Звучит как сюжет из научно-фантастического фильма: люди разрушают Землю и загрязняют воздух, добывая и очищая ключевой элемент, необходимый для технического прогресса. Однажды ученые, изучающие инопланетный метеорит, обнаруживают в нём уникальный металл, который убирает необходимость во всех этих раскопках и загрязнении. А лучше всего то, что металл можно воспроизводить в лабораториях с использованием исходных материалов. Мир спасен!
История звучит фантастически, но в целом всё это правда. Две команды ученых — одна в Северо-восточном университете в Бостоне; вторая в Кембриджском университете в Великобритании — недавно почти одновременно объявили, что им удалось изготовить в лаборатории материал, который не существует в природе на Земле. До сих пор его находили только в метеоритах, хотя он очень важен для будущего энергетики. Новое открытие может решить глобальную проблему нехватки редкоземельных металлов.
Материал, найденный в метеоритах, представляет собой смесь двух неблагородных металлов, никеля и железа, которые охлаждались и сжимались миллионы лет при движении через космическое пространство. Такой процесс довольно сложно повторить на Земле. Зато в результате получается уникальное соединение с особым набором характеристик, которые делают его идеальным для использования в высокотехнологичных постоянных магнитах. Эти магниты сейчас являются важнейшим компонентом в широком спектре передовых устройств, от электромобилей до турбин в космических аппаратах SpaceX.
Соединение, получаемое из метеоритов называется тетратенит, и тот факт, что ученые нашли способ получать его в лаборатории, имеет огромное значение. Если синтетический тетратенит сможет нормально работать в промышленности, это может значительно удешевить экологически чистые энергетические технологии. Это также может радикально изменить рынок редкоземельных металлов, на котором сейчас доминирует Китай, и вызвать грандиозный сдвиг в промышленном балансе между Китаем и Западом.
Земной, но редкий
Как все читатели Хабра, разумеется, помнят из своих школьных уроков физики, что магниты — важный компонент любого механизма, работающего на электричестве: они являются тем каналом, который преобразует электрическую энергию в механическое действие.
Большинство магнитов, таких как, например, в часах на батарейках или в безделушках на холодильнике, довольно дешевы и просты в изготовлении. А вот мощные постоянные магниты, которые используются в современных машинах, должны выдерживать огромное давление и высокие температуры в течение длительного времени. Они стоят очень дорого. Потому что, чтобы приобрести эти необычные свойства, им нужен особый ингредиент: редкоземельные элементы.
На самом деле эти редкоземельные металлы не так уж и редки. Их можно найти по всему миру. Трудная часть — их извлечение. Во-первых, вы должны выкопать их из земли, что достаточно сложно. Во-вторых, их нужно отделить: обычно они смешаны с другими элементами или материалами. Разделение этих соединений и их переработка для получения исходных элементов — грязное и затратное дело.
Китайский синдром
Почти весь XX век США были лидером в мире по добыче редкоземельных элементов. Но в 1980-х годах Китай обнаружил на своей территории огромное месторождение этих металлов, и теперь по их выпуску на порядок превосходит всех остальных.
Дело было так. Несколько китайских компаний открыли шахты во внутренней Монголии. Это были шахты по добыче железной руды, и они производили мегатонны отходов, которые просто выбрасывались.
Японцы покупали много этого железа для своих индустрий и в начале 80-х спросили, могут ли взять образцы из кучи отходов. А чуть позже вернулись и сказали, что хотели бы купить все залежи отходов. И китайцы ответили: «Конечно, берите, увозите. Это же отходы. Что мы будем с ним делать?»
Оказывается, залежи были богаты редкоземельными элементами. Эти отходы стоили дороже, чем руда, которая там добывалась.
Китайцы довольно быстро сообразили, в чём дело, и сами начали добывать эти редкие элементы. Причем у них это получалось намного дешевле, чем где-либо в мире: залежей было много, оплата труда была ниже, и они не тратились на охрану окружающей среды. Довольно скоро производство в США прекратилось, и Китай фактически захватил рынок. Сегодня Поднебесная контролирует более 71% мировой добычи и 87% мировых мощностей по переработке редкоземельных элементов. Это одна из самых сильных монополий Китая.
Два из этих редкоземельных металлов, неодим и празеодим, являются ключевыми компонентами в производстве постоянных магнитов, а это означает, что Китай в настоящее время также доминирует на рынке постоянных магнитов, выпуская более 80 процентов важных устройств. Десять лет назад такая ситуация не казалась проблемой. Китай считался очень надежным торговым партнером, вплоть до того, что в 2004 году США передали ему производство магнитов, используемых в системах наведения для американских крылатых ракет. До этого оно принадлежало General Motors, но выпуск магнитов напрямую в Поднебесной был выгоднее.
Сегодня отношения с Китаем у США и Европы более напряженные. Надежным торговым партнером, которому можно передавать свои военные технологии, его больше не считают. А вот потребность в редкоземельных элементах и в постоянных магнитах сильно выросла. В том числе из-за развития космической программы и перехода к чистой энергетике.
Штаты осознали, что они находятся в зависимости от Китая в этой критической сфере для будущего экономики и национальной безопасности. General Motors получила большой контракт для возобновления работы бездействующей шахты по добыче редкоземельных элементов в Калифорнии и теперь ищет новые потенциальные участки для добычи в Аризоне, Неваде и Вайоминге. Но для запуска этих шахт потребуется больше десяти лет, и полностью потребности в редкоземельных металлах они не закроют.
Изменение правил игры
Вот почему открытие синтетического тетратенита является таким важным прорывом. Это соединение настолько прочное, что производители смогут изготавливать из него постоянные магниты для всех механизмов, в том числе самых технологичных. Если это произойдет, США (и Британия, всё-таки одна из лабораторий была в Кембридже) снова сами выйдут на рынок магнитов и сократят свою потребность в редкоземельных элементах. Это приведет к огромным изменениям в отношениях Америки и Европы с Китаем. Они больше не должны будут платить Поднебесной за эти ключевые материалы и зависеть от них в отношении критически важных деталей, необходимых для развития передовых технологий.
У этого развития событий есть и потенциальный минус для всех нас. Редкоземельные элементы используются не только в производстве постоянных магнитов. Они есть в оптоволокне, в сканерах радиации, в телевизорах, в персональной электронике. Если часть рынка редкоземельных металлов исчезнет из-за появления синтетического тетратенита, цепочки добычи и обработки всех других похожих элементов будут нарушены. Их производство может стать ощутимо дороже, что приведет к увеличению стоимости ряда потребительских и промышленных товаров. Так что в перспективе цена телевизоров и бытовой электроники может даже повыситься. В зависимости, конечно, от того, насколько быстро технология из лабораторий выйдет на реальный рынок.
Далеко-далёко
Предстоит провести еще много тестов, чтобы выяснить, является ли тетратенит из лабораторий таким же выносливым и полезным, как из космоса. И даже если он обладает такими же свойствами, эксперты говорят, что пройдет пять-восемь лет активной работы, прежде чем кто-то сможет начать производить из него постоянные магниты.
Но тем временем конкуренты Китая уже усердно работают над собственными источниками редкоземельных металлов. США инвестируют в шахты в Австралии; в Малайзии идут исследования потенциальных залежей, а японцы изучают способы извлечения редких элементов из грязи, добытой на морском дне.
Страны активно ввязались в эту новую «гонку вооружений». Сейчас Штаты инвестируют $52,7 млрд для недопущения развития в Китае топовой индустрии чипов, пытаясь перенести производства на свою территорию. Все самые передовые нанометровые процессы развиваются или на Тайване, или в Америке (у Китая пока есть только 14 нм). Началась крайне жесткая конкуренция за то, кто будет контролировать технологии будущего. И сейчас благодаря новому открытию США получают дополнительное важное преимущество.
