редкоземельные металлы
 

Вы когда нибудь слышали о тербии? А о европии? Скорее всего, нет! Их называют редкие земли. 

В блокбастере Джеймса Кэмерона «Аватар» люди отправляются на прекрасную луну Пандору, чтобы добывать серебристо-серый минерал, называемый унобтаниумом. Этот минерал невероятно сложно получить, но он ценится чрезвычайно высоко за свои уникальные свойства: он сверхпроводник и очень сильный магнит. У нас, на земле есть свой аналог унобтаниума. На самом деле их даже много. У них невероятно звучащие имена, как, например, церий и прометий, и довольно необычные свойства. 

Эти минералы — редкоземельные металлы, группа элементов, ставшая супергероями технологичного века. Ноутбуки, планшеты, телевизоры с плоским экраном, были бы куда менее компактными без этих минералов, добываемых из редкоземельных руд. Каждый смартфон, к примеру, зависит от шести отдельных компонентов, произведенных на основе редкоземельных металлов. Если бы не они, ваш мобильник был бы с размером с кирпич.

И речь не только о гаджетах. Редкоземельные металлы — обязательный ингредиент сильных магнитов, лежащих в основе революции чистой энергетики: ветровых турбинных генераторов и моторов электромобилей. Их необычные свойства используются в энергосберегающих лампах, MPT-томографах, оптоволоконных кабелях и ракетах с лазерным наведением. Другими словами, они — плоть от плоти технологий XXI века.

Но с этими металлами связана существенная проблема. 97% их добычи сосредоточено в Китае, и китайцы начали сокращать объемы экспорта. Вряд ли эта новость нас порадует. Правительства и техноемкая промышленность западных стран вынуждены осознать, что одна страна контролирует поставки жизненно важных металлов, и с этим нужно что-то делать.

Металлы с ошибкой в названии

Редкоземельные металлы состоят из 17 химических элементов в нижней части периодической таблицы. Вопреки своему наименованию они вовсе не такие уж редкие. Само слово «редкие» появилось оттого, что в XVIII веке, когда они были впервые открыты лейтенантом Карлом Экселем Аррениусом (Carl Axel Arrhenius), химиком шведской армии, их действительно редко находили. Но земная кора столь же изобилует некоторыми из них, как медью, свинцом или цинком. Даже два наиболее редких элемента, тулий и лютеций, встречаются примерно в 200 раз чаще, чем золото.

Проблема заключается в том, что эти элементы представлены в крайне малых концентрациях. В породах, которые их обычно содержат, они составляют всего 1-2%. Кроме того, они имеют тенденцию смешиваться друг с другом, а зачастую также и с радиоактивными торием и ураном. В итоге процессы выделения, разделения и рафинирования очень дороги и разрушительны для окружающей среды.

Уникальные свойства редкоземельных металлов являются следствием того, как электроны расположены в каждом из их атомов. Их внешние электронные оболочки (те, что содержат электроны, обращающиеся на дальних по отношению к ядру орбитах) подобны тем, что есть у металлов вроде железа и свинца. Но их внутренние оболочки (расположенные ближе к ядру) включают так называемые 4f-электроны, которые взаимодействуют с электрическим полем ядра так, что у редкоземельных металлов возникают их особые свойства.

По словам Рекса Хэрриса (Rex Harris), профессора материаловедения Бирмингемского университета (Великобритания), «именно присутствие этих 4f-электронов, прочно связанных с ядром в глубине электронного облака, придает редкоземельным вроде железа и свинца. Но их внутренние оболочки (расположенные ближе к ядру) включают так называемые 4f-электроны, которые взаимодействуют с электрическим полем ядра так, что у редкоземельных металлов возникают их особые свойства.

По словам Рекса Хэрриса (Rex Harris), профессора материаловедения Бирмингемского университета (Великобритания), «именно присутствие этих 4f-электронов, прочно связанных с ядром в глубине электронного облака, придает редкоземельным металлам их уникальные свойства, используемые в столь многих высокотехнологичных продуктах. Поэтому соединения и сплавы с редкоземельными металлами имеют множество разных полезных применений».

Пожалуй, наиболее широкое применение находит неодим. Он — ключевой элемент мощных магнитов, изготовленных из сплава неодима с железом и бором (Nd-Fe-B). Этот металл сделал возможной миниатюризацию многих продуктов потребительской электроники и электромоторов. Магнитные свойства материалов связаны прежде всего с тем, что каждый электрон обладает орбитальным (вызванным движением вокруг ядра) и собственным (так называемым спиновым) магнитными моментами. Именно то, что 4f-электроны вращаются близко к ядру, наделяет неодим такими сильными магнитными свойствами.

«Когда неодим сплавляется с железом и бором, результатом становится крайне мощный постоянный магнит, который, несмотря на толщину меньше микрона, достаточно силен, чтобы работать везде, начиная с компьютерных жестких дисков и медицинских томографов и заканчивая электромоторами», — отмечает профессор Хэррис. Именно такого рода свойства сделали редкоземельные металлы столь необходимыми. Общемировой спрос на редкоземельные металлы достиг 134 тыс. тонн в 2009 году, при том что произведено было только 129 тыс. тонн и почти весь этот объем — в Китае. Разница в настоящее время покрывается все уменьшающимися запасами на складах. Ожидается, что к 2012 году глобальный спрос на эти металлы достигнет 180 тыс. тонн, так как наша любовь к ноутбукам и жидкокристаллическим (LCD) экранам становится все сильнее, а нехватка нужных материалов — еще острее. Если учесть бурно растущий внутренний спрос в Китае и ограничения на экспорт, высокотехнологичные отрасли на Западе оказываются в уязвимой позиции.

Как же так получилось? Все дело в стремлении найти наиболее дешевого поставщика. «По моему мнению, китайцы действовали очень умно, — говорит Виталий Печарский, профессор материаловедения Айовского университета (США). — Они вытеснили другие страны из бизнеса добычи редкоземельных металлов с помощью искусственно заниженных цен, которые могли поддерживаться благодаря нестрогому регулированию в области охраны окружающей среды и низкому уровню зарплат. Западные горнодобывающие компании не могли конкурировать с ними, и производители были рады покупать продукцию по низким ценам, поэтому наши шахты закрывались».

Агрессивная политика Китая, которой страна придерживалась в 1990-х годах, позволила ей взять этот рынок под свой контроль. Как декларировал в 1992 году президент КНР того времени Дэн Сяопин, «Ближний Восток имеет нефть, Китай имеет редкоземельные металлы».

120 000 тонн редких земель ушло в производство в 2009 году. 10 лет назад объем добычи составлял 40 тыс.

Редкоземельные металлы необходимы для «зеленых» технологий, но их добыча не проходит даром для окружающей среды.

Целый ряд многообещающих зеленых технологий — от энергосберегающих ламп до электромобилей и ветровых турбинных генераторов — основан на использовании редкоземельных металлов. К несчастью, их добыча, в свою очередь, наносит серьезнейший ущерб окружающей среде, так что защитники экологически чистой энергии вынуждены мириться с горькой иронией: за наше зеленое будущее мы платим здесь и сейчас высокую экологическую цену.

Проблема в том, что редкоземельные металлы невозможно найти по отдельности. Поскольку они перемешаны в горных породах, их приходится добывать и затем разделять, что предполагает кипячение в цистернах, полных сильных кислот. Кроме того, в такой руде практически всегда присутствует радиоактивный металл торий. Экологическая цена извлечения, которая отчасти объясняет, почему Запад с такой готовностью расстался с этим производством, очевидна при взгляде на изуродованные пейзажи вокруг примерно 200 шахт для добычи редкоземельных металлов, испещривших Китай.

Кислоты сливают в ручьи и реки, уничтожая рисовые поля и рыбные хозяйства и отравляя водные ресурсы. Зачастую радиоактивные материалы не считают нужным удалять, что загрязняет землю, убивает посевы и создает проблемы со здоровьем у местного населения. Хуже того, многие шахты редкоземельных металлов в Китае работают нелегально, не считаясь с правилами, которые могли бы уменьшить наносимый ущерб. Недавнее уменьшение экспорта из Китая отчасти объясняется, по крайней мере официально, попыткой решить эту проблему. Были введены новые стандарты и увеличены инвестиции в защиту окружающей среды, но предстоит сделать еще очень многое.

По мере того как страны Запада изыскивают возможности использования запасов в других регионах мира, новые предприятия по добыче редкоземельных металлов переходят на новые технологии сепарации, чтобы соответствовать более строгим правилам охраны окружающей среды. Например, американская добывающая компания Molycorp разработала метод, использующий вместо обычного набора разнообразных кислот только соляная кислота и гидроксид натрия. Это упрощение процесса позволило компании смонтировать прямо на месте добычи установку по повторной переработке отходов, что сделало их шахту в Калифорнии «производством с почти нулевым уровнем сбросных вод».

Редкоземельный мускул

Только сейчас мы начинаем понимать, какие последствия такая политика может повлечь для других стран. Китай постепенно, с 2006 по 2009 год, сокращал квоты на экспорт редкоземельных металлов, — а затем во второй половине 2010 года урезал экспорт наполовину. В декабре было объявлено о дальнейших ограничениях на этот год. Япония, на чьей территории располагаются такие электротехнические гиганты, как Sony и Hitachi, столкнулась с особо жесткими ограничениями. В октябре прошлого года стало известно, что Китай остановил экспорт редкоземельных металлов для своего соседа после дипломатической размолвки между двумя странами по поводу территории в Южно-Китайском море.

«Китай сократил экспорт редкоземельных металлов на годы, — отмечает Джек Лифтон (Jack Lifton), основатель независимого консалтингового агентства Technology Metals Research и мировой эксперт по рынку редкоземельных металлов. — От экспорта 75% всей произведенной там руды он перешел к поставкам всего 25%, и он не обязан гарантировать поставки никому, кроме себя. Это экономический эгоизм, простой и понятный. Естественно, что китайцы хотят не просто экспортировать редкоземельные металлы, они хотят производить комплектующие на редкоземельных элементах и конечные продукты.

Они производят почти всё в этом роде и, наряду с Японией, они мировые лидеры в рафинировании и первичной обработке редкоземельных металлов, так что китайцы полностью контролируют ситуацию».

Это означает, что высокотехнологичные компании на Западе столкнулись с перспективой коллапса рынка редкоземельных металлов. «Будет не хватать определенных редкоземельных элементов, особенно тербия и диспрозия», — прогнозирует Дэвид Кеннеди (David Kennedy), управляющий директор базирующейся в Биркенхе-де (Великобритания) компании Less Common Metals («Не самые распространенные металлы»), специализирующейся на изготовлении магнитов на редкоземельных элементах. «Цены поднимутся еще выше, — говорит он. — И это может затормозить производство некоторых видов продукции, в частности, ветровых турбин, электромобилей и перезаряжаемых бата-

роде и, наряду с Японией, они мировые лидеры в рафинировании и первичной обработке редкоземельных металлов, так что китайцы полностью контролируют ситуацию».

Это означает, что высокотехнологичные компании на Западе столкнулись с перспективой коллапса рынка редкоземельных металлов. «Будет не хватать определенных редкоземельных элементов, особенно тербия и диспрозия», — прогнозирует Дэвид Кеннеди (David Kennedy), управляющий директор базирующейся в Биркенхе-де (Великобритания) компании Less Common Metals («Не самые распространенные металлы»), специализирующейся на изготовлении магнитов на редкоземельных элементах. «Цены поднимутся еще выше, — говорит он. — И это может затормозить производство некоторых видов продукции, в частности, ветровых турбин, электромобилей и перезаряжаемых батарей. В то же время, они так важны для развивающихся отраслей, что индустрия чистой энергетики смирится с повышением цен».

Время действовать

Действия Китая подтолкнули другие страны к поиску новых источников металлов. Так, Япония активно ищет новые месторождения в Канаде и Австралии. В американском Конгрессе тем временем готовится законопроект, который может реанимировать их производство в самих США, в основном за счет гарантированных займов компаниям, занятым добычей и очисткой ископаемых. Горнодобывающая компания Molycorp уже работает над возобновлением добычи в районе калифорнийского месторождения Маунтин-Пасс, в карьере, закрытом в 2002 году. Компания Lynas Corporation, базирующаяся в Сиднее, снова открыла работы на залежах лантанидов в Маунт-Вельде (Австралия), сходным образом развиваются события в Канаде, Южной Африке и Гренландии. Частные компании также берут дело в свои руки. Японский производитель машин Toyota, которому необходимы огромные количества неодима и лантана для гибридного автомобиля Prius, приобрел эксклюзивный доступ к одной из шахт во Вьетнаме. В России инициатива в руках у госкомпаний: монополиста отрасли, Соликамский магниевый завод, обрабатывающий лопаритовые руды, вот-вот купит «Росатом».

Джек Лифтон подчеркивает, что нам жизненно необходимо найти новые источники этих металлов, и как можно скорее. «Что произойдет, когда Китай станет использовать все свои редкоземельные металлы для собственной экономики, чтобы производить вещи, которые помогут поднять там уровень жизни? Мы останемся без материалов, необходимых для того, чтобы каждый из нас мог бы приобрести ноутбук и трЗ-плеер. Это приведет к падению уровня жизни, поэтому крайне важно отыскать альтернативные источники и надежную систему поставок, независимую от Китая».

Так что гонка за этими материалами началась. Но диверсификация поставок редкоземельных металлов не может произойти в одну секунду. Известно, что запасы необходимых нам металлов в уже найденных месторождениях и прогнозируемая оценка этих запасов в тех местах, где еще ведутся геологоразведочные работы, достаточно велики, чтобы удовлетворить мировой спрос в долгосрочной перспективе. Однако запуск новых проектов добычи полезных ископаемых может занять годы. Кроме того, остается проблема рафинирования и переработки редкоземельных металлов. «Решение установить квоту занимает мгновения, а на то, чтобы начать добычу на новой шахте и наладить новую цепочку поставок, может уйти 10 лет, — говорит Кеннеди, чью компанию купил канадский горнодобывающий гигант Great Western Metals, чтобы обеспечить поставки металлов на рынок. — Материалы от Lynas и Molycorp появятся только к 2012 году, но другие новые шахты еще не откроются к этому времени, а мировой спрос растет быстро. Вот где источник давления».

На данный момент производители высокотехнологичной продукции со всего мира с тревогой смотрят на Китай. «Пока мы не производим эти материалы, Китай заказывает музыку, — говорит Лифтон. — До тех пор пока мы не начнем их производить сами, наше технологическое будущее в руках китайцев».

Вы можете не знать о редкоземельных металлах, но они окружают вас повсюду.

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ЛАМПЫ

Во флюоресцентных лампах используются европий и тербий, светящиеся в ультрафиолете красным, зеленым и голубым светом, дающими вместе белый свет.

ГИБРИДНЫЕ АВТОМАШИНЫ

Для каждого никель-металлгидридного (NiMH) аккумулятора в Toyota Prius требуется 10-15 кг редкоземельного лантана. Способность лантана сохранять водород позволяет хранить больше энергии в течение длительного времени. В электромоторе используется чрезвычайно сильный неодим-железо-борный магнит

НОУТБУК

Неодим используется в крошечных, но сильных магнитах в жестком диске ноутбука, которые контролируют головки, записывающие и считывающие информацию. Более точный контроль позволяет получить более тонкие дорожки и больший объем хранимой информации. Тербий, наряду с другими редкоземельными металлами, используется также в ЖК-дисплеях.

СМАРТФОН

Кроме европия и тербия в ЖК-дисплее, в смартфоне используют неодимовый магнит для вибровызова. Способность аккумулятора хранить энергию зависит от лантана, для линз встроенной камеры нужен иттрий, а для динамика — самарий.

ЖК-ТЕЛЕВИЗОРЫ

Тербий и европий находятся буквально за экраном вашего ЖК-телевизора. Когда электрический заряд активирует их электроны, они испускают свет в части спектра, необходимой для красного и зеленого цветов, которые вы видите. Они были нужны даже для первых электронно-лучевых цветных телевизоров. Церий и иттрий также используются в обоих видах » телевизоров.

ОПТОВОЛОКОННЫЙ КАБЕЛЬ

Волокна с добавлением эрбия передают световые импульсы, кодирующие данные, без потери мощности сигнала. Оптические свойства эрбия позволяют ему служить в качестве усилителя света, уменьшая потребность в ретрансляторах и снижая стоимость сверхбыстрой связи и кабельного телевидения.

770 долларов стоит 1 кг европия, самого дорогого редкоземельного элемента. Золото стоит 42 тыс. долларов за 1 кг.

3 трлн долларов — оценочная стоимость высокотехнологичных производств, зависящих от редкоземельных металлов. Это 5% от глобального ВВП.