางชนิดมีสมบัติเรืองแสง (phosphorescent) ทำให้เหมาะกับการผลิตจอแสดงผลชนิดต่างๆ
- แลนทานัม (La) ใช้ในเลนส์กล้องดิจิทัล (รวมถึงกล้องมือถือ) ได้มากถึง 50% ขององค์ประกอบเลนส์
- ยูโรเปียม (Eu), อิตเทรียม (Y) และ เทอร์เบียม (Tb) ใช้ทำสารเรืองแสง (phosphors) สำหรับจอภาพทุกชนิด ตั้งแต่จอสมาร์ทโฟนจนถึงป้ายสกอร์บอร์ดในสนามกีฬา
- เออร์เบียม (Er) ใช้ในสายไฟเบอร์ออปติกและอุปกรณ์ขยายสัญญาณเลเซอร์ (laser repeater)
3. เทคโนโลยีพลังงานสะอาด (Green Technologies)
แร่หายากมีบทบาทสำคัญต่อเทคโนโลยีสีเขียว เช่น กังหันลม และ รถยนต์ไฟฟ้า (EVs) ที่ช่วยลดการปล่อยคาร์บอน
- แบตเตอรี่ไฮบริด (Ni-MH) ใช้โลหะผสมที่มี แลนทานัม เป็นขั้วบวก (anode)
- ตัวเร่งปฏิกิริยาซีเรียม (Cerium-based Catalysts) ใช้ในเครื่องกรองไอเสียรถยนต์
- แลนทานัม ยังทำหน้าที่ดูดซับไฮโดรเจนในแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้
4. การกลั่นปิโตรเลียม (Petroleum Refining)
แลนทานัม (La) ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการกลั่นน้ำมัน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการแยกเชื้อเพลิง
5. อุตสาหกรรมแก้ว (Glass Industry)
อุตสาหกรรมแก้วเป็นผู้บริโภควัตถุดิบ REEs รายใหญ่ที่สุด ใช้ในงาน ขัดเงากระจก (Polishing) และเป็นสารเติมแต่งเพื่อให้กระจกมีสีหรือคุณสมบัติออปติกพิเศษ
6. ระบบกรองน้ำ (Water Purifiers)
ซีเรียม (Ce) มีความสามารถในการจับกับธาตุฟอสฟอรัสสูง จึงถูกนำมาใช้ใน เครื่องกรองน้ำ เพื่อช่วยลดสิ่งปนเปื้อน
7. การแพทย์และเทคโนโลยีสุขภาพ (Healthcare)
แร่หายากถูกนำมาใช้ในเทคโนโลยีทางการแพทย์ขั้นสูง เช่น
8. ระบบป้องกันประเทศและอวกาศ (Defence & Space)
ใช้ในระบบ สื่อสารผ่านดาวเทียม (Satellite Communication) ระบบ นำวิถี (Guidance Systems) และ โครงสร้างอากาศยาน (Aircraft Structures)
9. การผลิตเหล็กและโลหะผสม (Steel Making)
ธาตุ Ce, La, Nd, Pr มักถูกผสมเป็นออกไซด์รวมเรียกว่า Mischmetal ใช้ในการผลิตเหล็กพิเศษ เพื่อกำจัดสิ่งเจือปนและปรับสมบัติของโลหะให้ดีขึ้น
10. การใช้งานเฉพาะอื่น ๆ (Other Applications)
- Promethium (Pm): ใช้เป็นแหล่งกำเนิดรังสีเบต้า (β-radiation source)
- Samarium (Sm): ใช้ในแม่เหล็กทนความร้อนสูง
- Europium (Eu): ใช้ในหลอดฟลูออเรสเซนต์และหลอดไฟเรืองแสง
ตารางสรุปภาพรวมของ “แร่หายาก”
| กลุ่ม / ธาตุหลัก | คุณสมบัติเด่นทางวิศวกรรม | การใช้งานหลัก | ตัวอย่างการใช้งานในอุตสาหกรรม |
|---|---|---|---|
| Neodymium (Nd) | สร้างสนามแม่เหล็กแรงสูง (Nd-Fe-B Magnet) | แม่เหล็กถาวร (Permanent Magnet) | มอเตอร์รถยนต์, ระบบ ABS, HDD, ลำโพง, พวงมาลัยเพาเวอร์ไฟฟ้า |
| Samarium (Sm) | ทนความร้อนได้สูง, แม่เหล็กเสถียร | แม่เหล็กอุณหภูมิสูง | เครื่องจักรกล, มอเตอร์อุตสาหกรรม |
| Lanthanum (La) | คุณสมบัติดูดซับไฮโดรเจน, ปรับแสง, เพิ่มความใส | กล้องเลนส์ / แบตเตอรี่ / ตัวเร่งปฏิกิริยา | เลนส์กล้องมือถือ, แบตเตอรี่รถไฮบริด, กระบวนการกลั่นน้ำมัน |
| Cerium (Ce) | ตัวเร่งปฏิกิริยา, ขัดเงา, ดูดซับฟอสฟอรัส | Catalyst / Glass Polishing / Water Filter | Catalytic Converter, ผงขัดเลนส์, เครื่องกรองน้ำ |
| Europium (Eu) | มีคุณสมบัติเรืองแสง (phosphorescent) | จอภาพและหลอดไฟฟลูออเรสเซนต์ | จอ TV, หน้าจอคอมพิวเตอร์, ป้ายไฟ LED |
| Terbium (Tb) | เรืองแสงสีเขียว, เพิ่มความเข้มของจอภาพ | Phosphor / Magneto-optical Device | หน้าจอแสดงผล, อุปกรณ์แสงเลเซอร์ |
| Yttrium (Y) | ช่วยเพิ่มความทนทานและความสว่าง | Phosphor / LED / Laser | หลอดไฟ LED, วัสดุออปติคอล |
| Erbium (Er) | ดูดซับและขยายสัญญาณแสงในไฟเบอร์ออปติก | โทรคมนาคมและเลเซอร์ | สายเคเบิลใยแก้วนำแสง, เลเซอร์ในเครื่องมือแพทย์ |
| Praseodymium (Pr) | ใช้ผลิตโลหะผสมและแม่เหล็ก | Steel Alloy / Magnet | แม่เหล็ก, เหล็กกล้าความทนสูง |
| Promethium (Pm) | แหล่งกำเนิดรังสีเบต้า | เครื่องวัดรังสี / พลังงานนิวเคลียร์ | เครื่องมือวัดรังสี, แบตเตอรี่รังสีสำหรับอวกาศ |
| Dysprosium (Dy) | เพิ่มเสถียรภาพแม่เหล็กในอุณหภูมิสูง | แม่เหล็กถาวรประสิทธิภาพสูง | มอเตอร์รถยนต์ไฟฟ้า, กังหันลม |
สรุป
แร่หายาก (REEs) แม้จะชื่อว่า “หายาก” แต่จริง ๆ แล้วคือวัสดุที่มีศักยภาพสูงมากต่อระบบวิศวกรรมและอุตสาหกรรมยุคใหม่ ด้วยสมบัติเฉพาะทางทางแม่เหล็ก แสง สี ความร้อน และอิเล็กทรอนิกส์ หากผู้ประกอบการไทย โดยเฉพาะธุรกิจในกลุ่มอุตสาหกรรม-เครื่องจักร-วัสดุ เข้าใจถึงโอกาสในการใช้งานแร่หายาก ก็สามารถเพิ่มมูลค่าให้กับผลิตภัณฑ์/บริการได้ เช่น การเลือกใช้วัสดุที่มีสมรรถนะสูงขึ้น การออกแบบอุปกรณ์ที่ประหยัดพลังงาน และเตรียมพร้อมต่อการเปลี่ยนผ่านสู่พลังงานสะอาด อย่างไรก็ดี ต้องระวังเรื่องซัพพลายเชน ความผูกขาดแหล่งวัตถุดิบ และต้นทุนที่อาจเพิ่มขึ้น
แล้วพบกับสาระดีๆแบบนี้ทางด้านงานช่าง งานวิศวกรรม และอุตสาหกรรมได้ที่ นายช่างมาแชร์ นะครับ
Website: www.naichangmashare.com
Facebook: https://www.facebook.com/naichangmashare/
Blockdit : https://www.blockdit.com/naichangmashare
Instragram: https://www.instagram.com/naichangmashare/
Twitter: https://twitter.com/naichangmashare
Youtube: https://www.youtube.com/@naichangmashare
TikTok : https://www.tiktok.com/@naichangmashare
#นายช่างมาแชร์ #แร่หายาก #RareEarthElements #REEs
