Редкие металлы и элементы, которые всем так нужны

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.