Рейтинг@Mail.ru
Поиск
x
Журнал №192, сентябрь 2019
Журнал №70, июнь–август 2019
Это новый сайт National Geographic Россия. Пока мы работаем в режиме бета-тестирования.
Если у вас возникли сложности при работе с сайтом, напишите нам: new-ng@yasno.media
Наука

Семнадцать элементов: редкоземельные металлы

Текст: Тим Фолджер
24 июня 2011
/upload/iblock/e59/e590a7850155211ee4d6627da291361d.jpg
Самарий – один из 17 редких, но широко используемых металлов: в составе магнитного адаптера преобразовывает колебания струн электрогитары в электрический сигнал. Он также содержится в регулирующих стержнях некоторых ядерных реакторов.
Фото: Ник Манн
/upload/iblock/0ed/0ed5f4bb9626ec4578a42afafdffabf2.jpg
Благодаря редкоземельным металлам мобильные телефоны и МР3-плееры издают звук и излучают свет. Неодимовые магниты воздействуют на громкоговоритель, вибрирующий моторчик и крошечные наушники. Цвета на жидкокристаллических мониторах создаются с помощью европия (красный) и тербия (зеленый).
Фото: Хью Тарви (рентген, раскрашено вручную)
/upload/iblock/064/0643c2e060654c9404560690e631061c.jpg
Вооруженные силы США зависят от китайских рудников. Для производства приборов ночного видения требуются лантан, гадолиний и иттрий. Магниты из самария, выдерживающие высокие температуры, помогают контролировать управляемые снаряды и крылатые ракеты «Томагавк».
Фото: Марк Тиессен
/upload/iblock/fa2/fa25aade44c128b6bb5735faddfb33e3.jpg
Гадолиний служит контрастным веществом при магнитно-резонансном сканировании, помогая хирургам отличать больные ткани от здоровых. На скане черепной коробки справа оранжевым цветом показана опухоль мозга.
/upload/iblock/50b/50b23055a26f96bf2c9ee4dbb0e8ff00.jpg
Гибридные автомобили невозможно было бы создать без редкоземельных металлов – лантан нужен в аккумуляторах, неодимовые магниты – в электромоторах. В ветряной турбине может содержаться несколько сотен килограммов неодима. В компактной флуоресцентной лампе – иттрий и тербий, хотя и в гораздо меньшем количестве.
/upload/iblock/696/696e23c7fbb82ae811b77bee421f4c6b.jpg
Празеодим, эрбий и неодим используются для напыления солнцезащитных очков-хамелеонов, а церий в бутылочном стекле поглощает ультрафиолетовое излучение и сохраняет вино. В некоторых механизмах магниты из неодимия и диспрозия снижают износ моторов.
/upload/iblock/a58/a589ce64a0499af20681d8816f73b413.jpg
Магнит на основе неодима во много раз сильнее обычного ферромагнита того же размера: он способен удержать гаечный ключ длиной 30 сантиметров и массой 700 граммов. Редкоземельные металлы обладают присущей железу магнитоактивностью и усиливают магнитное притяжение.
Фото: Марк Тиессен
В небольших количествах редкоземельные металлы нужны для многих больших вещей, без которых сегодня невозможно представить нашу жизнь.
В великом множестве инструментов и приборов, от смартфонов до гибридных двигателей и беспроводных электродрелей, есть щепотка редкоземельных металлов, возможно, добытых в Китае. Большинство из нас с трудом отыщет на карте Внутреннюю Монголию, Цзянси или Гуандун. Между тем многие технические устройства, от которых мы все зависим – мобильные телефоны, ноутбуки и другие, – не появились бы на свет, если бы не малоизвестная группа элементов; содержащие их руды по большей части добывают в этих трех и еще нескольких провинциях Китая.
Магниты, сделанные из редкоземельных металлов, во много раз сильнее обычных магнитов, а весят гораздо меньше. Благодаря «редким землям» многие электронные устройства стали компактными.
Редкоземельные металлы были открыты в конце XVIII века в минералах из группы оксидов – отсюда их название (оксиды довольно долго именовали «землями»). Это самые настоящие металлы, правда, не такие уж и редкие (встречаются в природе в 200 раз чаще, чем золото), просто встречаются они в рассеянном состоянии. Впрочем, значительные рудные залежи, которые имеет смысл разрабатывать, и в самом деле очень редки (в России к подобным месторождениям относятся Ковдорское и Хибинское). Можно до бесконечности перечислять приборы, содержащие редкоземельные металлы. Магниты, сделанные из них, во много раз сильнее обычных магнитов, а весят гораздо меньше. Благодаря «редким землям» многие электронные устройства стали такими компактными. Редкоземельные металлы необходимы для производства экологичных машин, включая автомобили с гибридным двигателем и ветряные турбины. Аккумулятор одной только Toyota Prius содержит около 10 килограммов лантана; в магните большого ветряного двигателя – не менее 260 килограммов неодима. А еще редкоземельные элементы нужны для производства приборов ночного видения, крылатых ракет и другого вооружения. «Они буквально окружают нас, – говорит Карл Гшнайднер, старший металловед департамента энергетики в Эймсе, штат Айова. – Возьмем телевизионный экран – красный цвет получается благодаря европию. Каталитический преобразователь выхлопных газов, снижающий их токсичность, содержит церий и лантан. Если вы о них не знаете, кажется, что их и нет вовсе. И большинство людей даже не задумывается о существовании этих металлов, пока в продаже есть изделия из них». Но недавно многие заволновались. Китай, на 97 процентов обеспечивающий мировую промышленность редкоземельными металлами, осенью 2010 года потряс рынки, когда на месяц, в период дипломатических разногласий, прекратил поставки в Японию. Ожидается, что в течение следующего десятилетия КНР будет постепенно сокращать экспорт, чтобы обеспечить нужды своей стремительно растущей промышленности, уже потребляющей около 60 процентов всех добываемых в стране редкоземельных металлов. В преддверии возможного дефицита взлетели цены: восемь лет назад диспрозий, используемый при производстве жестких дисков, стоил 14,93 доллара за килограмм, а сейчас – 467 долларов; прошлым летом церий всего за два месяца подорожал на 450 процентов. Еще до конца 2011 года мировой спрос может превысить предложение, полагает Марк А. Смит, президент и исполнительный директор компании Molycorp, которая в прошлом году возобновила разработки редкоземельных металлов в Маунтин-Пасс, штат Калифорния. «Сейчас мы испытываем трудности с поставками, и очень серьезные, – говорит Смит. – В этом году США понадобится 55–60 тысяч тонн редкоземельных металлов, ввозимых из Китая, но в лучшем случае мы получим около 24 тысяч тонн. Мы выживем благодаря перестройке промышленности и правительственным резервам, но, думаю, 2011 год сложится непросто». Спрос, похоже, снижаться не будет. Согласно прогнозам, в 2015 году, мировой промышленности потребуется 185 тысяч тонн редкоземельных металлов. И если Китай откажется продавать свои руды за рубеж, откуда весь остальной мир возьмет элементы, без которых немыслимы современные технологии?
Сейчас мир пытается найти новые источники редкоземельных металлов.
Хотя в настоящий момент Китай лидирует в области добычи редкоземельных металлов, в других странах их месторождения тоже имеются. В КНР сосредоточены 48 процентов всех мировых запасов, в США – 13 процентов. Россия, Австралия и Канада также обладают значительными залежами редкоземельных руд. До 1980-х годов бесспорным мировым лидером в добыче были Соединенные Штаты, в основном благодаря руднику Маунтин-Пасс. Было время, когда там добывали 20 тысяч тонн в год, что составляло более 60 процентов от общей мировой добычи. Американское господство закончилось в середине 80-х, когда Китай овладел технологией разделения редкоземельных металлов (это непросто, потому что они схожи между собой по химическим свойствам) и громко заявил о себе на рынке. Благодаря поддержке правительства, дешевой рабочей силе и отсутствию природоохранных ограничений китайские предприятия обошли конкурентов. Шахта Маунтин-Пасс закрылась в 2002 году, и Баотоу, город во Внутренней Монголии, автономном регионе КНР, стал новой мировой столицей производства редкоземельных металлов. «В рудниках Баотоу – сосредоточены около 80 процентов всех редкоземельных металлов Китая», – рассказывает Чен Чжанхен, директор научного отдела Китайского общества редкоземельных металлов в Пекине. Но Баотоу заплатил слишком высокую цену за свое величие: у некоторых из самых экологически чистых и высокотехнологичных изделий весьма грязная история продвижения на рынок. Часто в шахтах, где добывают редкоземельные металлы, содержатся также радиоактивные элементы, такие как уран и торий; ежегодно около 10 миллионов тонн сточных вод содержат кислоты или радиоактивные элементы, и, как правило, эти воды не проходят очистку. Сообщалось, что жителей деревень в окрестностях Баотоу пришлось эвакуировать, потому что вода и поля оказались заражены отходами разработок. Чен утверждает, что власти пытаются заставить все производства установить очистные сооружения. «Правительство уже издало строгие предписания по защите окружающей среды и устранению отсталых технологий и оборудования, – написал Чен в электронном письме. – Заводы, где нет средств по защите окружающей среды, будут закрыты или переданы крупным компаниям». Со временем, возможно, китайское правительство отрегулирует крупную добычу редкоземельных металлов возле Баотоу. Но мелкие шахты в Южном Китае контролировать гораздо сложнее, в первую очередь, потому, что они существуют незаконно. Мощные криминальные группировки владеют десятками загрязняющих окружающую среду – но очень прибыльных – шахт в провинциях Цзянси и Гуандун. Официальное китайское новостное агентство Синьхуа сообщило, что в 2008 году преступники вывезли из страны 20 тысяч тонн редкоземельных металлов – почти треть годового экспорта страны. «Вы не представляете, насколько коррумпирована система в Китае – местные партийные бонзы помогают преступникам и покрывают их», – говорит Алан Кроули, исполнительный директор Pacific Ores Metals & Chemicals, торговой компании из Гонконга. И добавляет: – Гонконгская полиция бессильна». Сейчас мир пытается найти другие источники редкоземельных металлов. Разработки руд в США, Австралии, России и других странах положат конец преступному бизнесу. «В принципе Маунтин-Пасс мог бы избавить США от необходимости ввозить редкоземельные метал- лы», – считает Смит. А по словам Чена, нынешнее китайское господство на рынке не будет долгим: «Такое положение дел не идет на пользу ни китайскому производству, ни мировой высокотехнологичной индустрии».