Основа технологий: почему редкоземельные металлы так ценны, важны и где используются

Недавно президент США Дональд Трамп сообщил, что Штаты хотели бы получить от Украины редкоземельные металлы в обмен на помощь в войне против РФ. Данные ресурсы крайне важны для технологического сектора и, особенно, для производства электроники. Фокус выяснил, какие именно редкоземельные элементы (РЗЭ) делают возможным существование мобильной и бытовой техники, а также электроники военного класса.

В чем важность редкоземельных металлов

Редкоземельные элементы (РЗЭ) — это небольшое семейство металлов, которые играют важную роль в производстве множества современных устройств. Их уникальные магнитные, электрохимические и люминесцентные свойства дают возможность функционировать смартфонам, жестким дискам, электромобилям, различным системам обороны и видам "умного" оружия, системам чистой энергии и медицинскому оборудованию, пишет escatec.com.

В настоящее время большая часть производства РЗЭ сосредоточена всего в Китае, причем эта страна является крупнейшим производителем, так как на ее долю приходится около 38% мировых запасов. На долю Вьетнама и Бразилии — по 18,1%. Еще 10,4% остаются за РФ, 6% — за Индией, 3,5% — за Австралией и только 1,3% — за США. Как говорится в материале OilPrice: "ни одно другое государство не имеет более 1% запасов этих металлов".

По мере возникновения и развития новых технологий, спрос на редкоземельные металлы будет только расти. Исследование, проведенное в 2017 году Пекинским университетом науки и технологий, показало, что к 2030 году мировой спрос на РЗЭ может достичь 51,9 тыс. метрических тонн. В исследовании прогнозируется, что ресурсов для поддержания мирового производства РЗЭ нынешними темпами может хватить только на сто лет.

Более того, данные материалы становятся центром внимания в обостряющейся торговой войне между США и Китаем, сообщает earthsky.org. Так как спрос на редкоземельные элементы неуклонно растет с середины 20 века, и нет никаких реальных альтернативных, которые могли бы их заменить. Насколько бы ни были важны РЗЭ для современных технологий, и насколько бы ни было сложно их добывать и использовать, "санкционная битва" может поставить США в очень плохое положение, считают авторы.

Что такое редкоземельные элементы

Согласно данным Википедии, существует 17 редкоземельных элементов, 15 из которых входят в так называемый ряд лантаноидов, составляя атомные номера от 57 до 71 последовательно в периодической таблице.

Несколько РЗЭ и области их применения:

• Церий — самый распространенный из редкоземельных элементов, используется в магнитах, электродах и угольно-дуговом освещении, в качестве катализатора в каталитических преобразователях и для точной полировки стекла.
• Неодим — мягкий серебристый металл, используемый для создания сильных постоянных магнитов для компьютерных дисков, микрофонов и наушников, а также в производстве мощных инфракрасных лазеров.
• Диспрозий — один из самых сильномагнитных элементов, используемых в производстве электроники, компьютерных дисков, лазеров, коммерческого освещения и электротранспорта.
• Тербий — мягкий серебристый металл, используемый в качестве добавки в редкоземельные магниты, в некоторых электронных устройствах и в гидролокационных системах.
• Гольмий — редкоземельный элемент с мощными магнитными свойствами, используемый в микроволновом оборудовании и стержнях управления ядерной энергетикой.
• Лантан — высокореактивный редкоземельный элемент, используемый в производстве линз телескопов и инфракрасного поглощающего стекла.
• Скандий — используется в производстве популярных потребительских товаров, таких как телевизоры и энергосберегающие лампы.
• Иттрий — серебристый металл, который содержится в сверхпроводниках, лазерах и хирургических принадлежностях.
• Прометий — используется в кардиостимуляторах и управляемых ракетах.
• Самарий — используется в микроволновых устройствах и магнитах.
• Тулий — используется в лазерных установках.
• Кобальт — используется в суперсплавах, реактивных турбинах и аккумуляторных батареях.
• Литий — обычно используется в аккумуляторах.
• Тантал — используется в конденсаторах, резисторах и другом электронном оборудовании.
• Индий — часто используется в ЖК-экранах.
• Галлий — используется в интегральных схемах, светодиодах и полупроводниках.
• Селен — используется в фотоэлементах и ​​выпрямителях.
• Цирконий — используется на атомных электростанциях.

Что делает редкоземельный элемент "редким"

Термин "редкий" на самом деле немного неточен, поскольку РЗЭ на самом деле существуют в изобилии. Даже самый редкий из РЗЭ (тулий) в 125 раз чаще встречается в земной коре, чем золото, а самый распространенный РЗЭ (церий) — в 15 000 раз.

Основное отличие, однако, заключается в том, что РЗЭ не встречаются в твердых скоплениях или пластах, — вместо этого они неравномерно распределены по земной коре, что делает их добычу гораздо более сложной, чем добыча других металлов. Редкоземельные элементы часто встречаются в магматических породах, называемых карбонатитами. Есть несколько регионов, в которых много редкоземельных элементов — и они в основном находятся в Китае, который производит их в количестве 130 000 метрических тонн. А в США, к примеру, есть территория, содержащая относительно большое количество редкоземельных элементов, но последний их источник, карьер Mountain Pass в Калифорнии, закрылся в 2015 году, пишет earthsky.org.

С химической точки зрения также сложнее отделить один РЗЭ от другого, чтобы получить чистое вещество. Короче говоря, РЗЭ дороги в производстве. Например, редкоземельный металл европий, который используется для создания компьютерных мониторов и плазменных телевизоров, продается по цене около 723 000 долларов за тонну, и цена неуклонно растет. В 2018 году стоимость оксида неодима с атомным номером 60 составила 107 000 долларов за метрическую тонну, а к 2025 году цена выросла до 150 000 долларов.

Какие РЗЭ есть в Украине

В Украине, согласно Википедии, расположены месторождения:

• лития,
• урана,
• титана,
• ванадия,
• циркония,
• ниобия,
• кадмия,
• тантала,
• галлия,
• церия,
• индия,
• селена,
• бериллия,
• иттрия,
• теллура,
• скандия,
• германия,
• гафния.

Всего месторождений насчитывается около 20 000, по словам политолога Олега Постернака, однако 70% находятся во временно оккупированных областях: Донецкой, Луганской, а также в Днепропетровской.

Утилизация и повторное использование РЗЭ

Спрос на РЗЭ растет, но они также являются ограниченным ресурсом, и в настоящее время нет жизнеспособных альтернативных методов их замены. Одним из возможных решений является их утилизация и повторное использование.

Rare Earth Industry Association (REIA) подсчитала, что в настоящее время перерабатывается менее 1% редкоземельных металлов в мире, а большинство их оказывается на свалке. Но ученые надеются изменить это. Например, консорциум Sustainable Recovery, Reprocessing and Reuse of Rare-Earth Magnets (SUSMAGPRO) получил финансирование в размере 12,98 млн фунтов стерлингов по программе ЕС Horizon 2020, из которых 4,35 млн фунтов стерлингов направлены на исследования Бирмингемским университетом, пишет resource.co. Ученые должны будут найти способ извлечения и повторного использования редкоземельных металлов из редкоземельных магнитов.

Редкоземельные магниты — мощные постоянные магниты, которые используются практически везде, где для создания движения используется электричество — от электромобилей и жестких дисков до множества обычных бытовых приборов. Исследователи из Бирмингемского университета уверены в разработке новой технологии, которая позволит производить около 20 тонн переработанных редкоземельных магнитов в год. И если все пойдет хорошо, ожидается, что новый метод значительно сократит количество РЗЭ, в настоящее время отправляемых на свалки, предложит более устойчивое решение растущих проблем добычи таких металлов и обеспечит более высокий уровень защиты цепочки поставок.