Александр Круглов
Редкие металлы и элементы, которые всем так нужны

Введение

Скрытые двигатели современности: как редкие металлы формируют наш мир и разжигают конфликты

Мы живём в эпоху парадоксов. Никогда прежде человечество не обладало столь мощными технологиями, позволяющими общаться мгновенно через континенты, получать доступ ко всему знанию мира через карманные устройства и всерьёз задумываться об отказе от ископаемого топлива, веками питавшего наш прогресс. Мы стоим на пороге новой промышленной и энергетической революции, обещающей более чистое, умное и устойчивое будущее. Однако за сверкающим фасадом этой «зелёной» и цифровой утопии скрывается реальность, куда более сложная и тревожная. Реальность, определяемая тихой, но ожесточённой борьбой за контроль над новым классом ресурсов, незаменимых для самой ткани нашей современной цивилизации – редкими металлами и элементами. И эта реальность определяется не только титаном, используемым в корпусах наших смартфонов и самолетов, или литием, питающим наши электромобили, но и десятками менее известных элементов, таких как ниобий, тантал и родий, – беглецами из нижних рядов периодической таблицы, о которых редко говорят на уроках химии, но которые играют ключевую роль в технологическом росте общества.

На протяжении тысячелетий история человечества была историей освоения сравнительно немногого количества металлов. Бронза и железо дали названия целым эпохам, определив характер войн и ремёсел. Золото и серебро стали универсальным мерилом богатства. Промышленная революция XIX века опиралась на уголь и сталь. Век двадцатый стал веком нефти, алюминия и меди. Мы привыкли к этим «рабочим лошадкам» индустриального мира. Но тихая революция в материаловедении, начавшаяся во второй половине XX века и резко ускорившаяся в последние три десятилетия, привела к тому, что наш технологический уклад стал критически зависеть от десятков других элементов периодической таблицы – элементов, чьи названия звучат экзотично для непосвящённого уха: неодим, диспрозий, индий, тантал, галлий, германий, литий, кобальт, платиноиды, вольфрам, рений и многие другие.

Что же это за «чудо-элементы»? Это металлы, которые, будучи добавлены в ничтожных количествах, придают материалам уникальные свойства. Магниты становятся на порядки мощнее, позволяя создавать компактные и эффективные электродвигатели. Стекло становится проводником электричества, сохраняя прозрачность, – основа всех сенсорных экранов. Катализаторы очищают выхлопные газы автомобилей и ускоряют химические реакции. Полупроводники работают на невиданных скоростях и частотах. Специальные сплавы выдерживают экстремальные температуры в реактивных двигателях и промышленных турбинах. Батареи запасают огромное количество энергии при своём небольшом размере. Подобно специям, меняющим вкус блюда, или генам, определяющим свойства организма, эти металлы, часто невидимые глазу, являются ключевыми «активаторами» современных технологий. Без них не было бы ни смартфонов, ни электромобилей, ни ветряных турбин, ни оптоволоконного интернета, ни высокоточного оружия.

По иронии судьбы эта технологическая зависимость нарастала почти незаметно для широкой публики и даже для многих политиков. Если нефтяные кризисы 1970-х заставили мир осознать свою уязвимость перед поставщиками ископаемого топлива, то тихая экспансия редких металлов долгое время оставалась в тени. Во многом это связано с самой природой «редкости» этих металлов. Само слово «металл» происходит от греческого metallon, означающего «карьер» или «шахта» и намекающего на феноменальные усилия, требующиеся для их извлечения из земных недр. В отличие от золота или серебра, часто встречающихся в самородном виде, многие редкие металлы требуют сложнейших и дорогостоящих процессов извлечения и очистки. Поэтому их «редкость» – это зачастую не столько геологическая малочисленность, сколько экономическая и технологическая труднодоступность. Причин тому несколько. Во-первых, объёмы их добычи и торговли несравнимо малы по сравнению с нефтью, газом или даже медью. Глобальный рынок всех редкоземельных металлов, например, исчисляется всего лишь несколькими миллиардами долларов – капля в море по сравнению с триллионными рынками нефти и газа. Во-вторых, эти металлы «спрятаны» глубоко внутри конечных продуктов. Потребитель видит смартфон или электромобиль, но не индий или кобальт внутри них. Например, практически каждый современный смартфон обязан своей компактностью и производительностью крошечным, но незаменимым конденсаторам из тантала – металла, который ещё недавно использовался лишь как нить накаливания в лампочках начала XX века. Или европий, без которого невозможно воспроизвести надёжный красный цвет на экранах наших телевизоров и мониторов. В-третьих, сами цепочки поставок этих металлов чрезвычайно сложны, запутаны и непрозрачны, простираясь от отдалённых рудников в Конго или Китае через множество стадий переработки и производства компонентов до финальной сборки в другой части света.

Эта невидимость и сложность породили опасную иллюзию и самоуспокоенность. Мы приветствовали приход «зелёной» экономики и цифрового общества, не задумываясь о материальной базе этих революций. Мы надеялись, что переход на возобновляемые источники энергии и виртуализацию избавит нас от ресурсных проклятий прошлого – войн за нефть, экологических катастроф, геополитического шантажа. Однако реальность оказалась иной. «Зелёный» переход потребовал даже больше разнообразных минеральных ресурсов, чем эпоха ископаемого топлива. Производство ветряной турбины или солнечной панели поглощает значительно больше стали, меди, алюминия, бетона (и, конечно, редких металлов), чем строительство традиционной электростанции той же мощности. Одна ветряная турбина может содержать сотни килограммов неодима и диспрозия в своих магнитах, а гибридный автомобиль вроде Toyota Prius – до десяти-пятнадцати фунтов лантана в аккумуляторе. А цифровая экономика, несмотря на риторику о «дематериализации», создаёт колоссальный спрос на энергию для работы серверов и сетей и на экзотические металлы для производства самих устройств.

В результате мир оказался перед лицом нового, ещё более сложного ресурсного вызова. Спрос на редкие металлы растёт экспоненциально, подпитываемый технологическим прогрессом и ростом благосостояния в развивающихся странах. Предложение же ограничено геологией (месторождения редки и сложны), технологиями (переработка трудоёмка и грязна) и, все чаще, геополитикой. Большинство известных запасов и производственных мощностей по многим критическим металлам сосредоточено в руках немногих стран, прежде всего Китая.

Китай, воспользовавшись близорукостью Запада и принеся в жертву собственную экологию, за последние десятилетия установил почти монопольный контроль над многими звеньями цепочки поставок редких металлов – от добычи руды до производства магнитов и других высокотехнологичных компонентов. Это даёт Пекину огромное экономическое и политическое преимущество. Как показали события 2010 года, когда Китай резко ограничил экспорт РЗМ в Японию, он не стесняется использовать это преимущество как оружие в геополитической борьбе.

«Войны за редкие металлы» уже идут. Это пока не горячие войны с применением оружия (хотя стратегическое значение этих металлов для обороны огромно), но это ожесточённые экономические, технологические и дипломатические баталии. Это борьба за доступ к месторождениям в Африке и Латинской Америке. Это торговые споры в ВТО и тихие эмбарго. Это гонка за разработку альтернативных технологий и материалов-заменителей. Это инвестиции в переработку отходов и попытки построить «циркулярную экономику». Это скрытая борьба разведок за промышленные секреты. Это конфликты между интересами горнодобывающих компаний, местных сообществ и защитников окружающей среды.

Ставки в этой борьбе чрезвычайно высоки. На кону не только будущее наших гаджетов и комфорт повседневной жизни. На кону – способность осуществить глобальный энергетический переход и предотвратить катастрофическое изменение климата. На кону – технологическое лидерство и национальная безопасность ведущих мировых держав. На кону – экономическое развитие и экологическое благополучие десятков стран, обладающих или не обладающих этими критическими ресурсами.

Эта книга – попытка пролить свет на этот скрытый, но определяющий аспект нашей современности. Опираясь на многолетние исследования, путешествия по ключевым точкам глобальной ресурсной карты – от рудников Конго и Бразилии до лабораторий Японии и США, от центров принятия решений в Вашингтоне и Брюсселе до нелегальных перерабатывающих мастерских в Китае – и десятки интервью с инсайдерами отрасли – шахтёрами, трейдерами, учёными, инженерами, политиками, активистами, – мы постараемся распутать сложный клубок проблем, связанных с редкими металлами. Мы покажем, откуда берутся эти элементы, как они попадают в наши устройства, кто контролирует их потоки, какую цену – экономическую, экологическую, человеческую – мы платим за их использование, и какие конфликты уже разгораются и могут разгореться в будущем в борьбе за эти сокровища XXI века. Это история о власти, деньгах, технологиях, геополитике и будущем нашей планеты – история войн за редкие металлы.

Глава 1: Что делает металл «редким»? Мир за пределами железа и меди

Семь металлов древности и первые шаги химии

История человеческой цивилизации неразрывно связана с металлами. Их открытие и освоение определяли технологический уровень общества, его военную мощь, экономическое благосостояние и даже эстетические идеалы. Однако на протяжении большей части этой истории – тысячелетия, отделяющие первые плавки меди от рождения научной химии – мир человека был миром всего лишь семи металлов. Этот ограниченный набор – золото, серебро, медь, железо, олово, свинец и ртуть – составлял весь доступный арсенал, из которого строились империи, создавались произведения искусства и велись войны. Остальные восемь десятков металлов, скрытых в глубинах таблицы Менделеева, оставались неизвестными, их уникальные свойства – нераскрытыми, а их потенциальное влияние на ход истории – нереализованным.

Почему именно эти семь? Их выделение из руд было технологически доступно древним металлургам. Золото и серебро, благородные металлы, часто встречаются в самородном виде или в легко узнаваемых соединениях. Золото в своей самородной форме выглядит именно как золото, и одного лишь мерцания жёлтого металла было достаточно, чтобы в XIX веке отправить толпы искателей приключений на запад, в Калифорнию. Их блеск, ковкость, устойчивость к коррозии и относительная редкость сделали их идеальными материалами для украшений, монет и символов власти с незапамятных времён. Золотые артефакты Варненского некрополя в Болгарии, датируемые V тысячелетием до н.э., свидетельствуют о том, что люди ценили этот мягкий жёлтый металл задолго до появления письменности. И если самородное золото встречается в достаточно чистом виде и требует минимальной обработки, то его очистка – процесс на удивление простой, своего рода технология бронзового века. Достаточно расплавить образцы при температуре около тысячи градусов Цельсия в керамическом или угольном тигле, добавить немного буры (борной кислоты, используемой как инсектицид) для отделения примесей, которые всплывут наверх шлаком, и затем слить очищенное золото в форму. Эта лёгкость идентификации и обработки, несомненно, способствовала ранней популярности золота.

Медь была, вероятно, первым металлом, который человек научился выплавлять из руды – её сравнительно низкая температура плавления и характерный красноватый цвет рудных минералов (например, малахита) облегчали её открытие, случившееся ещё в эпоху неолита. Использование меди ознаменовало переход от камня к металлу, хотя её мягкость ограничивала применение. Хотя человечество тысячи лет формировало и использовало медь, её выделение из руды, например, из халькопирита (CuFeS₂), в чистом виде – задача не из лёгких. Даже сегодня процесс выделения 99%-ой меди из распространённого минерала халькопирита требует дробления руды, плавки для удаления серы, продувки газом и электролиза – весьма трудоёмкий путь по сравнению с золотом.

Революционным шагом стало открытие бронзы – сплава меди с оловом. Добавление небольшого количества олова резко повышало твёрдость и прочность меди, сохраняя при этом лёгкость её плавки и литья. Бронзовый век (примерно с IV по II тысячелетие до н.э. в разных регионах) стал эпохой расцвета сложных обществ, создания мощного оружия и долговечных орудий труда. Однако производство бронзы зависело от доступности обоих компонентов – меди и олова. Олово геологически значительно реже меди (его содержание в коре около 2 ppm¹ против 60 ppm у меди), и его месторождения географически ограничены (основные древние источники – Корнуолл и Пиренейский полуостров). Торговля оловом стала одним из первых примеров глобальных (по меркам того времени) ресурсных потоков и конкуренции.

Переход к Железному веку (начавшийся на Ближнем Востоке во II тысячелетии до н.э.) был обусловлен не столько редкостью бронзы, сколько открытием технологии выплавки железа. Железо гораздо более распространено в земной коре (около 5%), но его температура плавления значительно выше, чем у меди, а процесс извлечения из руды (гематита, магнетита) сложнее и требует более высоких температур и умения работать с углеродом для науглероживания и получения стали. Хетты, как упоминалось ранее, первыми освоили эту технологию, получив доступ к дешёвому и прочному материалу для массового производства оружия, что дало им решающее военное преимущество. Исключением из правила сложности извлечения, однако, является алюминий. Несмотря на то, что это третий по распространённости элемент в земной коре, трудности с его очисткой из руды (боксита) делали его в XVIII-XIX веках чрезвычайно ценным, дороже серебра. Лишь изобретение электролитического процесса Холла-Эру в 1886 году позволило наладить массовое производство, превратив алюминий из драгоценного в повсеместно используемый металл, сравнимый с железом.

Свинец и ртуть замыкали семёрку древних металлов. Свинец, тяжёлый и легкоплавкий металл, часто встречающийся вместе с серебром в галените (сульфид свинца), использовался для изготовления труб, сосудов, грузил, а его соединения – в качестве пигментов и косметики. Римляне широко применяли свинец в своих акведуках, что, по некоторым теориям, внесло вклад в упадок империи из-за хронического отравления. Ртуть – единственный металл, жидкий при комнатной температуре – была известна своей способностью растворять золото и серебро (амальгамация), что использовалось при их добыче. Её также применяли в медицине (часто с катастрофическими последствиями) и ритуальных практиках.

Долгие века алхимики, наследники античных и арабских знаний, бились над загадкой этих семи металлов. Опираясь на мистические представления о четырёх стихиях и первичной материи, они верили в возможность трансмутации – превращения одних металлов в другие, прежде всего неблагородных (свинца) в благородные (золото), с помощью гипотетического философского камня. Хотя их усилия были обречены на неудачу с точки зрения современной химии, они внесли неоценимый вклад в развитие лабораторной техники и экспериментальных методов. Дистилляция, кристаллизация, фильтрация, использование кислот и щелочей – многие базовые приёмы, применяемые химиками и сегодня, уходят корнями в практику алхимиков. Они накопили огромный эмпирический материал о свойствах веществ, пусть и интерпретировали его в рамках ошибочной теоретической парадигмы. Алхимия была тупиковой ветвью в поисках золота, но стала колыбелью для научной химии.

Роберт Бойль

Настоящий прорыв начался лишь в XVII-XVIII веках, с научной революцией и отказом от мистических доктрин в пользу эксперимента и точного измерения. Роберт Бойль в своём труде «Химик-скептик» (1661) заложил основы современного определения химического элемента как вещества, которое не может быть разложено на более простые компоненты. Антуан Лавуазье в конце XVIII века своими работами по горению, роли кислорода и закону сохранения массы окончательно похоронил теорию флогистона и заложил фундамент современной химической номенклатуры и количественного анализа. Стало ясно, что превращение свинца в золото невозможно путём химических реакций – это требует изменения самого атомного ядра. Любопытно, что даже распространённый сегодня алюминий, из которого делают банки для напитков, прошёл похожий путь очистки, прежде чем стать пригодным для промышленного использования. Из-за сложности его выделения из руды (боксита) в XVIII-XIX веках алюминий ценился дороже серебра. Лишь в 1886 году молодой химик Чарльз Мартин Холл, впоследствии профессор и сооснователь гиганта Alcoa, открыл простой электролитический метод выделения алюминия, превратив его из дорогого и редкого металла в доступный и чрезвычайно полезный материал, сравнимый с железом. Этот процесс резко увеличил использование алюминия и позволил предложению угнаться за спросом.

Век открытий: охота за элементами и рождение периодической таблицы

Девятнадцатый век стал поистине золотым веком для химии – веком лихорадочной «охоты за элементами». Учёные по всей Европе, вооружённые новыми аналитическими методами и растущим пониманием природы вещества, принялись систематически препарировать минералы, руды и промышленные отходы в поисках неизвестных ранее кирпичиков мироздания. Их усилиями число известных элементов выросло с нескольких десятков в начале столетия до более чем восьмидесяти к его концу. В ходе этой гонки были открыты многие металлы, которые сегодня относят к редким и минорным, а сама структура знаний о них обрела стройность благодаря гению Дмитрия Менделеева.

Дмитрий Иванович Менделеев

Как ни парадоксально, значительная часть истории открытия редкоземельных металлов связана со Скандинавией, регионом, не самым богатым разнообразными рудными месторождениями по сравнению с другими частями света. Но именно здесь, благодаря активности местных учёных и наличию уникальных минералов пегматитового типа, были сделаны пионерские шаги. История, начавшаяся с черного гадолинита (первоначально названного иттербитом, ytterbite) из карьера Иттербю в Швеции и открытия иттрия финским химиком Юханом Гадолином (при содействии шведского армейского лейтенанта и химика-любителя Карла Акселя Аррениуса, передавшего ему образец), получила продолжение. Учитель Гадолина, великий шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус, сам первооткрыватель церия (1803), селена и тория, продолжил анализ минералов из Скандинавии. Его ученик, Карл Густав Мосандер, как мы уже знаем, выделил из церитовой земли лантан (1839) и то, что он считал элементом дидим (1841). Позже Мосандер, анализируя иттриевую землю, выделил из неё ещё два оксида, которым дал названия «эрбиевая земля» и «тербиевая земля» (1843), увековечив, таким образом, название деревушки Иттербю ещё в двух элементах (эрбии и тербии). Изначально он считал их самостоятельными элементами, но позже выяснилось, что это тоже смеси – настолько трудно было разделить эти близкие по свойствам элементы. Оксиды, кстати, были частой формой, в которой обнаруживали новые редкие земли (такие как иттрия Гадолина, которая оказалась оксидом иттрия Y₂O₃) – их прочная связь с кислородом обеспечивала стабильность в минералах, но одновременно создавала огромные трудности для химиков при попытке выделить чистый металл.

Забавно, но «элемент» дидим Мосандера оказался «обманщиком», просуществовавшим в таблице Менделеева несколько десятилетий под символом Di. Лишь через пятнадцать лет после смерти Мосандера, в 1885 году, австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах сумел разделить дидим на два настоящих элемента: празеодим («зелёный близнец») и неодим («новый близнец»). Эта ошибка Мосандера, впрочем, не умаляет его заслуг – он открыл три подлинных элемента и был одним из выдающихся ученых эпохи, а сама история с дидимом лишь подчёркивает невероятную сложность работы с редкоземельными элементами при помощи инструментов XIX века. Интересно, что смесь празеодима и неодима, сохранившая название «дидим», нашла практическое применение: её добавляли в стекла очков для кузнецов, чтобы блокировать интенсивные вспышки света, а во время Первой мировой войны использовали для создания фильтров для невидимой передачи сигналов азбукой Морзе.

Неодим / Neodymium (Nd)

Ключевым инструментом в этой «охоте за элементами» стал спектроскоп. Это относительно простое устройство, по сути, трубка с призмой внутри, позволяло учёным делать поразительные открытия. Нагревая образец минерала до свечения, они пропускали испускаемый свет через призму и наблюдали уникальный набор цветных линий – своего рода «отпечаток пальца» каждого элемента. Водород давал четыре линии, индий – две, железо – десятки. Если наблюдаемый спектр не совпадал ни с одним из известных, исследователь мог объявить об открытии нового элемента. Конечно, метод не был foolproof: смеси элементов давали сложные, наложенные спектры, которые легко было принять за новый элемент, как и случилось с дидимом. Требовалась высочайшая чистота образцов и тщательность анализа, что было непросто достичь в те времена.

Дальнейшая «расшифровка» редких земель стала делом нескольких поколений европейских химиков. Швед Пер Теодор Клеве выделил гольмий (назван в честь Стокгольма) и тулий (в честь мифической Туле – древнего названия Скандинавии) в 1879 году. В том же году Ларс Фредерик Нильсон открыл скандий, предсказанный Менделеевым как «экабор». Француз Поль Эмиль Лекок де Буабодран, мастер спектроскопии, открыл самарий (1879, назван в честь русского горного инженера В. Е. Самарского-Быховца, предоставившего минерал самарскит) и гадолиний (1886, в честь Гадолина), а также подтвердил открытие диспрозия («труднодоступный», 1886). Швейцарец Жан Шарль Галиссар де Мариньяк выделил иттербий (1878) из эрбиевой земли. Австриец Карл Ауэр фон Вельсбах, помимо «разделения» дидима, в 1907 году разделил иттербий Мариньяка на собственно иттербий и лютеций (назван в честь Лютеции – древнего названия Парижа), завершив, таким образом, открытие всех стабильных редкоземельных элементов. Весь этот процесс занял более ста лет кропотливой работы!

Карл Ауэр фон Вельсбах

Параллельно с редкими землями, XIX век принёс открытие и других металлов, играющих сегодня важную роль. Были окончательно идентифицированы и выделены металлы платиновой группы. Хотя платина была известна европейцам с XVI века (испанцы в Южной Америке презрительно называли её platina – «серебришко», мешавшее добыче золота), её истинная природа и «благородные» спутники – палладий, родий, иридий, осмий, рутений – были распознаны лишь в начале XIX века трудами английских химиков Уильяма Волластона и Смитсона Теннанта. Их исключительная химическая стойкость и каталитическая активность поначалу затрудняли их изучение, но в дальнейшем стали основой их применений.

Были открыты и многие тугоплавкие металлы. Швед Карл Вильгельм Шееле ещё в 1781 году выделил оксид вольфрама, а испанские братья д’Элуяр получили чистый металл двумя годами позже. Молибден был открыт шведом Карлом Шееле в 1778 году. Ниобий и тантал имели запутанную историю открытия из-за их сильного химического сходства, но были окончательно «разведены» в середине XIX века. Рений, один из последних открытых стабильных элементов, был идентифицирован немецкими химиками Идой Ноддак, Вальтером Ноддаком и Отто Бергом в 1925 году.

Вольфрам / Wolframium (W)

Также XIX век стал временем открытия многих рассеянных элементов. Индий был обнаружен немецкими химиками Фердинандом Райхом и Иеронимусом Рихтером в 1863 году с помощью спектроскопа (яркая индиговая линия в спектре цинковой обманки дала название элементу). Галлий был открыт французом Лекоком де Буабодраном в 1875 году и стал триумфом предсказательной силы таблицы Менделеева (он был предсказан как «экаалюминий»). Германий, предсказанный Менделеевым как «экасилиций», был открыт немцем Клеменсом Винклером в 1886 году.

Германий / Germаnium (Ge)

Весь этот калейдоскоп открытий нуждался в систематизации. Попытки классифицировать элементы предпринимались и ранее (триады Дёберейнера, спираль де Шанкуртуа, октавы Ньюлендса, таблица Мейера), но именно Дмитрий Иванович Менделеев в 1869 году предложил наиболее удачную и прогностически мощную систему – Периодическую таблицу элементов. Расположив известные на тот момент 63 элемента в порядке возрастания атомного веса (позже было установлено, что фундаментальным параметром является заряд ядра), Менделеев обнаружил периодическое повторение химических свойств. Гениальность его подхода заключалась не только в систематизации известных фактов, но и в смелости оставить пустые клетки для ещё не открытых элементов и предсказать их свойства на основе положения в таблице. Успешное открытие галлия, скандия и германия, чьи свойства точно совпали с предсказанными Менделеевым «экаалюминием», «экабором» и «экасилицием», стало триумфом периодического закона и мощнейшим стимулом для дальнейших поисков.

Открытие благородных газов (аргон, неон, криптон, ксенон) Уильямом Рамзаем в конце XIX века потребовало добавления новой, нулевой группы в таблицу. А открытие радиоактивности Беккерелем и супругами Кюри и последующее выделение полония и радия положили начало изучению целого мира радиоактивных элементов, включая актиноиды. Расшифровка сложной группы редкоземельных элементов также нашла своё логическое место в структуре таблицы, пусть и с вынесением лантаноидов в отдельный ряд.

К началу XX века периодическая таблица приняла в целом современный вид, став не просто каталогом, но мощнейшим инструментом для понимания химии, предсказания свойств и целенаправленного поиска новых материалов. Век открытий заложил фундамент, на котором в следующем столетии вырастут новые отрасли промышленности, основанные на использовании уникальных свойств тех самых «редких» и «рассеянных» элементов, за которыми так азартно охотились химики XIX века. Их любознательность и кропотливый труд подготовили почву для грядущего века редких металлов.

Синтез и гонка вооружений: Покорение нижних строк таблицы

К началу XX века большая часть стабильных химических элементов была открыта, и Периодическая таблица Менделеева казалась почти завершённой. Однако два революционных прорыва – открытие радиоактивности и развитие ядерной физики – распахнули дверь в совершенно новую, ранее невообразимую область: мир трансурановых, искусственно синтезированных элементов. Это уже была не «охота» за элементами, скрытыми в минералах, а их создание – алхимия, ставшая реальностью благодаря мощным инструментам и пониманию структуры атомного ядра. Движущей силой этих исследований, заполнивших и даже расширивших нижние строки периодической таблицы, стали не только научное любопытство, но и мрачные реалии глобального противостояния – гонка ядерных вооружений и Холодная война.

Мари и Пьер Кюри

Открытие Анри Беккерелем в 1896 году самопроизвольного излучения солей урана, а затем выделение Мари и Пьером Кюри ещё более активных полония и радия из урановой смолки, перевернуло представления о незыблемости атома. Стало ясно, что некоторые элементы нестабильны и способны самопроизвольно превращаться в другие, испуская при этом энергию и частицы (альфа-, бета- и гамма-излучение). Началась эра изучения радиоактивности. Вскоре были открыты естественные радиоактивные ряды, показывающие, как тяжёлые элементы вроде урана и тория через цепочку распадов постепенно превращаются в стабильный свинец. Был открыт актиний и другие члены естественных радиоактивных семейств.

Однако настоящий прорыв в понимании и использовании ядерных процессов произошёл в 1930-х годах. Открытие нейтрона Джеймсом Чедвиком (1932) и последующие эксперименты Энрико Ферми по бомбардировке урана нейтронами, приведшие к открытию ядерного деления Отто Ганом и Фрицем Штрассманом (1938) и его теоретическому обоснованию Лизой Мейтнер и Отто Фришем (1939), заложили основы для создания как ядерных реакторов, так и ядерного оружия. Стало ясно, что атомное ядро можно не только наблюдать в его естественном распаде, но и целенаправленно изменять, расщеплять и даже создавать новые, не существующие в природе элементы.

Открытие деления урана и последующее создание атомной бомбы в рамках Манхэттенского проекта продемонстрировали как разрушительную, так и созидательную (в перспективе – ядерная энергетика) мощь, скрытую в ядре атома. Послевоенное противостояние между США и СССР превратило науку о ядре в арену ожесточённой конкуренции. Изначально главной целью было найти или создать новые делящиеся материалы, возможно, более мощные или доступные, чем уран и плутоний, для создания супероружия. Исследовательские центры, такие как Радиационная лаборатория Лоуренса Беркли в США и Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н. Флёрова²в Дубне под Москвой, получили колоссальное финансирование и стали флагманами этой гонки.

Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н. Флёрова

Успешный синтез нового элемента, даже существующего лишь доли секунды, рассматривался не только как научный триумф, но и как демонстрация технологического превосходства и военной мощи. Тем не менее, даже если новооткрытый металл, такой как америций, берклий или кюрий, не годился для бомбы, сам факт его создания становился очком в своеобразном «элементарном» табло Холодной войны, показателем того, насколько продвинуты физики и химики каждой страны. Эта специфическая форма «борьбы в пробирках» позволяла ресурсным державам вести бескровную войну в лабораториях, отводя угрозу реального, катастрофического столкновения.

Основы для синтеза были заложены ещё в рамках Манхэттенского проекта. В 1940-1941 годах группа Гленна Сиборга в Беркли, бомбардируя уран-238 ядрами дейтерия на циклотроне, впервые синтезировала и идентифицировала элементы с атомными номерами 93 (нептуний, Np) и 94 (плутоний, Pu). Открытие способности плутония-239 к делению стало решающим для создания второй атомной бомбы, сброшенной на Нагасаки. Интересно, что плутоний, считавшийся полностью искусственным, был позже, в 1971 году, обнаружен исследователями из Лос-Аламосской национальной лаборатории в ничтожных, естественных количествах в образцах древней породы из Калифорнии, датируемых Прекембрийской эрой – своего рода природный «след» древних звёздных процессов, предшествовавших формированию Земли. После плутония группа Сиборга продолжила синтез, получив америций (Am, 95, в честь Америки) и кюрий (Cm, 96, в честь Пьера и Марии Кюри) путём бомбардировки урана и плутония альфа-частицами (ядрами гелия) в циклотроне в 1944 году.

Гленн Т. Сиборг

Открытие следующих двух элементов – эйнштейния (Es, 99) и фермия (Fm, 100) – произошло неожиданно, не в тиши лаборатории, а в огненном шаре первого в истории термоядерного взрыва «Айви Майк» на атолле Эниветок 1 ноября 1952 года. Анализ радиоактивных обломков, собранных специальными самолетами-фильтрами, пролетевшими через грибовидное облако, выявил наличие этих ранее неизвестных, чрезвычайно тяжелых изотопов. Они образовались в результате мгновенного захвата ядрами урана-238 множества (до 15-17) нейтронов в невероятно интенсивном нейтронном потоке эпицентра взрыва, с последующей серией бета-распадов. Элементы назвали в честь великих физиков – Альберта Эйнштейна и Энрико Ферми.

Важность и секретность этих работ была такова, что даже невинное упоминание циклотрона – ключевого инструмента синтеза – в популярной культуре могло вызвать переполох. В апреле 1945 года, когда тайна плутония ещё строго охранялась, автор комиксов о Супермене Элвин Шварц использовал циклотрон в сюжете газетной полосы, где злобный профессор (вероятно, прототип Лекса Лютора) пытался проверить неуязвимость Супермена, обстреливая его зарядом в три миллиона вольт.

Лекс Лютор

Это вызвало беспокойство в Военном министерстве США, опасавшемся непреднамеренной утечки информации о передовых ядерных технологиях через, казалось бы, безобидный комикс. Представители министерства связались с издательством National Periodicals (будущее DC Comics) и, после безуспешной попытки остановить публикацию уже запущенного сюжета, добились обещания убрать будущие упоминания атомной энергии из комиксов о Супермене. Этот курьёзный случай ярко иллюстрирует атмосферу секретности, окружавшую ядерные исследования.

Гонка за синтезом новых элементов продолжилась и затронула элементы тяжелее фермия, став ареной настоящих «войн за открытия» между лабораториями в Беркли и Дубне, особенно в отношении элементов 104, 105 и 106. Каждая группа использовала свои методы (бомбардировка тяжёлыми ионами) и заявляла о приоритете, предлагая свои названия, часто отражавшие национальную гордость (например, курчатовий предлагался советскими учёными, резерфордий и ганий – американцами). Споры тянулись десятилетиями, и окончательные, компромиссные названия (резерфордий, дубний, сиборгий – в честь Гленна Сиборга, единственного человека, при жизни которого назвали элемент) были утверждены Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC) лишь в 1990-х годах.

Последующий синтез элементов вплоть до 118-го (оганесон, названный в честь Юрия Оганесяна, научного руководителя Лаборатории ядерных реакций в Дубне) стал полем как конкуренции, так и сотрудничества между ОИЯИ в Дубне, Центром исследования тяжёлых ионов GSI в Дармштадте, Германия, и лабораториями США и Японии. Их названия также увековечили имена великих учёных (Бор, Мейтнер, Рентген, Коперник, Флёров, Ливермор) и места открытий (Хассий – от латинского названия земли Гессен, Дармштадтий, Московий, Теннессин – в честь штата Теннесси, где расположена Ок-Риджская национальная лаборатория).

Эта гонка за покорение нижних строк таблицы Менделеева, движимая как научным любопытством, так и военно-политическим соперничеством, раздвинула границы нашего понимания материи. Она породила новые, экзотические элементы с уникальными, хотя часто и мимолётными, свойствами. Время жизни многих из этих сверхтяжёлых элементов измеряется секундами или даже долями секунды, что делает их изучение невероятно сложной задачей и пока ограничивает их практическое применение. Теория, однако, предсказывает существование гипотетического «острова стабильности» в районе элементов с номерами 114 и около 120-126, где время жизни ядер может снова возрасти до минут, часов или даже лет из-за заполнения ядерных оболочек. Поиски этого «острова» – одна из самых захватывающих задач современной ядерной физики, хотя его существование и достижимость остаются предметом дискуссий. Хотя большинство этих синтетических творений пока не нашли широкого практического применения (за исключением плутония и америция в ядерном оружии, энергетике и детекторах дыма), само их существование и изучение проложили путь к более глубокому пониманию ядерных сил и пределов стабильности вещества. Эта эпоха оставила после себя не только новые записи в периодической таблице, но и сложное наследие секретности, гонки вооружений и непреходящей связи между фундаментальной наукой и глобальной политикой.

Классификация и свойства: Что делает редкие металлы особенными?

Редкие металлы – это не просто обширный список названий в нижней части таблицы Менделеева. Это целая палитра материалов с уникальными, порой кажущимися магическими, физическими и химическими свойствами. Именно эти свойства – магнетизм, люминесценция, каталитическая активность, тугоплавкость, прозрачность в сочетании с электропроводностью, способность накапливать энергию – и делают их незаменимыми для технологий XXI века. Понимание природы этих свойств, часто обусловленных тонкостями электронной структуры атомов, – ключ к осознанию их стратегической важности.

Лантаноиды (РЗМ): Магия f-электронов

Как мы уже выяснили, семнадцать редкоземельных металлов (РЗМ), часто обозначаемых как REE (Rare Earth Elements), занимают особое место в этом мире. Эта группа включает скандий (Sc) и иттрий (Y), которые находятся в основной части таблицы, и пятнадцать лантаноидов – от лантана (La) до лютеция (Lu), обычно выносимых в отдельный ряд внизу. Их часто называют «лантанидами», но это не совсем точно, так как сам лантан не входит в эту «внутреннюю» серию. Причина такого «изгнания» пятнадцати элементов проста: если разместить их на «законном» месте между лантаном и гафнием, таблица Менделеева стала бы громоздкой и неудобной, удвоившись в ширину. Учёные предпочли сохранить привычную компактную форму.

Что же объединяет эти семнадцать элементов и придаёт им уникальность? Ответ кроется в их электронной структуре, а именно в постепенном заполнении внутренней 4f-подоболочки. По мере продвижения по ряду лантаноидов от лантана к лютецию, добавляющиеся электроны «прячутся» глубоко внутри атома, на f-уровне, а не на внешней валентной оболочке, как у большинства других элементов. Эти f-электроны частично экранированы внешними электронами, что приводит к двум важным последствиям:

Химическое сходство: Поскольку внешние электронные оболочки, определяющие химические свойства, у лантаноидов очень похожи, их крайне трудно разделить химическими методами. Они ведут себя почти как «химические близнецы».

Уникальные физические свойства: Не полностью экранированные f-электроны взаимодействуют с внешними магнитными и электрическими полями особым образом. Это приводит к появлению замечательных магнитных (особенно у таких элементов, как неодим, самарий, гадолиний, диспрозий, тербий), оптических (узкие и яркие линии поглощения и испускания света, обусловленные переходами f-электронов, как у европия, тербия, эрбия, тулия) и люминесцентных свойств.

Ещё одно следствие постепенного заполнения f-орбитали –лантаноидное сжатие. Из-за недостаточного экранирования растущего заряда ядра f-электронами, внешние электроны притягиваются к ядру сильнее. В результате, при движении по ряду лантаноидов слева направо, радиус атомов (и особенно ионов) не увеличивается, как можно было бы ожидать, а, наоборот, постепенно уменьшается. Это явление, уникальное для лантаноидов, влияет на их плотность, химическую активность и способность образовывать различные кристаллические структуры, что также вносит вклад в их специфические свойства.

Именно эти уникальные физические характеристики, рождённые магией f-электронов, определяют ключевые применения РЗМ:

Магнетизм: Большинство лантаноидов имеют неспаренные электроны на 4f-уровне, что создаёт сильные локализованные магнитные моменты у отдельных атомов. В определённых кристаллических структурах, особенно в сплавах с переходными металлами вроде железа и кобальта, эти моменты могут выстраиваться параллельно друг другу, создавая мощнейший суммарный ферромагнетизм. Сплавы неодим-железо-бор (Nd₂Fe₁₄B) и самарий-кобальт (SmCo₅, Sm₂Co₁₇) являются основой самых сильных известных постоянных магнитов. Их магнитная энергия на единицу объёма в десятки раз превосходит традиционные ферритовые магниты, что позволяет радикально уменьшить размер и вес электродвигателей, генераторов, динамиков и других устройств. Добавление тяжёлых РЗМ, таких как диспрозий (Dy) или тербий (Tb), в неодимовые магниты значительно повышает их коэрцитивную силу и рабочую температуру (точку Кюри), позволяя использовать их в жёстких условиях, например, в двигателях электромобилей или ветрогенераторах. Гадолиний (Gd) обладает уникально высоким магнитным моментом и используется в магнито-резонансной томографии (МРТ) как контрастное вещество, а также исследуется для магнитной рефрижерации.

Оптика и люминесценция: Электронные переходы с участием частично заполненных 4f-уровней лантаноидов происходят с поглощением или излучением света в очень узких спектральных линиях, что определяет их яркие и чистые цвета в соединениях. Эта особенность лежит в основе их применения в качестве люминофоров – веществ, светящихся под действием ультрафиолета или электронного пучка. Европий (Eu) даёт насыщенный красный цвет, тербий (Tb) – зелёный, церий (Ce) и тулий (Tm) – синий. Комбинации этих люминофоров используются в цветных телевизорах, компьютерных мониторах, смартфонах, а также в энергоэффективных люминесцентных лампах и белых светодиодах. Способность некоторых РЗМ (особенно неодима (Nd), эрбия (Er), иттербия (Yb), гольмия (Ho), тулия) излучать когерентный свет при возбуждении используется в лазерах различного назначения – от промышленных установок для резки и сварки до медицинских приборов и систем связи. Эрбий незаменим в оптоволоконных усилителях, позволяющих передавать сигналы на большие расстояния без потерь. Церий и лантан используются в специальных стёклах для линз и оптики.

Европий / Europium (Eu)

Катализ: РЗМ, особенно церий (Ce) и лантан (La), проявляют высокую каталитическую активность во многих химических реакциях. Оксид церия является ключевым компонентом современных трёхкомпонентных каталитических нейтрализаторов выхлопных газов автомобилей, эффективно удаляя оксиды азота, угарный газ и несгоревшие углеводороды. Он обладает уникальной способностью легко отдавать и принимать кислород, что способствует протеканию окислительно-восстановительных реакций. Соединения лантана и других лёгких РЗМ используются в качестве катализаторов крекинга в нефтепереработке, помогая расщеплять тяжёлые углеводородные фракции на более ценные, такие как бензин.

Металлы платиновой группы (МПГ): Благородство и активность

Шесть металлов – рутений (Ru), родий (Rh), палладий (Pd), осмий (Os), иридий (Ir) и платина (Pt) – объединяются в группу благодаря своему соседству в таблице Менделеева и схожим свойствам. Они исключительно редки (их суммарное содержание в коре меньше, чем у золота), обладают высокой плотностью, тугоплавкостью и, что самое главное, выдающейся химической инертностью и каталитической активностью.

Палладий / Palladium (Pd)

Катализ: Это основная сфера применения МПГ. Платина, палладий и родий – незаменимые компоненты автомобильных катализаторов. Платина также используется в качестве катализатора в производстве азотной кислоты, силиконов, высокооктанового бензина. Родий важен для производства уксусной кислоты. Рутений и иридий находят применение в более специализированных каталитических процессах.

Электроника и электротехника: Благодаря коррозионной стойкости и хорошей электропроводности платина, палладий и иридий используются для изготовления электрических контактов, электродов (например, в свечах зажигания), а также в качестве компонентов конденсаторов и резисторов.

Ювелирное дело и инвестиции: Платина и, в меньшей степени, палладий и родий используются в ювелирных изделиях как самостоятельные металлы или в сплавах с золотом («белое золото»). Все МПГ являются инвестиционными металлами.

Специальные применения: Иридий, самый плотный и один из самых коррозионностойких металлов, используется в сплавах для изготовления тиглей для выращивания кристаллов, электродов, наконечников перьевых ручек. Осмий, самый плотный металл, очень твёрд и применяется в износостойких покрытиях.

Тугоплавкие металлы: Стойкость в экстремальных условиях

Вольфрам (W), молибден (Mo), ниобий (Nb), тантал (Ta) и рений (Re) обладают самыми высокими температурами плавления среди всех металлов. Это свойство, в сочетании с высокой прочностью и твёрдостью (особенно у вольфрама), определяет их главные области применения.

Жаропрочные сплавы: Ниобий, молибден, тантал и рений являются ключевыми легирующими добавками в суперсплавах на основе никеля или кобальта, используемых в компонентах реактивных двигателей, газовых турбин, ракетной техники, работающих при экстремально высоких температурах. Они повышают прочность, жаростойкость и сопротивление ползучести.

Стали: Молибден и ниобий – важные легирующие элементы для производства высокопрочных низколегированных сталей (HSLA), используемых в строительстве мостов, трубопроводов, автомобилей. Они позволяют значительно увеличить прочность стали при малых добавках, снижая вес конструкций.

Твёрдые сплавы и режущие инструменты: Карбид вольфрама (WC) – основа сверхтвёрдых сплавов, используемых для изготовления режущего инструмента, буровых коронок, износостойких покрытий.

Электроника: Тантал, благодаря уникальным свойствам своего оксида, незаменим в производстве миниатюрных и надёжных танталовых конденсаторов. Вольфрам используется в качестве нитей накала в лампах и электронно-лучевых трубках. Молибден применяется в электродах и нагревательных элементах высокотемпературных печей.

Специальные применения: Рений используется в катализаторах риформинга для производства высокооктанового бензина и в термопарах. Тантал, будучи биосовместимым, применяется в медицинских имплантах.

Рассеянные элементы: Невидимые, но незаменимые

Галлий (Ga), германий (Ge), индий (In), таллий (Tl), селен (Se), теллур (Te) и некоторые другие элементы не образуют собственных месторождений и извлекаются как побочные продукты при переработке руд цветных металлов. Их производство невелико, но их уникальные полупроводниковые, оптические и электронные свойства делают их критически важными для многих современных технологий.

Полупроводники: Германий был первым полупроводниковым материалом, но позже уступил кремнию. Однако он все ещё используется в высокочастотной электронике, инфракрасной оптике и детекторах. Арсенид галлия (GaAs) и нитрид галлия (GaN) – ключевые материалы для производства светодиодов (LED), лазерных диодов, высокоскоростных транзисторов, компонентов для мобильной связи и радаров. Индий (в виде фосфида индия InP или антимонида индия InSb) также используется в оптоэлектронике и инфракрасных детекторах.

Структура арсенида галлия

Прозрачные проводники: Оксид индия-олова (ITO) – основной материал для прозрачных электродов в LCD и OLED дисплеях, сенсорных экранах и солнечных панелях.

Термоэлектрики и фотовольтаика: Теллур (в виде теллурида кадмия CdTe или теллурида висмута Bi₂Te₃) и селен (в виде диселенида меди-индия-галлия CIGS) – важные материалы для тонкоплёночных солнечных элементов и термоэлектрических генераторов/охладителей.

Теллур / Tellurium (Te)

Специальные применения: Селен используется в фотокопировальной технике и как добавка к стеклу. Таллий, несмотря на высокую токсичность, находит применение в специальных оптических стёклах и детекторах.

Эта палитра свойств – от сверхсильного магнетизма РЗМ до прозрачности индия и тугоплавкости вольфрама – и создаёт материальную основу нашего высокотехнологичного мира. Но именно уникальность и незаменимость этих свойств, помноженные на сложность и ограниченность их получения, превращают эти металлы из простых химических элементов в объекты ожесточённой экономической и геополитической борьбы – в подлинные «элементы власти».

Редкость: геологическая, технологическая, экономическая и геополитическая

Понятие «редкости» применительно к металлам многогранно и далеко не исчерпывается их концентрацией в земной коре. Металл может быть геологически относительно распространён, но при этом оставаться редким для промышленности из-за трудностей извлечения, переработки или отсутствия стабильных источников поставок. Напротив, даже геологически скудный элемент может стать вполне доступным при наличии эффективных технологий и развитой инфраструктуры. Вопрос редкости часто связан не с абсолютным количеством металла на планете, а с тем, насколько сложно его добыть или насколько технологический спрос опережает предложение. Таким образом, «редкость» металлов – это динамичный конструкт, формирующийся на пересечении четырёх ключевых факторов: геологии, технологии, экономики и геополитики.

Геологическая редкость: Дар или проклятие природы?

Как мы видели, истинно редких в земной коре стабильных элементов не так уж много. К ним относятся, прежде всего, металлы платиновой группы и рений. Золото также встречается редко. Чтобы оценить эту редкость, геологи и химики используют специальную нотацию – «части на миллион» (ppm) или даже «части на миллиард» (ppb). Эти значения, полученные путём кропотливого анализа множества образцов земной коры, показывают, сколько атомов данного элемента приходится на миллион или миллиард всех атомов в коре. Например, содержание платины, одного из самых известных драгоценных металлов, составляет всего около четырёх частей на миллиард (4 ppb) – то есть, лишь четыре атома из миллиарда в земной коре являются атомами платины. Как наглядно показывает Веронезе, если бы всю платину, добытую за последние десятилетия, расплавили, она едва ли заполнила бы средний домашний бассейн. Даже серебро, с которым мы контактируем гораздо чаще, присутствует в коре в концентрации всего лишь двадцать частей на миллиард (20 ppb). А такие металлы, как осмий, рений, иридий, рутений и само золото, ещё более редки, их содержание измеряется долями ppb. На экстремальном конце спектра находится прометий, названный в честь мифологического титана, похитившего огонь у богов. Этого металла настолько мало (по оценкам, чуть более полфунта во всей земной коре – объёма, который уместился бы на ладони ребёнка), что, несмотря на потенциальную полезность (например, в атомных батареях), он пока не нашёл практического применения.

Содержание большинства других «редких» металлов, включая РЗМ, литий, кобальт, вольфрам, ниобий, тантал, в коре сопоставимо или даже выше, чем у хорошо знакомых нам свинца, олова или цинка. Однако решающее значение имеет не среднее содержание (кларк), а наличие промышленных концентраций – месторождений, где содержание элемента достаточно велико для рентабельной добычи. И здесь геологическая лотерея распределила призы крайне неравномерно.

Высококонцентрированные, но локализованные месторождения: Некоторые редкие металлы образуют уникальные, очень богатые месторождения, но их число крайне ограничено. Классический пример – ниобий, 85% мировых запасов которого сосредоточено в одном месторождении Араша (Бразилия) в виде минерала пирохлора. Похожая ситуация с боратами (Турция), отчасти с литием (соляные озера в Чили и Аргентине). Такая концентрация делает добычу относительно дешёвой, но создаёт почти естественную монополию для страны или компании, контролирующей месторождение.

Низкоконцентрированные, но обширные месторождения: Редкоземельные металлы, напротив, чаще встречаются в виде низкоконцентрированных, но обширных месторождений, таких как Баян-Обо (вместе с железом) или ионно-адсорбционные глины Южного Китая. Геологические запасы здесь огромны, но низкое содержание требует переработки гигантских объёмов руды, что ведёт к большим экологическим издержкам. Это одна из причин, почему РЗМ, несмотря на не самую низкую концентрацию в коре, долгое время считались именно «редкими» – их трудно найти в «удобной» для добычи форме.

Рассеянные (попутные) металлы: Галлий, германий, индий, теллур, рений и другие практически не образуют собственных месторождений и извлекаются как микропримеси из руд цветных металлов. Их доступность напрямую зависит от объёмов добычи меди, цинка, алюминия, что делает предложение неэластичным и не зависящим напрямую от спроса на сами эти редкие металлы.

Распределение некоторых ценных металлов по планете дополнительно усложняется их химическими свойствами. Многие из них, включая золото, платину, палладий, осмий, иридий и рений, являются сидерофилами, что в переводе с греческого означает «любящие железо». Эти элементы имеют тенденцию растворяться в расплавленном железе и образовывать с ним прочные связи. Учитывая, что ядро Земли, по оценкам, на 90% состоит из железа, предполагается, что огромные количества этих драгоценных металлов за миллиарды лет «утонули» в глубинах планеты, стремясь к её железному сердцу. Этот процесс не только истощил их запасы в доступной для нас земной коре, но и помешал формированию концентрированных месторождений на поверхности, рассредоточив их в крайне малых количествах. Теоретически, основные запасы этих металлов находятся там, внизу, но современные технологии не позволяют нам их извлечь.

Таким образом, геологический фактор определяет исходный потенциал, но не конечную доступность металла. Часто именно технологические барьеры делают металл "редким" для использования.

Технологическая сложность: Отделяя зерна от плевел

Даже при наличии богатой руды, извлечение и очистка редких металлов представляет собой серьёзный технологический вызов. Сложность этого процесса напрямую влияет на доступность и стоимость металла, формируя его «технологическую редкость».

Многостадийность и сложность: В отличие от золота, которое часто встречается в самородном виде и может быть очищено относительно простыми методами, известными с древности (промывка, плавка с бурой для удаления примесей), большинство редких металлов «спрятаны» в сложных минеральных матрицах и требуют десятков, а то и сотен стадий обогащения, химического выщелачивания, экстракции и электролиза. Каждый этап несёт риск потерь целевого металла и требует значительных затрат энергии и реагентов. Как мы видели, выделение всех стабильных редкоземельных элементов заняло у химиков более ста лет кропотливой работы.

Химическое сходство: Особую трудность представляет разделение химически схожих элементов, таких как РЗМ или металлы платиновой группы. Их разделение требует применения сложных и дорогостоящих методов, таких как многократная жидкостная экстракция или ионный обмен. История открытия алюминия ярко иллюстрирует, как технологический прорыв может радикально изменить статус металла. До изобретения процесса Холла-Эру алюминий был дороже золота из-за сложности его выделения, но затем стал одним из самых доступных и широко используемых металлов.

Требования к чистоте: Современные технологии часто требуют металлов сверхвысокой чистоты (например, 99,99% и выше для полупроводников или магнитов). Достижение такой чистоты – это финальный и часто самый дорогостоящий этап рафинирования, добавляющий ещё один барьер на пути к доступности.

Экологические вызовы: Многие процессы переработки редких металлов связаны с использованием токсичных реагентов (кислот, щелочей, цианидов) и образованием больших объёмов опасных отходов (радиоактивных хвостов при переработке РЗМ, кислых стоков). Необходимость безопасного обращения с этими веществами и отходами значительно удорожает производство и создаёт дополнительные технологические проблемы.

Экономическая редкость: Цена имеет значение

Геология и технология определяют физическую возможность и затраты на производство редких металлов. Экономика же определяет, будет ли это производство рентабельным. Редкость здесь – это функция соотношения цены и издержек.

Высокие издержки: Высокие капитальные затраты на строительство горно-обогатительных комбинатов, долгие сроки окупаемости проектов (10-15 лет), высокие операционные расходы (энергия, реагенты, экологические платежи) – всё это делает добычу редких металлов экономически целесообразной только при определённом, зачастую высоком, уровне цен на конечный продукт.

Волатильность рынка: Рынки редких металлов отличаются чрезвычайной волатильностью цен. Резкие скачки спроса (например, из-за появления новой технологии, как электромобили для лития и кобальта) или перебои с поставками (из-за геополитики или закрытия рудников, как РЗМ-кризис 2010-2011 гг.) могут приводить к многократному росту цен за короткое время. С другой стороны, появление новых крупных месторождений или технологий переработки может обрушить цены, сделав существующие проекты нерентабельными. Эта непредсказуемость отпугивает многих инвесторов, особенно от долгосрочных и капиталоёмких проектов. История помнит примеры, когда внезапный избыток ресурса, пусть и такого ценного, как золото, приводил к экономическому коллапсу. Например, паломничество Мусы I, правителя (мансы) золотоносной Мали, в 1324 году, сопровождавшееся раздачей огромного количества золота в Каире, Медине и Мекке, привело к обесцениванию металла и экономическому спаду в регионе на целое десятилетие.

Изображение Манса Мусы, правителя Малийской империи в XIV веке, из каталонского атласа известного мира 1375 года, нарисованного Абрахамом Кресксом с Майорки

Эффект масштаба и монополизация: Эффект масштаба играет ключевую роль. Крупные производители с низкой себестоимостью (как бразильская CBMM по ниобию или китайские производители РЗМ) могут диктовать цены и вытеснять с рынка более мелких или менее эффективных конкурентов, создавая олигополии или даже монополии, что ещё больше искажает экономическую картину редкости.

Геополитическая редкость: Ресурсы как оружие

Наконец, доступ к редким металлам все больше становится вопросом геополитики. Концентрация запасов и производства в немногих странах создаёт критическую зависимость стран-потребителей.

Ресурсный национализм и «оружие»: Страны-производители могут использовать эту зависимость как рычаг давления или даже как оружие в международных отношениях, ограничивая экспорт, вводя квоты или пошлины, требуя трансфера технологий или инвестиций в обмен на доступ к ресурсам. Пример Китая с РЗМ в 2010 году стал хрестоматийным, показав всему миру, как быстро геологическое преимущество может быть конвертировано в геополитическую силу.

Стратегические запасы и альянсы: Опасения по поводу надёжности поставок из геополитически чувствительных регионов заставляют другие страны искать пути диверсификации, создавать стратегические запасы критических металлов и формировать «ресурсные альянсы» с «надёжными» партнёрами.

Новая «Большая игра»: Вопросы доступа к месторождениям в Африке, Арктике или даже на дне океана и в космосе становятся частью новой «Большой игры» за ресурсы, где переплетаются экономические интересы, вопросы национальной безопасности и борьба за технологическое лидерство. Национальная безопасность теперь напрямую зависит от стабильности поставок не только нефти, но и десятков других, менее заметных, но не менее важных металлов.

В итоге, истинная «редкость» металла в современном мире – это сложное переплетение всех четырёх факторов. Геология даёт исходные карты, технология определяет возможность игры, экономика диктует ставки, а геополитика устанавливает правила, которые могут внезапно измениться. Понимание этой многомерной редкости необходимо для навигации в сложной и полной вызовов эпохе войн за редкие металлы.

Глава 2. «Неутолимая жажда»: Гаджеты, «зелёные» мегаватты, «умное» оружие и глобальный спрос на редкие металлы

Цифровая вселенная в кармане: Гаджетомания, сети и материальный аппетит нематериального мира

Революция, начавшаяся с неповоротливых мэйнфреймов 1960-х и персональных компьютеров 1980-х, достигла своего апогея в XXI веке с появлением смартфона. Это уже не просто телефон, а мощнейший компьютер, камера высокого разрешения, навигатор, музыкальный плеер, игровая консоль и окно в безграничную вселенную интернета – и всё это умещается на ладони. Стив Джобс, представляя первый iPhone в 2007 году, обещал «магию», и мир поверил. Последующее десятилетие стало эпохой экспоненциального роста рынка смартфонов, планшетов, ноутбуков, носимой электроники и других гаджетов, которые проникли во все аспекты нашей жизни, коренным образом изменив способы общения, работы, развлечения и потребления информации. Но за элегантным дизайном и безграничными возможностями этих устройств скрывается ненасытный аппетит к редким и минорным металлам, ставшим подлинными строительными блоками цифровой эры.

Феномен миниатюризации – стремление сделать устройства меньше, тоньше, легче и при этом мощнее – был бы невозможен без уникальных свойств этих элементов. Тончайший слой оксида индия-олова (ITO) на стекле дисплея обеспечивает его прозрачность и сенсорную функциональность; мировое производство индия, извлекаемого почти исключительно из цинковых руд, выросло в разы за последние 20 лет, и львиная его доля идёт именно на производство дисплеев. Яркие, насыщенные цвета экранов смартфонов и телевизоров оживают благодаря люминофорам на основе редкоземельных европия, тербия, церия и гадолиния; как сообщал The Wall Street Journal в разгар РЗМ-кризиса, перебои с поставками этих элементов ставили под угрозу производство новейших моделей телевизоров ведущих мировых брендов. Компактные и мощные динамики и вибромоторы приводятся в действие крошечными, но сверхсильными неодимовыми магнитами; аналитическое агентство Adamas Intelligence оценивает ежегодную потребность только аккумуляторной индустрии (включая и мобильные устройства) в сотнях тонн этих магнитов.

Энергию для всей этой цифровой магии запасают литий-ионные аккумуляторы, чей вес и объём удалось радикально сократить благодаря высокой плотности энергии лития и использованию кобальта и никеля в катодных материалах. Как отмечало агентство Bloomberg, спрос на эти три металла взлетел до небес вместе с рынком смартфонов и электромобилей, создав ажиотаж вокруг месторождений в Чили, Австралии и скандально известной ДРК. Надёжную работу процессоров и управление энергопотреблением обеспечивают танталовые конденсаторы; потребность в тантале настолько велика, что, по данным Геологической службы США, производство смартфонов и другой потребительской электроники поглощает значительную часть мирового предложения этого тугоплавкого металла, добываемого в основном в Центральной Африке и Австралии. Скорость передачи данных в сетях 4G и 5G, а также работа Wi-Fi-модулей зависит от полупроводников на основе арсенида галлия (GaAs) и нитрида галлия (GaN); компания Strategy Analytics прогнозирует многомиллиардный рост рынка GaN-устройств, подстёгиваемый развитием 5G и электромобилей. Даже менее «экзотические» редкие металлы, вроде бериллия (в контактах) или ниобия (в акустических фильтрах), находят своё место в сложном механизме современного смартфона. Исследования, цитируемые в научных журналах вроде Nature Sustainability, показывают, что производство одного смартфона требует добычи и переработки десятков килограммов руды, воды и энергии, а его «материальный след» включает до 70 различных элементов.

Эта «гаджетомания» имеет и обратную сторону – стремительное устаревание устройств и рост электронного мусора. Средний срок службы смартфона составляет около двух лет, после чего он чаще всего отправляется не на переработку, а на свалку или в ящик стола. По оценкам Statista, к 2025 году в мире будет использоваться более 18 миллиардов устройств, подключённых к Интернету вещей (IoT), – от «умных» часов и фитнес-трекеров до бытовой техники и промышленных датчиков. Каждое из этих устройств будет содержать свой набор редких металлов. Как отмечал отчёт Глобального мониторинга электронных отходов (Global E-waste Monitor), объёмы генерируемого е-мусора растут с угрожающей скоростью, создавая не только экологические проблемы, но и колоссальную потерю ценных ресурсов.

Более того, сам цифровой мир, кажущийся нематериальным, опирается на гигантскую физическую инфраструктуру. Миллионы серверов в центрах обработки данных (ЦОД), потребляющие огромное количество электроэнергии (до 2-3% мирового потребления) и охлаждающей воды, используют неодимовые магниты в жёстких дисках. Глобальная сеть оптоволоконных кабелей, передающая наши данные через океаны, требует германия для световодов и эрбия для оптических усилителей. Бесчисленные базовые станции сотовой связи, обеспечивающие мобильный интернет, насыщены танталом, галлием и другими редкими металлами. Развёртывание сетей 5G, требующих гораздо большей плотности базовых станций, лишь усугубит эту зависимость. Как писали журналисты Wired, облако – это не невесомое хранилище данных, а гигантские, энергоёмкие фабрики, построенные из вполне реальных и часто редких материалов. Наша растущая зависимость от цифровых технологий – от утренней проверки соцсетей до управления «умным» домом – имеет вполне ощутимый и постоянно растущий материальный след, питаемый неутолимой жаждой редких металлов.

Энергия ветра и солнца: Не зелёная изнанка «зелёного» перехода

Климатический кризис и необходимость отказа от ископаемого топлива выдвинули на передний план возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – ветер, солнце, воду, геотермальное тепло. Эти технологии обещают чистое, безопасное и практически неисчерпаемое энергетическое будущее. Однако их масштабное развёртывание, необходимое для достижения целей Парижского соглашения, оказалось неожиданно металлоёмким, создавая новый виток спроса на редкие металлы, порой даже более интенсивный, чем в цифровой индустрии.

Ветроэнергетика, особенно её офшорный сегмент, стала одним из главных потребителей редкоземельных постоянных магнитов. Как уже детально описывалось, современные мультимегаваттные турбины с технологией прямого привода (PMSG) требуют сотен килограммов, а то и нескольких тонн, неодим-железо-борных магнитов с добавками диспрозия или тербия для термостабильности. Издание Windpower Monthly регулярно публикует статьи о технологических тенденциях в отрасли, отмечая как рост популярности PMSG из-за их надёжности и эффективности, так и сопутствующие опасения по поводу волатильности цен и зависимости от поставок РЗМ из Китая. Кризис 2010-2011 годов заставил многих производителей (например, Vestas или Siemens Gamesa) искать пути снижения зависимости от диспрозия или разрабатывать альтернативные конструкции генераторов, но пока РЗМ-магниты остаются доминирующей технологией для самых мощных установок. Прогнозируемый МЭА многократный рост установленной мощности ветропарков к 2050 году означает, что ветроэнергетика останется одним из главных драйверов спроса на неодим и особенно на критически важный диспрозий. Компании вроде датской Ørsted, мирового лидера в офшорной ветроэнергетике, в своих годовых отчётах все чаще уделяют внимание вопросам устойчивости цепочек поставок материалов.

Солнечная фотовольтаика (PV), хотя и в меньшей степени зависит от РЗМ, предъявляет свой специфический спрос на редкие металлы. Кремниевые панели, доминирующие на рынке, требуют кремния сверхвысокой чистоты. Тонкоплёночные технологии второго поколения – теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди-индия-галлия (CIGS) – опираются на редкие рассеянные элементы теллур, индий, галлий, селен, а также токсичный кадмий. Хотя эти плёнки чрезвычайно тонки, производство гигаватт солнечной энергии требует десятков тонн этих дефицитных материалов. Агентство Reuters сообщало о растущих опасениях по поводу долгосрочной доступности теллура для индустрии CdTe, полностью зависящей от его попутной добычи при производстве меди. С другой стороны, прорывы в технологии перовскитных солнечных элементов, обещающие высокую эффективность при потенциально низких затратах, могут создать новый спрос на свинец, олово и йод. Любая солнечная панель, независимо от технологии, также требует серебра для токосъёмных контактов (что уже вызывает озабоченность из-за роста спроса на серебро), алюминия для рам и сложной силовой электроники (инверторов) для подключения к сети, также насыщенной редкими металлами. Журнал PV Magazine постоянно отслеживает эти материальные вызовы для солнечной индустрии.

Электромобили как уже подчёркивалось, являются одним из главных «пожирателей» редких металлов. Литий-ионные аккумуляторы требуют лития, кобальта, никеля, графита. Двигатели – часто неодим и диспрозий. Электроника – тантал, галлий, германий, индий. Аналитики BloombergNEF прогнозируют, что к 2030 году спрос на литий со стороны автопрома вырастет более чем в 10 раз, на кобальт и никель – в 15-20 раз. Это создаёт колоссальное давление на сырьевые рынки и стимулирует гонку за контролем над месторождениями в Чили, Аргентине, Австралии, Конго, Индонезии. Скандалы вокруг условий добычи кобальта, освещаемые The Washington Post и другими изданиями, подчёркивают этические дилеммы «чистого» транспорта.

Кроме того, «зелёный» переход требует модернизации и расширения электросетей для интеграции нестабильных ВИЭ и зарядки миллионов электромобилей. Это подразумевает строительство новых линий электропередач (требующих меди и алюминия), установку систем хранения энергии (гигантских аккумуляторов, часто на основе того же лития и кобальта, или перспективных ванадиевых редокс-батарей), внедрение технологий «умных сетей» (Smart Grid), насыщенных датчиками, коммуникационным оборудованием и силовой электроникой, где снова не обойтись без редких металлов.

Таким образом, переход к «зелёной» энергетике, каким бы благим он ни был с точки зрения климата, оборачивается значительным увеличением спроса на широкий спектр минеральных ресурсов, многие из которых являются редкими, добываются в геополитически чувствительных регионах и имеют свой собственный экологический след, который, напротив, отнюдь не экологичный. Отчёт Всемирного банка «Минералы для климатических действий» (Minerals for Climate Action) подчёркивает эту материальную интенсивность «зелёного» перехода, прогнозируя многократный рост спроса на графит, литий, кобальт и индий к 2050 году. Игнорировать эту металлическую изнанку энергетической трансформации – значит закрывать глаза на новые вызовы и риски, которые она порождает. «Зелёное» будущее строится не только из солнечного света и ветра, но и из тонн переработанной руды и километров оптоволокна, насыщенных редкими элементами.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Примечания

1

PPM означает parts per million, что переводится как «частей на миллион». Это мера концентрации, которая показывает количество частей определённого вещества на миллион частей смеси.

Вернуться

2

Ныне в составе Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне под Москвой, где работал Георгий Флеров, один из пионеров спонтанного деления тяжёлых ядер.

Вернуться