Джанкарло Элиа Валори
17 редкоземельных элементов (РЗЭ), включая церий и иттрий, малоизвестны широкой публике, но их магнитные и оптические свойства делают их важнейшими минералами для современных технологий, используемых в ветряных турбинах, медицинском оборудовании, беспилотниках, электромобилях, электронных дисплеях и многом другом. К этим химическим элементам относятся церий, диспрозий, эрбий, европий, гадолиний, иттербий, иттрий, лантан, лютеций, неодим, гольмий, празеодим, прометий, самарий, скандий, тербий и тулий.
«Мы живем в 21 веке, когда появляются новые технологии, но критические металлы необходимы для их реализации. Мы много слышим о важности лития в литий-ионных батареях, но редкие земли на самом деле относятся к той же категории», — говорит Патрик Райан, генеральный директор Ucore Rare Metals Inc, канадской горнодобывающей и технологической компании, специализирующейся на критических металлах.
Хотя они и называются «редкими землями», дело не в их редкости. Как и олово, свинец, медь и другие металлы, редкоземы содержатся в земной коре и имеют природные месторождения (места концентрации полезных минералов) по всему миру. Однако их неравномерное распределение и сложность добычи делают их одновременно экологической и геополитической проблемой. Ожидается, что эти проблемы будут усугубляться по мере роста спроса на эти элементы.
Представьте себе, если бы у нас не было доступа к этим важнейшим металлам, если бы мы потеряли рабочие места и не смогли достичь целей, связанных с изменением климата. В нынешних условиях ожидается, что к концу 2020 года спрос на оксиды редкоземельных металлов вырастет в пять раз, что может привести к дефициту предложения в будущем.
Первая проблема заключается в процессе добычи. Редкоземельные металлы обычно встречаются в месторождениях вместе с другими минералами. Бастнезит, основной коммерческий источник редких земель, состоит из оксидов нескольких редких земель и должен быть переработан для извлечения отдельных элементов. Впервые этот минерал был описан шведским химиком Вильгельмом Хизингером (1766-1852) в 1838 году. Он назван в честь шахты Бастнас близ Риддархюттана, Вэстманланд, Швеция. Бастнезит также встречается в виде очень качественных образцов в горах Заги, Пакистан. Бастнезит встречается в щелочных гранитах и связанных с ними сиенитах и пегматитах. Он также встречается в карбонатитах и связанных с ними фенитах и других метасоматитах.
Эти процессы добычи могут иногда вызывать опасения за здоровье и безопасность, например, из-за попадания опасных или радиоактивных материалов в грунтовые воды. Сами по себе редкоземы не особенно токсичны; они просто сочетаются с другими токсичными веществами, такими как тяжелые металлы и радиоактивные материалы.
При добыче одной тонны редкоземельных металлов может образоваться до 2 000 тонн опасных отходов. Такое случается редко, но везде, где ведется добыча редкоземельных металлов, она приводит к загрязнению почвы и воды. Редкоземы обладают парадоксальным свойством: хотя они необходимы для низкоуглеродных технологий, процесс их извлечения из земли наносит дополнительный ущерб окружающей среде.
Вторая проблема заключается в том, что месторождения полезных ископаемых и шахты, в которых они добываются, сосредоточены в определенных странах. На Китайскую Народную Республику приходится 60 % добычи и 90 % переработки, а за пределами Китая находится всего четыре нефтеперерабатывающих завода. И это создает серьезные геоэкономические риски, когда китайского гиганта пытаются изолировать, о чем я лучше расскажу в готовящейся к изданию моей книге. На самом деле отрасль столкнется с проблемами, если не будут приняты более безопасные и равные меры между странами-производителями. Учитывая ожидаемый рост спроса со стороны производственного сектора и существующие мощности по добыче и переработке редкоземельных металлов, можно с уверенностью сказать, что возникнет дефицит предложения.
Одна из возможностей — снизить зависимость от редкоземельных металлов. Один из примеров — Toyota Prius. В свое время Prius использовал около одиннадцати килограммов редкоземов на автомобиль, но из-за геополитического конфликта между Японией и Китаем и негативного влияния добычи на окружающую среду компания переключилась на разработку гибридных двигателей для автомобилей, которые меньше зависят от редкоземов.
Другой вариант — максимально использовать уже добытые и очищенные редкоземы. В настоящее время успешно разрабатываются методы извлечения редкоземельных элементов из электронных отходов, угольной золы и бокситовых остатков без ущерба для их важных электронных и магнитных свойств. Это очень простой метод: достаточно зажать отходы между двумя электродами и пропустить через них высокое напряжение и ток в течение чуть менее секунды. Он не требует растворителей или воды и может применяться в больших масштабах. Также предпринимаются усилия по ограничению образования высокотоксичных вторичных отходов путем постоянного промывания территории очень разбавленным раствором кислоты.
Извлечение редкоземельных элементов из отходов — это способ повысить ценность и повторно использовать полезные части отходов, а не перерабатывать их. С экономической точки зрения это гораздо выгоднее, чем добыча полезных ископаемых. Не нужно копать большие ямы в земле, не нужно транспортировать отходы на большие расстояния, и не образуются высокотоксичные вторичные отходы.
Даже самые обычные овощи, такие как картофель, могут быть полезными. Исследовательская группа из Национальной лаборатории Айдахо в Соединенных Штатах Америки разработала инновационный метод использования бактерий для извлечения редкоземельных элементов из промышленного и высокотехнологичного оборудования. Команда использовала технику, называемую биовыщелачиванием, в которой микроорганизмы преобразуют элементы. Давая бактериям воду, используемую для мытья картофеля, они вырабатывали специфическую кислоту и могли использовать свойства этой кислоты для извлечения редкоземельных элементов из окружающего материала. Использование картофельных сточных вод позволило снизить затраты на извлечение на 17 процентов по сравнению с использованием глюкозы.
Тем временем исследователи изучают возможность использования новых технологий для решения проблем добычи редкоземельных элементов. Например, компания Ucore разработала запатентованный метод разделения редкоземельных элементов, который как минимум в три раза эффективнее традиционных методов, что позволяет снизить воздействие производственных мощностей на окружающую среду на две трети. Кроме того, в рамках проекта EIT RawMaterials, финансируемого Геропейским союзом, разрабатывается круговая система оценки устойчивости редкоземельных элементов (CSyARES), цель которой — использовать блокчейн для отслеживания всего жизненного цикла редкоземельных элементов, используемых в электромобилях, чтобы убедиться, что они не вызывают вредного загрязнения.
Технология блокчейн — это усовершенствованный механизм баз данных, который позволяет прозрачно обмениваться информацией в рамках определенной сети. В базе данных блокчейна данные хранятся в цепочке взаимосвязанных блоков. Данные сохраняются в хронологическом порядке, поскольку цепочка не может быть удалена или изменена без согласия сети.
Помимо CSyARES, совместный проект Лаборатории Эймса Университета Айовы и Техасского университета A&M использует искусственный интеллект и машинное обучение для обнаружения и прогнозирования свойств редкоземельных соединений с эффективностью и точностью, превосходящими возможности человека.
Правительства по всему миру также работают над укреплением отечественного производства и цепочек поставок. С 2018 года Белый дом подписал соглашения с Австралией и Канадой, чтобы обеспечить поставки редкоземельных металлов. Правительство США также объявило о нескольких программах финансирования, включая грант в размере 35 миллионов долларов для компании MP Materials в Маунтин-Пасс, штат Калифорния, на разделение и очистку тяжелых редкоземельных металлов в рамках усилий по созданию полностью отечественной цепочки поставок постоянных магнитов.
Кроме того, в рамках отдельной инициативы, возглавляемой Министерством энергетики, было выделено 140 миллионов долларов на проект по извлечению редкоземельных элементов из угольной золы и других отходов вблизи шахт, что позволит сократить необходимость в новой добыче.
Австралийское правительство инвестирует в отечественные компании, которые стремятся интегрироваться в смежные цепочки в стране и за рубежом. Компания Lynas Rare Earths уже в 2021 году получила грант в размере 14,8 млн австралийских долларов, чтобы покрыть половину расходов на строительство нового завода по переработке редкоземельных металлов в Западной Австралии. Правительство также учредило новое правительственное агентство, Critical Minerals Office, для поддержки отечественной промышленности и объявило о ряде мер поддержки в бюджете, включая грант на ускорение добычи критических минералов в размере 200 миллионов долларов и 50 миллионов долларов в фонды поддержки исследований и разработок.
В Канаде правительство провинции Квебек выделило 90 миллионов канадских долларов на программу «новой экономики», связанную с критическими и стратегическими минералами. Тем временем Европейская комиссия опубликовала прогноз будущих запасов критически важных минеральных ресурсов, чтобы побудить страны-члены принять активные меры по обеспечению минералов, необходимых для развития таких отраслей промышленности XXI века, как возобновляемая энергетика и робототехника. В настоящее время несколько проектов реализуются в других странах, помимо Китайской Народной Республики: около двадцати проектов осуществляются в Австралии, Канаде и Соединенных Штатах Америки.
По словам представителей Ucore Rare Metals Inc., эти правительственные инициативы послужили катализатором для частных компаний и научных учреждений, подтолкнув их к поиску новых способов достижения этой цели, которые были бы экономически эффективными и экологически безопасными. Это очень важно для обеспечения безопасных и устойчивых ресурсов для нынешних и будущих технологических инноваций.
Автор: Джанкарло Элиа Валори — почетный член Академии наук Французского института, почетный профессор Пекинского университета.
(Мнения, выраженные в этой статье, принадлежат только автору и не обязательно отражают редакционную политику или взгляды World Geostrategic Insights).