Редкие металлы: почему они так важны — и почему мы так мало о них знаем?

***

Благодаря этим элементам наши устройства становятся всё меньше и всё мощнее. «Магической», то есть реагирующей на прикосновения, стеклянную поверхность телефона делает крупица редкого металла индия, который осуществляет невидимую связь и служит прозрачным проводником между телефоном и вашим пальцем. Напыление европия и тербия дает оттенки бриллиантового красного и зеленого на экране, частицы тантала регулируют мощность в телефоне, а литий сохраняет энергию, которая делает телефон мобильным. Без редких металлов не обходится и производство компонентов iPhone: церий используется для полировки стекла на молекулярном уровне.

Cтремление Стива Джобса делать гаджеты маленькими и мощными привело к тому, что его компания начала собирать всё больше элементов из периодической таблицы Менделеева и доставлять их массам. Более того, коммерческий успех iPhone изменил наши ожидания от гаджетов. Он дал импульс развитию новых отраслей, включая мобильные приложения и планшеты, сделав редкие металлы неотъемлемым компонентом не только смартфонов, но и множества новых технологий.

Джобс не только выполнил свое обещание заново изобрести телефон, он также помог заново изобрести каналы поставок мировых ресурсов. И в процессе этого он способствовал наступлению новой эры — века редких металлов.

Редкие металлы находятся везде (действительно везде) — от парящих мостов до наушников. Они — в диванах, объективах камер, компьютерах и машинах. Но они редко используются сами по себе или в качестве основных материалов. В сущности, редкие металлы подобны дрожжам в пицце. Они важны в малых количествах. Без дрожжей не будет пиццы, а без редких металлов не будет высокотехнологичного мира.

Редкие металлы являются фундаментом нашей современной высокотехнологичной, «зеленой» и военной промышленности. Редкие металлы имеют такое же трансформирующее действие, как нефть и уголь. И они будут привлекать к себе не меньше внимания, чем ископаемое топливо, а это означает, что те, кто контролирует и управляет их производством и сбытом, получат огромную экономическую и геополитическую выгоду. И всё же, в отличие от нефти или угля, их запасы зачастую гораздо более ограниченны, а их месторождения находятся всего в нескольких местах на Земле. Многие из них обладают настолько уникальными свойствами и действиями, что их нельзя заменить более дешевыми или более функциональными альтернативами. Наша зависимость от редких металлов не только абстрактный геополитический вопрос или тема, касающаяся исключительно материаловедения. Она потенциальный источник конфликта. Но так было не всегда.

***

Всего лишь 150 лет назад почти все материалы в доме каждого человека происходили из близлежащего леса или карьера. К 1960-м годам, с развитием путей поставок и благодаря возросшему спросу на потребительские бытовые товары, в обычном американском доме использовалось около 20 элементов. С тех пор материаловеды провели бесшумную революцию, трансформировав продукты производства, которые нам служат, и материалы, которые позволяют им работать.

В 1990-х годах компания Intel использовала всего 15 элементов для создания компьютерных чипов, сейчас ей требуется почти 60.

Наши сегодняшние индивидуальные потребительские решения наряду с технологиями, которые мы используем каждый день, имеют значительные последствия для запасов редких металлов. К сожалению, мы мало задумываемся об этой связи между нами и этими ресурсами. Хотя редкие металлы существовали всегда, многие из них были открыты в последние несколько сотен лет, а некоторые — только в прошлом веке. В настоящее время компании используют элементы, которые еще несколько десятилетий назад ученые считали простыми примесями. За последние 35 лет горнодобывающие компании произвели в 4 раза больше многих (если не всех) редких металлов, чем с самого возникновения цивилизации вплоть до 1980 года.

Именно свойства редких металлов, например таких, как неодим и диспрозий, содержащихся в компонентах наших гаджетов, создают фундамент для новых сервисов, которые революционизировали нашу жизнь. СМИ осыпают почестями изобретателей из Кремниевой долины, но нашим технологическим существованием мы обязаны не только им. Именно благодаря росту числа технологий, основанных на редких металлах, в наших карманах работают различные сервисы от Google до Alibaba. Благодаря тому, что такое большое число людей имеют смартфоны, возникают новые рынки. Но без десятков лет работы безымянных горнодобывающих инженеров, металлургов и материаловедов Uber и Facebook никогда не стали бы брендами, знакомыми всем.

Основа современнейших технологий

По мнению Американского химического общества, на протяжении следующего столетия запасы 44 из 94 элементов таблицы Менделеева естественного происхождения могут истощиться. Будущее наших высокотехнологичных товаров скорее будет зависеть не от пределов возможностей нашего ума, а от нашей способности обеспечить производство их комплектующих. А комплектующие эти сейчас во многом опираются на редкие металлы, чей спектр применения чрезвычайно широк, но практически неизвестен обывателям. Пробежимся по некоторым областям их использования.

Когда Гюстав Эйфель начал строить башню, которая в конечном итоге стала носить его имя, ему потребовалось 7000 тонн стали.

Сегодня благодаря ниобию, если вы захотите построить копию Эйфелевой башни, вам понадобится всего 2000 тонн стали. Высококачественная сталь может содержать 100 граммов ниобия на тонну, имея более высокий уровень прочности.

При изготовлении электрической зубной щетки используются печатные платы с танталовыми вкраплениями в конденсаторе, который необходим для хранения энергии; для этого требуется магнит из неодима, диспрозия, бора и железа, а также материалы из Южного Китая, чтобы обеспечить мощность вращения щеток, которая составляет свыше 31 тысячи оборотов в минуту. Помимо этого, нужны батареи из никеля и кадмия или лития. Чтобы приобрести все 35 металлов, необходимых для производства электрической зубной щетки, требуется обширная цепочка поставок малых металлов: горнодобывающая компания вроде бразильской Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM) для поставки металлов, эстонская компания Silmet для обработки металлов и семья трейдеров Лерманов из Нью-Йорка для снабжения сплавами производителей комплектующих, которые продают свои товары изготовителям зубных щеток. Эта сеть охватывает 6 континентов. Одни только эти компоненты проходят свой путь через 7 стран: Китай, Конго, Чили, Россию, Корею, Индонезию и Турцию. А количество важнейших материалов, необходимых для создания всего нескольких крошечных компонентов, делает эту цепочку еще длиннее.

Другим ярким примером таблицы Менделеева в повседневности является мобильник. Сегодня, спустя 30 лет, мобильный телефон представляет собой насыщенную концентрацию редких материалов: на 60% он состоит из металлов и керамики. Подобно игрокам в баскетбольной команде, каждый металл играет важную роль. Все элементы выполняют определенные задачи. Для антенны нужны титан и бор, для передатчиков — титан и барий, в конденсаторах используются тантал и стронций, в динамиках и микрофоне — самарий и кобальт, в соединительных разъемах — бериллий, а в усилителях мощности — галлий. Уберите редкоземельный элемент фосфор, и экран станет тусклым. Выкиньте тантал, и телефон станет больше, а звонки будут чаще срываться. Удалите галлий, и прием ухудшится.

В смартфонах 4G используется в 6–10 раз больше галлия, чем всего несколько лет назад было в обычном сотовом телефоне. Использование материала в расчете на единицу продукции может быть небольшим, но оно суммируется на рынках малых металлов в значительные объемы. В аккумуляторе одного мобильного телефона используется в среднем всего 6 граммов кобальта. Это количество кажется несущественным, но из него складывается потребление около 7500 тонн кобальта ежегодно для одних только смартфонов.

Конечно, в некоторых новых товарах используется меньше редких металлов, чем в их предыдущих версиях. Например, в светодиодных дисплеях применяется намного меньше редкоземельных элементов в расчете на одну лампу, чем в их люминесцентных собратьях. А в ноутбуках на замену жестким дискам пришли новые твердотельные накопители, которые хранят данные на микросхемах флеш-памяти. Поскольку на жестких дисках используются два редкоземельных магнита, один из которых способствует вращению магнитных металлических пластин, а другой кодирует данные на них, переход на флеш-накопители на 10 тысяч тонн в год уменьшает потребляемое количество редкоземельных магнитов, необходимых для хранения фотографий и файлов.

Тем не менее, хотя флеш-накопители быстрее и меньше, их цена в 2014 году была почти в 8 раз выше, чем на жесткие диски для того же объема памяти. Поэтому такие компании, как Acer, делают свои компьютеры, в частности Chromebook, с меньшим размером флеш-памяти. Чтобы компенсировать недостаток памяти, пользователи прибегают к облачному хранилищу, в котором основой удаленного хранилища служат жесткие диски со своими редкоземельными магнитами. Поэтому, хотя мы и наблюдаем сокращение использования редкоземельных элементов в ноутбуках, мы видим значительное увеличение использования редкоземельных магнитов в жестких дисках в облачных центрах хранения данных.

Проводящие свойства индия и его способность пропускать свет стали важнейшим фактором в развитии технологии плоских экранов. Но для экрана в спинке кресла самолета не требуется много индия — даже в плоском телевизионном экране с диагональю 42 дюйма содержится всего щепотка этого металла на сумму в 3 доллара, что на треть меньше его количества в смартфоне. (На самом деле индиево-оловянное покрытие работает так же хорошо, как чистый проводник, в настоящее время его применяют в качестве противотуманного средства на окнах самолетов и для предотвращения образования наледи на дверцах морозильных камер в супермаркетах.)

Свойства этого металла настолько уникальны, что ни одной промышленной замене до сих пор не удалось пошатнуть доминирующую роль индия в плоских экранах, несмотря на его недостатки — хрупкость и негибкость, которые стали причиной многих разбитых экранов смартфонов.

Сегодня оптоволокно, которое представляет собой стеклянные струны, передающие закодированные световые сигналы, лежит в основе интернета, поскольку переносит информацию по всему миру буквально со скоростью света. Для успешной работы оптических волокон необходимо, чтобы свет всё время двигался вперед; это сложная задача, потому что по мере распространения свет теряет свою интенсивность.

Германий — один из многочисленных редких металлов, используемых в волоконно-оптической сети. Изготовители покрывают оптические волокна тетрахлоридом германия толщиной в несколько микрон для образования уплотнения вокруг сердцевины волокна. Этот редкий металл служит одновременно и смазкой, и изолятором; он помогает направлять свет вперед и препятствует его рассеиванию. Германий составляет около 4% от общего веса оптического провода, но это, казалось бы, незначительное применение оказывает серьезное влияние на небольшой рынок такого малого металла, как германий: около 40 из 130 тонн германия, производимого ежегодно, идет на поддержание работы интернета.

Наконец, возможно, нет такого товара, в котором использовалось бы больше малых металлов, чем в самолете. За последние 50 лет самолеты отказались от стали, заменив ее композитными материалами и более легкими металлами вроде титана. Например, новый корпус Airbus A350 содержит 14% титана по сравнению с 6% в предыдущей модели Airbus A320. В двигателях всё чаще встречаются самые сложные материалы. Недавние достижения в винтомоторных установках оказались возможными только благодаря совершенствованию применения высокотемпературных свойств таких малых металлов, как кобальт, рений и иттрий. Например, рений из-за своей прочности и более высокой температуры плавления позволяет реактивным двигателям работать при более сильном нагреве и потреблять меньше топлива.

Редкоземельные металлы и окружающая среда

Как бы ни ужасающе это звучало для некоторых защитников окружающей среды, на «зеленые» задачи требуется увеличение добычи и переработки редких металлов. Разработка шахт не противоречит «зеленой» экономике — она ей необходима. А исследования показывают, что для борьбы с глобальным потеплением нам понадобится гораздо больше редких металлов.

Например, в одной только турбине ветряка может содержаться от 250 до 600 килограммов редкоземельных магнитов на мегаватт мощности. Поэтому если в ветровых турбинах на суше в Эстонии используется почти тонна редкоземельных магнитов, в более крупных турбинах мощностью до 10 МВт, предназначенных для моря, может содержаться магнитов в 3 раза больше.

Это означает, что в каждой ветровой турбине используется около 2 тонн редкоземельных магнитов, для которых необходимо до 160 килограммов диспрозия, одного из самых сложных редкоземельных элементов для приобретения.

Поставки диспрозия представляют собой сложную задачу. Для будущего гибридного или электромобиля понадобится менее 100 граммов, а для будущей ветровой турбины — около 30 килограммов. Но с появлением миллионов электрических и гибридных автомобилей и тысяч ветровых турбин можно ожидать значительное увеличение спроса. По данным Министерства энергетики США, наши потребности могут возрасти до 8000 тонн в год, то есть в 7 раз больше, чем уровень производства в 2010 году.

В стандартном автомобиле содержится более 40 магнитов и 20 датчиков, в которых используются редкоземельные элементы общим весом около полукилограмма. Новые функции вроде камер, заменяющих зеркала заднего вида, только увеличивают их сложность, как и спрос на малые металлы. Сегодня автомобильные компании больше всего обеспокоены тем, что в каждом гибридном автомобиле применяется до 1,25 килограмма редкоземельных магнитных материалов, а в каждом электромобиле — примерно в 3 раза больше. Магниты из редкоземельных металлов используются в электромобилях по той же причине, что и в ветровых турбинах: в этом случае они намного эффективнее и мощнее асинхронного электродвигателя. «При том же уровне выходной мощности двигатель с постоянным магнитом всегда будет меньше, легче и компактнее по сравнению с асинхронным электродвигателем», — говорит Джон Миллер, бывший исследователь силовой электроники в Национальной лаборатории Ок-Ридж, США.

Уайетт Мецгер, специалист по солнечной энергии в Национальной лаборатории возобновляемой энергии, вместе со своей командой разрабатывает новую технологию тонких пленок кадмия-теллура. Сам по себе слой кадмия-теллура намного тоньше пряди волос. По словам Мецгера, они дешевле в производстве, чем высокочистый кремний. В других тонкопленочных технологиях используются галлий (он же применяется и в ЖК-экранах) и селен, родственный элемент теллура. Их тонкость и гибкость открывают новые возможности солнечной энергии: благодаря им панели можно свернуть, что делает их переносными. Эта функция является ключевой для военных задач, поскольку доставлять топливо в зоны конфликта недешево и небезопасно.

Но не только производство солнечной энергии зависит от самых редких из редких металлов. Не все задумываются об энергопотреблении лифта, но в зданиях, где они установлены, на лифт приходится 5% всей потребляемой электроэнергии. Установите в лифте двигатель, основанный на редкоземельных магнитах, и вы уменьшите потребление энергии вдвое или более. Это большая экономия, но она не может сравниться с энергосберегающими возможностями новых ламп.

Лампочки долгое время изготавливались с добавлением некоторых малых металлов от вольфрамовых нитей в лампах накаливания до различных порошков редкоземельных элементов в люминесцентных лампах, которые ярко освещают большие складские помещения. Но новые лампы мягче для глаз. Это связано с тем, что материаловеды научились эффективно применять редкие металлы, в частности путем оптимального соотношения количества редкоземельного элемента фосфора в них.

Рассмотрим линейку электрических ламп Reveal компании General Electric. Сам свет по-прежнему испускается в виде резкого и яркого светового луча, но неодим в стекле служит голубоватым фильтром, поглощающим желто-зеленый свет, создавая тем самым более приятную световую палитру. Другие редкоземы, такие как европий, дают более мягкий красный и синий цвета, а тербий — зеленый цвет. Эти материалы настолько эффективны при фильтрации определенных интенсивных световых лучей, что они используются даже в лыжных очках.

Тадеу Карнейро, генеральный директор ниобиевого гиганта Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM), считает себя главой «зеленой» технологической компании.

«Люди говорят, что невозможно быть экоэффективным, занимаясь добычей полезных ископаемых. Это неверно. Если я оставлю ниобий нетронутым в земле, — говорит он, указывая на свою шахту, — машины будут тяжелее, конструкции зданий массивнее, трубопроводы будут небезопасными и вам понадобится больше стали».

А «больше стали» означает «больше углекислого газа». Если использование меньшего количества энергии и, следовательно, меньшего количества выделяемого углекислого газа считать критериями «зеленых» технологий, то добыча и переработка малых металлов может быть одной из самых экологически чистых технологий. Согласно исследованиям CBMM, если в новых газопроводах использовать 1 килограмм ниобия на тонну стали, это уменьшит потребность в стали вдвое. Производство стали — это отрасль с самыми большими выбросами углекислого газа в мире, ежегодно выпускающая 2,5 гигатонны парникового газа.

Ниобий не только снижает общее количество производимой стали — его использование в автомобилях также помогает сократить объем углекислого газа, поступающего в атмосферу. Снижение массы автомобиля на 10%, возникающее в результате использования ниобия, приводит к увеличению эффективности топлива на 6–7%. Ниобий также применяется в панелях солнечных батарей, на задней части панели, и в некоторых лабораториях было продемонстрировано увеличение эффективности определенных панелей почти на треть.

Карнейро говорит, что такая «экологизация» выгодна с точки зрения бизнеса. Благодаря вложению в размере 9 долларов в ниобий, который добавляется в сталь при производстве автомобиля, вес машины уменьшается на 100 фунтов. Это позволяет сэкономить 1 литр топлива на каждые 200 километров и на 2,2 тонны снижает выбросы углекислого газа в течение всего срока службы автомобиля, а также уменьшает объем углекислого газа, необходимого для производства стали, используемой в автомобиле. То же самое относится к ниобию в мостах, зданиях и трубопроводах.

Пожалуй, самая большая проблема для цепочек снабжения редкими металлами заключается в том, что наши новые энергосберегающие гаджеты работают слишком хорошо, а «зеленые» технологии быстро станут самыми лучшими технологиями. Если мы не будем предусмотрительными, то очень быстро окажемся в ситуации дефицита необходимых нам материалов. Это предмет обеспокоенности военных планировщиков, которые задумывались об этом еще в 1950-е годы, когда США начали гонку за господство в небе.

Военно-промышленный комплекс

На протяжении всей истории человечества способность любой страны использовать силу периодической таблицы Менделеева непосредственно переводилась в успех ее военной мощи, играя на поле боя не меньшую роль, чем тактические решения. Исторически сложилось так, что цивилизации, овладевшие искусством изготовления оружия из самых передовых металлов и материалов своего времени, занимали доминирующее положение среди своих соседей.

Так, благодаря своей прочности вольфрам быстро стал основным военным сырьем. Он был настолько прочен, что благодаря его использованию в стальных режущих инструментах время, необходимое для изготовления стандартной стальной оси, сократилось с 660 минут в 1860-х годах до 40 минут к 1916 году.

Редкие металлы, такие как вольфрам, стали настолько важными для военной экономики, что британцы запретили их экспорт в Германию. В Соединенных Штатах власти арестовали трех человек за шпионаж, потому что те вывезли 90 килограммов вольфрама, предназначенного для Германии.

Во время войны немцам становилось всё труднее импортировать малые металлы, поэтому они стали обрабатывать их более эффективным способом и добились тех же результатов, используя меньше металлов. В то же время молибденовые и вольфрамовые сплавы металлов стали применяться в вооружении противников Германии. Соединенные Штаты, обладающие огромными ресурсами редких металлов, имели преимущество в поставках, которое стало решающим фактором в достижении материального преимущества над Германией. По окончании войны президент Американского электрохимического общества Колин Финк похвалился: «Однажды настанет день, когда скажут, что демократия стала возможной благодаря вольфраму». Но он не учел того, что войны могло и не быть, не используй Германия вольфрам.

***

Использование новых материалов в производстве самолета по необходимости влекло за собой изменение его конструкции и характеристик. По словам Ричарда Биссела, руководителя проектов ЦРУ, применение титана «фактически создало его собственную производственную базу». Приблизительно 2400 человек, от металлургов до механиков, должны были освоить навыки для работы с новым материалом. Использование титана также означало невозможность конвейерной сборки; каждый самолет нужно было строить вручную.

Титан — сложный материал для обработки, и большинство инженеров и механиков никогда не имели с ним дела. Сверла постоянно ломались, потому что титан был слишком твердым. Режущие инструменты необходимо было затачивать спустя несколько минут, что затрудняло производственный процесс. Даже сверлильные станки, которые в течение нескольких месяцев специально разрабатывались для работы с титаном, могли проделать только 120 отверстий до следующей заточки. Механикам понадобились даже новые ручки, чтобы делать надписи на металле, потому что хлор, содержащийся в тех, которые они использовали, разъедал титан. Кадмиевые инструменты, в том числе гаечные ключи, пришлось переделать, поскольку головки болтов выскакивали из инструментов из-за того, что микроскопические частицы кадмия взаимодействовали с титановыми болтами и разрушали их. Lockheed даже была вынуждена использовать дистиллированную воду для мытья титановых панелей, потому что в местной воде (город Бёрбанк, штат Калифорния) было слишком много хлора, из-за чего во время тепловых испытаний консоли крыльев искривлялись подобно картофельным чипсам.

Уроки, извлеченные из этого применения титана, вскоре были учтены и трансформировали всю область гражданской авиации, поскольку этот металл стал частью конструкции самолетов во всем мире. Благодаря этому опыту титан превратился из курьеза периодической таблицы Менделеева в критически важный материал. Но в то время, в начале 1960-х годов, секреты титана помогли США получить контроль над небом.

Этот металлургический путь от меча до плуга существовал в течение тысяч лет — даже хеттское изобретение дешевого железа принесло пользу не только в военном деле; с его помощью хетты обзавелись высококачественными инструментами вроде пил, дрелей, а также шурупами. Как отмечает Рабочая группа по американским инновациям, «гражданские применения технологий, первоначально предназначенных для военных целей, стали основными продуктами производства национальной экономики и современной жизни». В прошлом малые металлы, такие как титан, были важны, потому что благодаря им оружие становилось более прочным, мощным и огнеупорным. Теперь с их помощью оружие становится «умнее».

Другой металл, германий, лежит в основе систем тепловидения (читай: приборов ночного видения) в самолетах, кораблях и танках, а также в прицелах стрелкового оружия, которые позволяют более эффективно выполнять разведывательные миссии. Это блестящий серебристо-белый металл, но прозрачный в инфракрасном диапазоне, помогает перевести инфракрасное излучение в изображения. Его свойства словно специально предназначены для использования в множестве военных целей. Примерно половина всего германия, потребляемого в Соединенных Штатах, и треть мирового приходится на тепловидение. В 2009 году Министерство обороны США потратило почти 1 миллиард долларов на приборы ночного видения и тепловизионные прицелы. Война трансформировала рынок германия. И это произошло не впервые.

Почти три четверти века назад, в 1942 году, ученые «Проекта Манхэттен» (в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико) смешивали изотопы редкого металла урана для создания атомной бомбы. В то же время еще одна группа исследователей при поддержке военных проводила столь же важные опыты в Университете Пердью. Их целью было улучшить работу радиолокатора.

Они тестировали свойства германия, непонятного малого металла, который до того момента почти никак не применялся. В то время диоды в процессе эксплуатации сгорали слишком быстро, особенно с появлением радиолокационных систем, в которых использовались более короткие волны для лучшей детализации. Исследователи надеялись создать мощное устройство, которое позволяло бы зарядам течь только в одном направлении, подобно тому, как сердечный клапан позволяет крови вытекать, но не дает ей течь обратно. Но то, что они обнаружили, в конечном итоге привело к появлению новой электроники и положило начало веку редких металлов.

В отличие от меди и алюминия, сквозь которые электрические заряды быстро проходят в любом направлении, или пластика и стекла, которые совсем не проводят электрический ток, германий является полупроводником. Исследователи из Университета Пердью обнаружили, что, если добавить немного примесей, таких как мышьяк и фосфор, в высокочистый германий, можно создать диод, через который электрический заряд может течь только в одном направлении, что позволяло преобразовывать переменный ток в постоянный, а радиосигналы — в слышимые звуки.

Это, казалось бы, незначительное открытие привело к созданию диода, который был в 10 раз более устойчивым к перегоранию, чем предыдущие. Он заложил основу для транзисторов и интегральных схем — полупроводников, критически важных для используемой в настоящее время электроники. Но в 1942 году цели ученых были гораздо более скромными: они просто хотели победить нацистскую Германию. Они понятия не имели, что изменят наш образ жизни, а спрос на германий возрастет более чем в 20 раз менее чем за десятилетие.

***

Сегодня важнейшие поля сражений находятся не там, где падают ракеты или стреляют ружья, — напротив, они базируются в материаловедческих лабораториях вроде Сандийской национальной лаборатории в Калифорнии, Университета Цинхуа в Пекине и лаборатории BAE Systems в Великобритании, где исследователи соревнуются между собой в разработке материалов, призванных вывести военную мощь своей страны на новый уровень боевой техники.

По словам Роберта Латифа, генерал-майора в отставке, «именно появление передовой электроники изменило характер войн». Латиф, который, помимо погон, имеет степень доктора наук в области материаловедения, считает, что осознание силы редких металлов помогло США совершить переход от гидравлического и механического оружия Второй мировой войны к современному оружию, основанному на электронике, в котором используются актуаторы и сенсоры, требующие малых металлов. Латиф отмечает, что этот тип вооружения опирается на электронное оборудование, предназначенное для сбора разведывательных данных и наблюдения. Это означает, что нам нужны не только прочные малые металлы, но и такие металлы, которые способны эффективно регулировать электрический ток.

«Без некоторых из этих малых металлов вам придется вернуться к показателям 1960-х или 1970-х годов, — говорит мне Латиф. — Почти все наши системы сегодня зависят от редких металлов. Невозможно представить, чего мы могли бы достичь [с точки зрения военной промышленности], не имея возможностей материаловедения, которыми располагаем сейчас».

Сильнейшими военными державами являются сегодня те, которые могут извлечь пользу из почти всего объема периодической таблицы. Смесь кадмия и теллура лежит в основе систем обнаружения радиации, а также в устройствах сканирования багажа и обнаружения «грязных» бомб. Системы наведения и управления полетом ракет содержат множество редкоземельных металлов, в том числе тербий, иттрий и европий. Без вольфрама не могут обойтись бронебойные пули и дроны, которые способны сбивать ракеты GBU-44 Viper Strike.

Крупнейшие военные системы зачастую наиболее уязвимы перед недостатком малых металлов из-за обширных и сложных потребностей этих систем. Согласно правительству США, только в одной из почти 50 планируемых к строительству атомных подводных лодок используется около 4200 килограммов редкоземельных материалов; в каждом из 77 эсминцев DDG 51 Aegis — около 2400 килограммов, и для каждого из будущих самолетов F-35 Lightning II необходимо приблизительно 420 килограммов, что позволяет пилоту делать почти всё, начиная от запуска двигателей и управления закрылками во время приземления до поддержки электрического интерфейса между элементами управления самолета и его компонентами.

Это не просто редкоземельные элементы. Новейшие системы вооружения, такие как F-35, представляют собой летающие периодические таблицы Менделеева. Самолет почти на четверть состоит из титана, что делает корпус легким и огнеупорным. Крепежные изделия изготовлены из бериллия, который обладает прочностью и термостойкостью; галлий усиливает сигнал радара, а литий входит в состав аккумуляторов высокой энергоемкости. Тантал благодаря способности сохранять заряд находится внутри конденсаторов, необходимых для лазерного наведения, систем управления и устройств отображения информации в кабине экипажа.

Чтобы снизить риски поставок ресурсов, военные пытаются переключиться на более часто используемые, производимые внутри страны ресурсы. Но для этого тоже нужно время. В 2010 году Счетная палата США подсчитала, что Министерству обороны потребуется не менее 15 лет для обновления своей цепочки поставок, чтобы не зависеть от импорта редкоземельных магнитов. Однако генерал Латиф отметил: «Я не уверен, что мы когда-либо сможем полностью отказаться от иностранных источников». Так что пока китайские редкоземельные магниты — важнейшие компоненты самых передовых систем вооружения США, включая F-35.

Учитывая постоянно растущие потребности военных и конечный список компонентов, вариантов замены немного. Невозможно в каждом приложении просто заменить одно сырье на другое. Томас Грейдель из Йельской школы лесного хозяйства и экологических исследований обнаружил, что из 62 металлов, которым он посвятил свои исследования, ни один не имеет аналога, который мог бы заменить его во всех основных приложениях. Более того, у 12 из них нет подходящей замены для любого из их свойств.

Пределы создания систем вооружения определяются не нашим воображением, а инженерными возможностями, а они напрямую зависят от ученых-материаловедов. Расширение возможностей в области материаловедения имеет решающее значение, поскольку армия не может использовать материалы XX века для борьбы с угрозами XXI века. Однако повышение нашей осведомленности в области материаловедения важно не только для защиты от опасностей на поле битвы, оно играет ключевую роль в решении самой насущной угрозы сегодняшнего дня — изменения климата.

Экологичность

При производстве небольшого количества металла образуется огромное количество отходов. Возьмите продукт производства, который многие из нас считают низкотехнологичным, — 3-граммовое платиновое обручальное кольцо. Чтобы прийти к так называемому общему количеству материала, требуемому для производства кольца, нужно учитывать весь объем используемых ресурсов: вырытую почву для доступа к металлу, количество угля, сжигаемого для получения энергии для обработки материала, и воду, используемую в процессе производства. По этим подсчетам для одного кольца весом в 3 грамма требуется 3,6 тонны материала. В то же время общее количество материала, необходимого для производства 1 тонны железа, составляет около 8 тонн.

Но даже потребности платины в ресурсах меркнут в сравнении с другими металлами. Для производства 1 тонны германия требуется 120 тысяч тонн материала. (Поскольку германий является побочным продуктом, этот материал может содержать и другие металлы.)

В среднем общий объем материалов, используемых в промышленных товарах, в 30 раз превышает их собственный вес. Но для «зеленых» и высокотехнологичных товаров, таких как телефоны, ЖК-дисплеи и их составные компоненты, этот фактор может повышаться до нескольких сотен и более, поскольку в высокотехнологичной продукции используется много редких металлов. Самый простой мобильный телефон весит 56 граммов, а для его изготовления требуется 31 килограмм ресурсов.

Поскольку в настоящее время отходы от редкоземельных металлов становятся всё более ценными, мнение производителей изменилось касательно более эффективного использования материалов. Когда на заводе по переработке платины британской компании «Джонсон Матти» были введены правила, согласно которым перед уходом с фабрики сотрудники должны вытирать ноги, каждый год накапливалось достаточное количество пыли для покупки Volkswagen в полной комплектации. Но это скорее курьез, куда серьезнее обстоит дело с извлечением ценных металлов при вторичной переработке.

Переработанная руда часто содержит более высокую концентрацию редких металлов, чем руда в шахтах.

Например, для производства 1 тонны лития требуется всего 28 тонн аккумуляторов по сравнению с 1250 тоннами земли из литиевых шахт в Чили.

Сложность для компаний по сбору металлолома состоит в том, чтобы получить большое количество материала для возможности переработки. В Японии примерно 95% отслуживших свой срок аккумуляторов попадают на полигон промышленных отходов.

На предприятии Hitachi рабочие трудятся на одном из четырех разборочных конвейеров, разбивая, разрезая и ломая холодильники, кондиционеры и компьютеры, используя сверла и пилы. Хотя переработка представляет собой сложный инженерный процесс, этот первый этап отделения пластика от металла довольно примитивен.

Простых способов, позволяющих разобрать, например, бытовую технику и получить доступ к металлам, не так уж много. Наши изделия окрашены, сварены, заклепаны, покрыты клеем и завинчены. В ЖК-экранах содержится до 250 болтов в 15 различных конфигурациях. Развинчивание их вручную требует много труда и времени, что делает процесс дорогостоящим, особенно в Японии, где заработная плата рабочих высока.

Не так давно Hitachi изобрела массивный барабан для разлома жестких дисков и ускорения процесса. Рабочие сортируют куски металла и пластика и распределяют их по разным контейнерам, что довольно непросто, потому что многие металлы похожи друг на друга. Например, самариево-кобальтовый магнит, покрытый никелем, выглядит так же, как магнит из сплава неодима, железа и бора. После удаления наиболее часто используемых металлов рабочие извлекают самые ценные: золото, серебро и другие драгоценные металлы. В случае с Hitachi они отправляют эти материалы на другие предприятия. На этом переработка обычно заканчивается. В лучшем случае мы получаем в среднем 6 или 7 металлов. До 25 — даже при самом оптимистичном сценарии — нам не удается добраться.

Одной из причин этого служит то, что за один цикл невозможно извлечь и отделить от продукта все подлежащие вторичной переработке металлы: его компоненты должны пройти через разные линии переработки. Часто наука такова, что извлечь один металл — значит оставить другие. Например, когда малые металлы попадают в алюминие- или сталеплавильный цех, их вообще невозможно восстановить. Кроме того, только небольшое количество плавильных заводов во всем мире обладают способностью извлекать специальные металлы, такие как селен и теллур. И даже эти предприятия не могут получить все металлы, потому что невозможно переработать все металлы из iPhone: лучшие в мире утилизирующие предприятия способны справиться лишь с около 20 металлами. На самом деле для почти трети малых металлов степень переработки составляет менее 1%.

Извлекать малые металлы из большинства продуктов производства просто невыгодно. Неэффективность утилизации настолько велика, что мы выбрасываем даже золото — степень восстановления золота составляет всего 15–20%. Даже самая передовая компания в мире по переработке, Umicore, утверждает, что может восстановить не более 20 из примерно 60 металлов из одного телефона. Отдельной проблемой является то, что жизненный цикл товаров теперь измеряется месяцами, а не годами. И это оказывает значительное влияние на использование наших ресурсов. Есть и другие источники увеличения спроса на редкоземельные металлы.

Уже скоро наступит следующий этап века редких металлов, когда инфраструктура, которая лежит в основе нашей современной жизни, станет высокотехнологичной — это парк электрических автобусов, дороги, построенные из солнечных панелей, или лифты, которые работают на магнитах вместо кабелей. Майкл Силвер, главный исполнительный директор материаловедческой компании American Elements, говорит: «Вентиль [идей] раскручен на полную. Начинаешь видеть в действии астрономические объемы используемых материалов последних 10 лет».

В то время как богатые страны используют больше редких металлов, скорость, с которой развивающиеся страны сокращают технологический разрыв, беспрецедентна. Например, в 1995 году только 7% городских жителей Китая имели холодильники, 12 лет спустя это число выросло до 95%. Национальный разведывательный совет правительства США прогнозирует, что за следующие два десятилетия численность среднего класса во всем мире может вырасти почти втрое, или на 2 миллиарда человек, что эквивалентно населению примерно двух Китаев или шести Америк. «Такой взрыв приведет к битвам за сырье и промышленные товары», — говорится в отчете совета за 2012 год. Добавьте к этому наш глобальный запрос на поиск альтернативной «зеленой» энергии — и спрос на редкие металлы взмоет до небес.

Между тем, согласно Японскому институту металлов, потребность в редких металлах, таких как кобальт, вольфрам и литий, к 2050 году вырастет примерно в 5 раз и превзойдет наши текущие запасы многих из них.

***

Грядущий кризис ресурсов повышает вероятность того, что богатые ресурсами страны будут использовать свои собственные запасы, которые становятся всё более ценными, чтобы получить стратегические и экономические преимущества. Это может привести к напряженным столкновениям между отдельными компаниями и странами, поскольку эти страны продолжают ужесточать контроль над металлами, или, что еще хуже, снова могут сократить торговлю редкими металлами.

И всё же Дэвид Абрахам считает, что мы не должны отказываться от использования редких металлов из-за наших геополитических страхов. Скорее, стоит увеличить поиск ресурсов, использовать их более эффективно и совершенствовать наши знания в области геологии, металлургии и материаловедения. Чтобы удовлетворить растущий спрос на редкие металлы, необходимы глубокие изменения в том, как мы используем и продаем нашу продукцию. Есть опасения, что недостаток внимания к этим проблемам затормозит наше процветание и негативно скажется на окружающей среде. Абрахам надеется, что его книга в какой‐то мере послужит призывом к действию и побудит новое поколение узнать больше о составляющих наших гаджетов, оружия и перспективах стабильности нашего будущего.