Металлы будущего перспективы применения
Обновлено: 19.05.2024
Министерство энергетики США назвало ресурс, который с большой долей вероятности уже в недалёком будущем получит статус одного из наиболее значимых для человечества. Самое интересное, что его нет ни в американском списке стратегического сырья, ни даже в реестре «наиболее важных металлов». Однако, как считают многие эксперты, постепенная трансформация глобального технологического уклада неизбежно внесёт коррективы в эти документы.
Перечень стратегически значимого сырья был утверждён в России ещё в 2012 году. В него вошли нефть и нефтепродукты, уголь, природный газ, некоторые руды, драгоценные и полудрагоценные камни, а также янтарь. Последняя позиция чуть менее очевидна, хотя золотистая ископаемая смола используется не только для изготовления украшений, но также для нужд парфюмерной, фармацевтической и лакокрасочной промышленности. Вероятно, именно этим и объясняется столь высокая степень её ценности для нашей страны.
Подобные каталоги, естественно, существуют и в других государствах. Помимо углеводородов и металлов, чья незаменимость для цивилизации доказана веками, в них также фигурируют элементы, ставшие востребованными сравнительно недавно. Например, литий и кобальт, которые необходимы для производства аккумуляторов. В связи с ростом мирового парка электромобилей темпы их потребления становятся всё выше.
© Mariordo
Самое печальное, что около 60% всего кобальта, который добывается в мире, родом из Конго. При такой конъюнктуре риски дефицита сырья, а значит и лавинообразного роста цен на него гораздо выше, чем в случае более диверсифицированных поставок. Тем более что уровень продуктивности профильных предприятий в Республике оставляет желать лучшего. Там преобладает кустарная добыча, руководство рудников практически не уделяет внимания вопросам безопасности труда, а в качестве чернорабочих зачастую использует детей, вплоть до младшего школьного возраста.
Именно поэтому учёные и инженеры во многих странах мира работают над тем, чтобы существенно сократить долю кобальта в батареях для электромобилей или вовсе заменить его эффективным аналогом. Судя по всему, ставка сделана на никель. По крайней мере, именно так считают в Министерстве энергетики США (DOE), где назвали этот элемент «наиболее важным для обеспечения стабильности производства аккумуляторов в краткосрочной и среднесрочной перспективе». И рекомендовали Правительству рассмотреть вопрос о создании новых добывающих мощностей и обогатительных комбинатов внутри страны.
Ничего революционного в таком предложении на самом деле нет. Серебристо-белый металл и прежде использовался в процессе изготовления батарей для электрокаров. А в прошлом году Tesla представила новые катоды с гораздо более высоким содержанием этого элемента. Они полностью исключают потребность в кобальте, который, кроме всего прочего, ещё и токсичен. Но готова ли промышленность к резкому росту спроса на никель?
Сегодня Соединённые Штаты зависят от его импорта на 68%. Однако большая часть поставок из-за границы приходит из так называемых дружественных государств - Канады, Австралии, Норвегии и Финляндии. Единственная действующая американская шахта (Eagle) расположена в Мичигане, но она находится на завершающем этапе эксплуатации и должна быть закрыта в 2025 году.
Его представители поставили цепочке снабжения американской промышленности кобальтом самую низкую оценку «качества» по сравнению с прочим сырьём, необходимым для производства машин на электрической тяге. Чиновники заявили, что «краткосрочные риски могут быть частично смягчены только за счёт сочетания таких факторов, как поиск и разработка новых крупных месторождений никеля на территории Соединённых Штатов, утилизация отходов, содержащих этот элемент, а также работа со странами-союзниками.
Судя по всему, в их перечень не войдёт Индонезия. А ведь там наблюдается настоящий «никелевый» бум. Добыча по итогам первого квартала выросла в полтора раза, а Президент Джоко Видодо даже официально пригласил Илона Маска инвестировать в профильную промышленность. Плюс пообещал выделить землю для строительства космодрома, с которого могли бы взлетать SpaceX (близость стартовой площадки к экватору делает их полёты более рентабельными). То есть уровень доверия, казалось бы, колоссальный.
Но не всё так просто. Как отметили в DOE, «на этом рынке доминируют китайские игроки», а значит, вряд ли следует надеяться на создание благоприятных условий для работы их американских конкурентов. Кроме того, существенная интеграция индонезийской экономики с бизнесом из Поднебесной означает, что «Соединённые Штаты рискуют лишиться в будущем контроля цепочки поставок важнейшего ресурса». И отдать эту прерогативу КНР, как в случае с некоторыми другими полезными ископаемыми. Именно этим и объясняется столь пристальное внимание к необходимости разработать стратегию в отношении высокосортного никеля. Начать предлагается с создания завода по его переработке на территории США.
Металлы будущего
Добыча и обогащение полезных ископаемых имеют давнюю историю. Развитие экономики, рост численности населения и даже «зеленые технологии» приводят к росту потребления базовых материалов.
«ЗЕЛЕНАЯ ЭКОНОМИКА» – ДВИГАТЕЛЬ СПРОСА
По данным S&P Global Market Intelligence, в прошлом году горнодобывающие компании потратили почти $10 млрд на геологоразведку. Траты выросли на 20%. Как ни парадоксально, одним из двигателей отрасли стала «зеленая экономика». Компании увеличивают бюджеты на поиск новых месторождений, в том числе из-за растущего спроса на медь и другие металлы. Их используют, например, при производстве электромобилей (в аккумуляторных батареях) или ветряных электрогенераторов. Затраты на освоение месторождений тоже выросли. Во-первых, потому что они все чаще находятся в более труднодоступных районах. Во-вторых, потому что правительства государств ужесточают экологические требования. Чтобы сделать разработку экономически целесообразной в таких условиях, нужны наилучшие доступные технологии. Это позволяет вводить в оборот месторождения, которые раньше считались нерентабельными, и при этом обеспечивать экологическую и промышленную безопасность производств.
Одним из первопроходцев в России в этом плане стал Михеевский горно-обогатительный комбинат, который в 2014 году в Челябинской области построила Русская медная компания (РМК). Он стал первым на постсоветском пространстве комбинатом, на котором была внедрена экономически эффективная технология добычи и обогащения медных руд с низким содержанием меди (порядка 0,4%). При этом на Михеевском ГОКе применен комплекс мер по рациональному использованию природных ресурсов и защите окружающей среды. Например, на предприятии действует замкнутый цикл оборота воды, который исключает все виды сбросов в природные водные объекты, а также используются средства и оборудование для сокращения образования пыли в карьере и на обогатительной фабрике. Аналогичные решения РМК планирует реализовать на строящемся также в Челябинской области Томинском ГОКе и новом масштабном проекте освоения Малмыжского месторождения в Хабаровском крае. В совокупности оба проекта дадут цветной металлургии страны дополнительно около 200 тысяч тонн меди в концентрате.
ЦИФРОВАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ
Эксперты компании Delloite, которые ежегодно выделяют 10 важнейших трендов в горнодобывающей отрасли, поставили внедрение цифровых технологий в производство на первое место по итогам 2018 года. Компании начинают осваивать автономные машины и дроны, запускают программы автоматизации. Комплекс мер позволяет совершенствовать процесс добычи.
К примеру, британская корпорация Rio Tinto хочет расширить парк автономных карьерных самосвалов. На руднике Пилбара в Западной Австралии трудится около сотни машин, которые уже доказали свою эффективность. Каждый автономный самосвал в среднем трудится на 700 часов в год больше, чем такой же, но управляемый человеком. А на его погрузку-выгрузку тратится на 15% меньше средств. При этом не было ни одной травмы при использовании техники. В итоге число роботизированных самосвалов к концу 2019 года должно увеличиться на 50%.
И это еще не все. В 2018 году Rio Tinto внедрила первую в мире автоматизированную ж/д систему для перемещения породы в порты отгрузки, а весь процесс управления производственными и логистическими процессами перевела в единый дистанционный операционный центр.
Российские компании – не исключение. РМК внедряет на Михеевском ГОКе средства удаленного доступа к системе производства. Нововведения упростят удаленный контроль над процессами на предприятии и повысят оперативность принятия решений. Сейчас на Михеевском ГОКе 36 локальных систем автоматизации. Их контролируют более трех тысяч датчиков, а оборудованием управляют около 1,2 тысячи исполнительных устройств. Сбор и анализ больших массивов данных позволит настраивать процессы так, чтобы добиться наибольшей эффективности производства.
– Автоматизация преследует несколько важных целей. Это сокращение риска сбоев на производстве из-за человеческого фактора, повышение безопасности и производительности труда, – говорит Юрий Жигулин, директор по автоматизации основных технологических процессов РМК.
Внедрение АСУТП нацелено на точное соблюдение технологии производства и уменьшение простоев оборудования, увеличение выпуска и повышение качества продукции. Автоматизация позволяет получить экономический эффект: производить больше при меньших издержках. По словам Юрия Жигулина, затраты на автоматизацию окупаются в среднем за пару лет, что подтверждает практика предприятий РМК. Еще одно позитивное следствие – улучшение условий труда персонала. Автоматика берет на себя основную работу, позволяя работнику контролировать ход технологического процесса дистанционно.
Литий, графит, кобальт, никель и медь уже называют металлами будущего, поскольку они используются в системах генерации и аккумулирования энергии
СОЦИАЛЬНАЯ ПОЛИТИКА – В ПРИОРИТЕТЕ
Один из главных компонентов устойчивого развития – активная социальная политика. Добывающие компании в местах присутствия стараются создавать больше рабочих мест для местного населения и совершенствовать инфраструктуру. К примеру, крупнейший производитель алмазов в мире – De Beers – является главным налогоплательщиком в Ботсване. В последние годы компания перевела в эту страну операции по сортировке алмазов и центр международных продаж. По данным Deloitte, это дало возможность создать в стране 8000 новых рабочих мест, 95% из которых заняли местные жители. Еще почти 13 тысяч человек оказались трудоустроены в смежных сферах.
Похожую практику применяют и российские горнодобытчики. Так, Михеевский ГОК придал импульс развитию Варненского и Карталинского районов Челябинской области, став одним из крупнейших налогоплательщиков региона. Из 1490 сотрудников предприятия 1300 человек – жители ближайших поселений. Кроме того, предприятие обеспечило занятость в подрядных организациях, которые обслуживают комбинат. За время работы ГОКа объем отгруженных товаров и оказанных услуг крупных и средних предприятий Варненского района вырос почти в 14 раз к уровню 2013 года.
ПОТЕНЦИАЛ РОСТА
Активные инвестиции горнодобывающих компаний основаны на прогнозе развития экономики в ближайшие годы. Спрос на «технологичные» и «специальные» металлы растет в связи с увеличением числа электромобилей. Литий, графит, кобальт, никель и медь уже называют металлами будущего, поскольку они используются в системах генерации и аккумулирования энергии.
По данным Международного энергетического агентства, развитые страны мира планируют довести долю электромобилей на своей территории до 30% к 2030 году. Это несколько десятков миллионов машин, при том что в их конструкции в среднем содержится в четыре раза больше меди, чем в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания. Это позволяет экспертам прогнозировать дефицит этого металла на рынке уже к 2020 году. Кобальт также является составной частью технологий производства аккумуляторных батарей. Спрос на него может возрасти более чем вдвое в ближайшие 10 лет. При этом 95% кобальта получают из никелевых и медных руд в качестве побочного продукта.
Таким образом, горная промышленность обладает большим потенциалом роста. А ее дальнейшее развитие влечет за собой мультипликативный эффект для всей экономики страны. Недаром все больше богатых ресурсами государств рассматривают горную промышленность в качестве рычага национального экономического развития, а не только в качестве источника сырья для своей промышленности.
Материал из спецвыпуска «Россия и мир: устойчивое развитие», посвященного ПМЭФ-2019
Возрастная категория сайта 18 +
И.О. ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА — НОСОВА ОЛЕСЯ ВЯЧЕСЛАВОВНА.
Адский холод, левитация и плазма: прошлое, настоящее и будущее сверхпроводимости
Сверхпроводимость – открытие с незавидной судьбой по сравнению с другими научными прорывами XX века. Результаты последних быстро нашли путь из теоретической в прикладную науку, а затем – в повседневную жизнь. Сверхпроводимость же постоянно требует от учёных достигать и преодолевать какие-то пределы: температурные, химические, материальные. И даже спустя более чем 100 лет после открытия этого явления, мы все ещё боремся с теми же преградами, которые стояли перед учёными в начале прошлого века. Мы — это и Toshiba тоже, и нам есть что рассказать о нашем вкладе в изучение и приручение сверхпроводимости.
Что такое сверхпроводимость и как мы о ней узнали?
Представьте, что вам надо проехать на машине через очень плохую грунтовую дорогу. В тёплое время года, особенно после дождя, она превращается в болото. Колеса вязнут в грязи, скользят, буксуют, машину водит из стороны в сторону. Ваша скорость падает. Зато осенью при первых заморозках грязь твердеет, и вы проезжаете по дороге с ветерком, как будто по шоссе. Вот также и электроны, составляющие электрический ток, проходят через металлы при изменении температуры. Когда вещество нагрето, составляющие его атомные структуры сильно колеблются, затрудняя движение электронов. Атомы выхватывают из потока электроны и рассеивают их. Лишь немногие проходят из точки «А» в точку «Б». Так создается сопротивление.
Однако если металл охлаждать до абсолютного нуля (–273 °С), внутренние колебания вещества («тепловой шум») в нём уменьшаются, и электроны проходят через него без трений, то есть сопротивление падает до нуля. Именно это и называется сверхпроводимостью. Как всё это работает с научной точки зрения, описано в многочисленных статьях в специальных и научно-популярных изданиях, например, в N+1 (с весёлыми картинками).
Голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес в 1911 году об этом явлении ещё не знал, хотя уже был в курсе, что электрическое сопротивление металла снижается при охлаждении. Чтобы проверить, как далеко можно зайти в играх с холодом, металлом и электричеством, голландец использовал ртуть. Именно этот металл в те времена подвергался лучшей очистке от примесей, мешающих движению электронов.
При понижении температуры до 4,15 кельвинов, то есть до –269 °C, сопротивление в ртути полностью исчезло. Правда, Каммерлинг-Оннес в это не поверил, и, проявляя свойственную ученому осторожность, записал в дневнике, что сопротивление «практически исчезло». На самом деле оно полностью отсутствовало, просто измерительные приборы тогда к этому были не готовы, как и сам исследователь.
Впоследствии Каммерлинг-Оннес проверил на сверхпроводимость много металлов и установил, что таким свойством обладают свинец и олово. Также он нашел первый сверхпроводящий сплав, который состоял из ртути, золота и олова. За свои эксперименты с критически низкой температурой ученый получил прозвище «Абсолютный нуль». Но поддерживать это высокое звание было непросто — для экспериментов требовался дефицитный по тем временам жидкий гелий, что не позволило Каммерлингу-Оннесу открыть второе фундаментальное свойство проводников.
Эффект Мейснера: мог ли летать гроб пророка
В средневековой Европе был распространен такой миф: в Мекке, в одном из дворцов парит в воздухе железный (по другим представлениям — медный) гроб с телом пророка Мухаммеда, не поддерживаемый ничем, кроме мощных магнитов. Паломники со всего исламского мира приходят туда, чтобы увидеть это зрелище, и в религиозном экстазе выкалывают себе глаза, потому что верят, будто ничего чудеснее в жизни уже не увидят.
Паломник пал на колени перед левитирующим гробом на фрагменте Каталонского атласа XIV века. Источник: Wikimedia Commons
В действительности погребён пророк был не в Мекке, а в Медине; гроб был сделан из дерева, хотя и богато украшен; никаких магнитов тоже замечено не было, что было проверено в XIX веке. Тогда же было доказано, что ферромагнитное тело в поле постоянных магнитов не может сохранять устойчивое равновесие.
Тем не менее, если бы средневековые хронисты пережили выдуманный миф на один век, то они могли бы получить в распоряжение мощный козырь. В 1933 году немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд решили проверить, как распределяется магнитное поле вокруг сверхпроводника. И вновь было сделано неожиданное открытие: сверхпроводник, охлажденный до критической температуры, вытолкнул из своего объема внешнее постоянное магнитное поле. Как выяснилось, проходящие через сверхпроводник токи создают своё магнитное поле в тонком поверхностном слое вещества. В сверхпроводящем состоянии сила этого поля равна действующему на него внешнему магнитному полю.
Если бы гроб пророка был создан из магнитов и помещён в пещеру, состоящую из охлажденных до критических температур сверхпроводников, то, возможно, он действительно парил бы в воздухе, как это описывали средневековые европейцы. Во всяком случае, в небольших масштабах и с менее сакральными участниками такой эксперимент уже много раз проводился.
Вот так мог левитировать гроб пророка, если бы при его погребении были учтены все условия эффекта Мейснера. Источник: YouTube-канал Empiric School
Открытие эффекта Мейснера также помогло нам понять, что не все сверхпроводники одинаковы. Помимо немногочисленных чистых металлов, сверхпроводимость возникает и у сплавов. Однако если у чистых веществ эффект Мейснера проявляется полностью (сверхпроводники I рода), то у сплавов — частично, ведь они не однородны (сверхпроводники II рода). В них магнитное поле выталкивается не полностью, а заполняет пространство вдоль идущих через проводник сверхтоков. Именно с их открытия началось практическое применение сверхпроводников в виде магнитов.
Тесла бы гордился: как Toshiba создала самый мощный в мире сверхпроводящий магнит
В погоне за снижением критической температуры к 1960-м годам человечество открыло много сверхпроводников второго вида, которые уже можно было использовать в промышленных целях и масштабах. Первой логичной задачей на этом пути стало создание сверхпроводящих магнитов, которые должны были заменить изобретенные еще в XIX веке электромагниты, основанные на использовании обычных металлов.
Сверхпроводящий магнит позволял создавать гораздо более устойчивые и мощные поля при более эффективном использовании электричества. В 1962 году были разработаны первые сверхпроводящие провода из ниобия и титана, и в том же году был создан первый крупный сверхпроводящий магнит. Его сконструировали специалисты General Electric. Мощность генерируемых им полей достигала 10 тесла. Для сравнения: большинство больничных магнитно-резонансных томографов сегодня генерируют поле с индукцией от 1 до 10 Тл.
Правда, несмотря на очевидный научно-технический успех, первый сверхпроводящий электромагнит оказался совершенно убыточным. Вместо предусмотренных контрактом с Bell Laboratories 75 тыс. долл., детище General Electric обошлось в 200 тыс. долл. Тем не менее, в гонку за индуктивностью полей в 1970-е гг. вступили многие инновационные компании, в том числе и Toshiba.
Основной задачей тогда было понять, насколько сильное поле может создать сверхпроводящий магнит, потому что чем выше эта величина, тем быстрее теряется сверхпроводимость. Именно тогда Toshiba совместно с Университетом Тохоку создала новый мощнейший в мире на тот момент сверхпроводящий магнит. Он генерировал поле с индукцией 12 Тл. В университете Тохоку его использовали в материаловедении.
Однако обычные электромагниты все еще были способны превзойти своих «потомков» в генерации электромагнитных полей. К концу 1970-х старое поколение этих устройств могло создать поле с индукцией до 23,4 Тл, тогда как сверхпроводящие магниты — только 17,5 Тл.
В 1983 году инженеры Toshiba на базе своей прежней разработки создали гибридный электромагнит: обычный резистивный электромагнит был помещён внутрь сверхпроводящего магнита, и скрещивание их полей дало индукцию величиной 31 Тл в 1986 году.
Когда стало ясно, что мы можем достичь очень высокой мощности электромагнитных полей, встал вопрос, а как использовать то, что мы уже имеем? В 1980-е Toshiba, как и многие другие компании, решила коммерциализировать технологию на «медицинском полигоне».
Лучи добра: как сверхпроводники Тошибы помогают лечить онкологические заболевания
В 1980-е стало ясно, что магнитно-резонансная томография, использующая электромагнитные поля сверхпроводников, может давать намного более четкую диагностику, чем недавно разработанная технология компьютерной томографии и более старые рентгеновские лучи. Это осознали и в Toshiba. С тех пор компания стала поставщиком сверхпроводящих магнитов производителям медицинского оборудования и остаётся им до сегодняшнего дня.
Один из первых сверхпроводниковых магнитов Toshiba, разработанный для аппаратов МРТ. Источник: Toshiba
Однако современные медицинские установки становятся гибридными: они не только диагностируют, но и лечат, как, к примеру, аппараты терапии с использованием тяжелых частиц.
Их суть в том, что они генерируют лучи с ускоренным движением тяжелых частиц, которые направляются на опухоли в человеческом теле. Чтобы точно направлять пучки таких частиц, необходимо мощное магнитное поле. Раньше такие машины уже использовались, но они не могли контролировать путь генерируемых частиц, из-за чего пациентам постоянно приходилось менять положение, чтобы подставлять пораженные участки тела под излучение, что непросто для больных онкологическими заболеваниями.
Тогда инженеры Toshiba внедрили в гентри — подвижную кольцевую часть излучателя, похожую на портал, — сверхпроводящие магниты, которые были способны быстро менять силу магнитных полей. Это позволило более прицельно направлять лучи, а движение гентри позволило пациентам сохранять покой во время терапии.
Аппарат терапии тяжелыми частицами. Во вращающемся гентри — сверхпроводниковый электромагнит Toshiba. Источник: Toshiba
Что в будущем: топ-3 перспективных применений сверхпроводников
Помимо медицины, сверхпроводники сегодня используются в науке, энергетике, транспорте. Каковы их перспективы в ближайшем будущем?
Провода на высокотемпературных сверхпроводниках
С самых первых лет открытия сверхпроводимости человечество задумывалось о том, как передавать ток с помощью сверхпроводников. Обычные воздушные высоковольтные линии занимают много пространства, а также теряют 6-10% передаваемой энергии.
Сначала не подходили, собственно, сверхпроводящие металлы, чьи химические свойства не позволяли сделать из них провода. Затем с открытием сверхпроводников II рода встал вопрос об их охлаждении, для которого требовался дорогой гелий. Только в 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость, то есть были найдены сверхпроводники с критической температурой выше 30 кельвинов. Это позволило использовать для охлаждения более дешёвый азот, однако теперь встал вопрос о том, как поддерживать высокопроводящее состояние, то есть низкую (высокую) температуру на очень больших отрезках.
Сейчас в России, Китае, Японии, Южной Корее, Европе и США есть проекты по созданию сверхпроводящих кабелей длиной от одного до десяти километров. Успеха добились российские инженеры — в прошлом году завершились испытания самой протяженной сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока. Опытный образец на основе сверхпроводника Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x длиной 2,5 км с критической температурой –165 °С планируется ввести в эксплуатацию в 2020 году соединит две подстанции в Санкт-Петербурге.
Высокоскоростной транспорт
Способность сверхпроводников создавать мощное и устойчивое магнитное поле нашла применение в транспорте. В начале 1970-х был создан первый прототип поезда на магнитной подушке (германский Transrapid 02), а в 1984 году первый коммерческий маглев (от словосочетания «магнитная левитация») начал курсировать между терминалом аэропорта Бирмингема и железнодорожной станцией города (проработал до 1995-го).
Суть технологии проста: состав удерживается над дорожным полотном силой электромагнитного поля. Она же толкает состав вперед — включение одинаковых по полюсам магнитов отталкивает состав от дороги, а разных — притягивает. Быстрое попеременное включение таких магнитов создает постоянный зазор между полотном со сверхпроводящими электромагнитами и поездом. Благодаря отсутствию трения маглевы способны разгоняться до 500-600 км/ч.
Однако несмотря на относительную простоту технологии, она не получила широкого распространения. Дело в том, что она слишком дорогая. Скажем, шанхайский маглев-аэроэкспресс (в коммерческой эксплуатации с 2004-го года) приносит ежегодный убыток в 93 млн долл.
Поэтому более перспективным применение электромагнитных полей сверхпроводников может быть в дорогостоящих космических проектах. Тот же принцип магнитной левитации предполагается использовать для вывода в космос грузовых кораблей. К примеру, разработчики проекта Startram (ориентировочная стоимость 20 млрд долл.), заявляют, что снизят стоимость отправки одного килограмма космических грузов до 40 долл., построив разгонный туннель, направленный на околоземную орбиту (против нынешних 2500 долл. у SpaceX на Falcon-9).
Разгонный тоннель в проекте Startram. Источник: Сайт проекта Startram
Термоядерные реакторы
Еще одна перспективная область применения сверхпроводниковых магнитов — термоядерные реакторы. Они нужны для создания так называемой магнитной ловушки, для удержания вырабатываемой реактором плазмы. Заряженные частицы вращаются вокруг силовых линий магнитного поля. По сути, намагниченная плазма становится диамагнетиком, который стремится покинуть магнитное поле. Соответственно, если окружить плазму сверхпроводниковыми магнитами, генерирующими мощные поля, плазма будет удерживаться в заданном объеме и не сможет разрушить стенки реактора.
Именно такая технология используется для строительства термоядерного реактора ИТЕР во Франции. В этом проекте принимает участие и Россия, причем именно она была ответственна за поставку во Францию сверхпроводящих кабелей для создания того самого электромагнитного поля, «укрощающего» плазму. Как предполагается, опробованы магниты будут во время первого запуска реактора в 2025 году.
Когда же потеплеет?
Несмотря на более чем вековую историю сверхпроводимости главная мечта всех физиков и инженеров — комнатная температура сверхпроводимости, которая позволит использовать сверхпроводники максимально широко в быту, — пока не достигнута. Последний рекорд в этой области поставлен совсем недавно, в мае 2019 года: международная группа учёных экспериментировала с экзотическим соединением — гидридом лантана (LaH10). Получить этот материал очень сложно. Для этого нужна высокая температура и большое давление, отчего вырабатываемые образцы гидрида лантана микроскопически малы. Тем не менее, ученым удалось проверить, как этот материал взаимодействует с магнитным полем. При температуре –23 °С он вытолкнул магнитное поле, чем доказал свою сверхпроводимость. Пока что это самый теплый сверхпроводник, который мы знаем. Однако работа по поиску более тёплых сверхпроводников не останавливается, она продолжается. И как только будут достигнуты новые успехи в этой сфере, мы сразу сообщим.
Какие они, металлы будущего?
Металл – материал, без которого не обходится ни одна отрасль хозяйства. Создаются новые сплавы, которые используются в электронике, космических исследованиях, атомной энергетике. Редкоземельные металлы используют для развития современных технологий, без которых мы себя не представляем.
Мировые залежи редкоземельных металлов
Экономика мира многих государств зависит от наличия редкоземельных металлов, которые используются в высокотехнологических отраслях экономики. Развитие электроники, создание медицинских имплантатов, освоение космического пространства, все это, требует новых материалов. В природе редкие металлы встречаются крайне редко, что видно и из названия. Разработка многих очень затратная. Не все они соответствуют необходимым стандартам для новых разработок.
К такой группе металлов можно отнести 17 элементов, которые обладают схожими физико-химическими свойствами. Это церий, скандий, тулий и другие элементы. Чаще всего они встречаются в виде оксидов, что затрудняет их разработку.
Добавление этих элементов к сплавам металла улучшает их свойства, дает возможность использовать для развития передовых технологий. Наличие таких сплавов сильно влияет на развитие экономики. На сегодня основные залежи редкоземельных металлов находятся в Китае, Австралии и некоторых районах Африки.
Передовым странам, для развития экономики приходится делать научные разработки новых материалов, которые могут заменить редкоземельные металлы. В этом направлении работают многие американские и европейские научно-исследовательские институты. Они добились больших результатов над созданием новых соединений металлов, которые так необходимы экономике всех развитых стран.
Создание редких сплавов
Нано технологии позволяют создавать новые металлические сплавы. Прогресс не стоит на месте и требует усовершенствования металлических сплавов
1. Легкая гибкая сталь.
В Корее, ученые разработали новый сплав, который прочный как сталь, но намного легче титана. Для его создания была использована нано технология. Сплав состоит из амальгамы стали, алюминия, углерода, марганца и никеля. Цена такого металла не будет дорогой, потому, что он содержит в своем составе распространенные полезные ископаемые.
Развитие медицины, электроники, космонавтики требуют металлических материалов, которые обладают высокой прочностью, легкостью, не подвержены коррозии.
2. Синтетический пористый материал Microlattice
Этот материал представляет собой суперлегкий сплав, который на 99.9% состоит из воздуха. Если его положить на раскрытый одуванчик, он будет лежать на его поверхности, без всякого вреда для цветка. Его структура напоминает человеческую кость. Благодаря инновационным технологиям удалось создать металл, который состоит из сплетенных между собой полых трубок. Такое строение позволяет сделать его очень легким. Его вес в 100 раз меньше пенопласта. Несмотря на это металл очень прочный и выдерживает огромные нагрузки.
Стенки трубок, из которых сделан металл, в 1000 раз тоньше человеческого волоса, составляют 100 нанометров. Сделать такую структуру удалось с помощью инновационной технологии аддитивного производства, которая напоминает 3Д печать. Сеть трубок копируют конструкцию поддержания мостов. На этой основе построена Эйфелева башня. Лабораторный метод создания металла использует специальные полимеры, которые формируют всю систему за один раз, быстро реагируют на свет.
Метод 3Д при формировании материала заключается в том, что свет проходит через специальный фильтр, который находится в жидком полимере, за несколько секунд формируется трехмерная решетка.
Металл имеет свойства видоизменяться в зависимости от предназначения. Для этого в жидкий полимер добавляют разные примеси в виде керамики или других металлов. Такие манипуляции помогут получить дополнительные свойства металла. Разработали этот материал американские ученые.
3. Пластмассовый металл
Ученые разработали металл, который обладает свойствами пластмассы (тягучесть при низких температурах) и прочности как у стали. Эти свойства расширяют сферу деятельности таких материалов. Способность металла гнуться, принимать любую форму и переходить в тягучее состояние дало возможность использовать его в разработке имплантатов и микроэлектронике. Основой такого материала являются «аморфные металлические стекла». Этот материал ждет большое будущее.
4. Гидрофобный металл
Способность металлической поверхности отталкивать воду, превращая ее в резиновые мячики, которые с легкостью отскакивают с поверхности металла, являют собой новую разработку американских ученых. Это совершенно новая технология, которая заключается в специальной лазерной обработке поверхности. Такое научное открытие поможет в самолетостроении и строительстве кораблей. Использовать металл, чтобы защитить судна от обледенения и коррозии.
5. Нано технология соединения кремния и магния
Научные разработки для получения легких и прочных металлов увенчались успехом, когда соединили магний и кремний. Этот металл получился плотным и легким, что очень важно для самолетостроения. Сделать объединение двух металлов получилось благодаря особой технологии, когда карбидокремниевые частицы распыляются в магний. Такой подход позволил сделать металл прочным и пластичным. Он не поддается действию высоких температур. Эта особенность металла позволяет использовать его в самолетостроении, где плотность и легкость очень важны. Также в перспективе он будет использоваться в медицине и электронике.
6. Самый прочный металл
На стадии разработки сверхпрочный металл, который сделан на основе углерода, азота, гафния. Его температура плавления 4126 градусов, это 2/3 от температуры поверхности солнца. Этот материал еще не имеет названия. Его образец был использован для изготовления когтей для Росомахи, героя фильма «Люди Икс». Работы по усовершенствованию еще продолжаются. Основное направление его использования – космическая отрасль.
Самый новый из металлов, все ещё — металл будущего
В 1825 году мир облетела несколько непонятная, но явно занятная новость: датский ученый Ганс-Христиан Эрстед сумел, используя метод электролиза, добыть из глинозема новый, доселе невиданный металл – алюминий.
Подтвердив этим замечательным опытом идею английского химика Дэви, Эрстед этим своим экспериментом вполне удовлетворился и развивать его не стал, хотя… хотя многие говорили ему, что, развив это, как идею производства нового металла, можно было бы получить огромные деньги.
Эрстед, однако, был нормальным ученым, а не жаждущим безумных богатств обывателем: добившись успеха в этом своем эксперименте, он планово занялся иными научными проблемами.
Говорят, что Эрстед был тогда в весьма преклонном возрасте – ему было 48 лет, и он был крайне чувствителен к расходу времени, которого ему вечно не хватало на его научную работу – в итоге имя свое он обессмертил не этим экспериментом (которому сам он не придал серьезного значения) и не возможным обогащением, а именно научной работой.
Вот он, Ханс-Кристиан Эрстед, благодаря которому появился алюминий.
Итак, принцип получения алюминия Эрстедом был обнаружен, но только 20 лет спустя. После 18 лет (. ) непрерывных трудов, немец Вёллер создал на этой основе технологию, которая позволяла получать уже не микроскопические частицы, а — вполне себе сотни… граммов такого металла.
К этому времени человечество уже знало о бокситах – красноватой глине, чрезвычайно богатой алюминием.
Кроме того, еще с античных времен люди знали, что такое “квасцы” (так называемые двойные соли некоторых металлов, чаще всего – именно алюминия) и активно ими пользовалось – в фармацевтике, красильном и дубильном производствах.
Но промышленная, а не лабораторная технология его получения все еще не находила своих разработчиков, пока за дело не взялся француз Сент-Клер Девиль.
Всего за год он усовершенствовал метод Вёллера, и на Парижской выставке 1855 года посетителей изумляли целым слитком красиво блестящего и необыкновенно легкого металла.
Правда, к чему можно было применить новый металл, было загадкой.
Он был настолько дорогим в производстве, что сравним был с драгоценными металлами, поэтому, первым делом, его попробовали применить в ювелирном деле.
Сент-Клер Девиль.
Наполеон III, благоволивший Девилю, заказывал у него украшения из алюминия и даже большой набор посуды: на королевских приемах сам он и наиболее знатные особы ели из алюминиевой посуды и пользовались алюминиевыми приборами, а гости попроще — довольствовались тем, что ели на золоте и серебре.
У Девиля Британская академия наук заказывала ценный подарок своему уважаемому коллеге Менделееву, которому вручены были точнейшие аналитические весы (химик пользовался ими всю жизнь) с чашками из золота и алюминия.
Не сразу (прошло время) выяснилось, что алюминий темнеет и теряет блеск, покрывается точечными пятнами, что на нем остаются вмятины, и, например, изготовленная из него посуда недолговечна и довольно быстро теряет «товарный вид».
В общем, в какой-то момент в поиске применения этому невероятно дорогому металлу наступил, скажем так, кризис жанра: идей было много, а вот возможности для их испытаний, ввиду дороговизны алюминия, были ограничены.
Все поменялось, когда в 1866 году сразу два молодых человека – французский инженер Поль Эру и американский студент Чарльз Холл, одновременно и независимо друг от друга, изобрели метод электролиза криолитно-глиноземного расплава, что обрушило стоимость производства алюминия и сделало его металлом довольно дешевым.
Вальтер Ратенау, немецкий предприниматель и политик еврейского происхождения. Его отец создал крупнейшую в Европе энергетическую компанию, AEG, а Вальтер стал выпускать алюминий в таком количестве, что алюминий резко подешевел и стал довольно доступным для производителя материалом.
В 1889 году инженер Карл-Йозеф Байер, австриец, работавший на заводе близ Санкт-Петербурга, решил и проблему приготовления основного сырья – глинозема, что позволило уже довольно недорогому металлу стать еще дешевле.
Проблема с алюминием была одна – это высокий расход электроэнергии, и все заводы по его производству старались располагать максимально близко к источникам энергии.
Заводы, которые основывал Эру (принадлежали они не ему, а группе акционеров во главе с известным немецким предпринимателем Ратенау) располагались в швейцарском Нойхаузене-ам-Райнфалль и французском Фроже, у гидроэлектростанций, а Холл (он тоже не был главным акционером созданной компании, занимая в ней должность вице-президента и являясь, по сути, главным инженером) в какой-то момент создал отлично оборудованное предприятие, ставшее ведущим в концерне, рядом с Ниагарской гидроэлектростанцией.
Заметим, что Холл и Эру, в которых историки видят немалые сходства (правда, в основном ссылаясь при этом на то, что года их рождения и смерти, как и год открытия ими новой технологии, совпадают), были людьми разными: Холл, настоящий фанатик своего дела, одержимый экспериментатор, а Эру, по складу своему – серийный изобретатель, вошедший в историю не только как изобретатель метода Холла-Эру, но и изобретением электродуговой печи для выплавки стали, названной его именем, и еще более чем двумя десятками патентов на разные, порой весьма необыкновенные, но очень практичные изобретения, а вот все 22 патента Холла связаны исключительно с алюминием.
Поль Эру и Чарльз Холл, благодаря которым производство алюминия кардинально изменилось.
Завод в Нойхаузене под руководством Эру растет, как на дрожжах: всего за пять лет объемы получаемого там алюминия вырастают в 10 раз, до 450 тонн в год.
Это больше, чем произведенное Девилем и его конкурентом Бекетовым (завод которого был расположен в Германии и использовал технологию Девиля) за почти 40 лет работы.
Метод Холла-Эру позволял думать о практически неограниченных масштабах производства «металла из глины», и фантазия заработала: уже в 1891 году в Швейцарии Эру изготовил для Альфреда Нобеля катер с алюминиевым корпусом, а три года спустя в Шотландии уже строят из этого материала торпедный катер (для российского ВМФ, кстати), который поражает всех невероятной скоростью, в 32 узла – начиная с этого момента алюминий в кораблестроении используется необыкновенно широко.
Джордж Мортимер Пульман, изобретатель удивительных спальных вагонов, тоже быстро оценит алюминий.
В ХХ веке авиастроители доберутся до предела прочности аэропланов, которые сначала, говоря словами героя одного из романов, делали «из фанеры и клеенки»: набирающей силы отрасли потребуются новые материалы, и таким (до сих пор незаменимым) материалом станет дюралюминий – сплав алюминия с марганцем, магнием и медью (это предотвращало ломкость чистого алюминия).
Первый бензиновый двигатель Карла Бенца. Красиво смотрится. В дальнейшем большинство деталей будет сделано из алюминия, и это тоже будет красиво. Но по-другому красиво.
Немец Альфред Вильм занимался изобретением этого сплава целых 7 лет, зато дюралюминий подоспел вовремя, именно тогда, когда появился спрос: первый самолет с цельнометаллическим корпусом, детище знаменитого Хуго Юнкерса – законодателя мод и одного из отцов гражданской авиации – взлетел в 1915 году, во время первой мировой. Зато после войны практически все летательные аппараты будут изготавливаться уже именно так, как это сделал Юнкерс – с цельнометаллическим алюминиевым корпусом.
Еще один промышленный фронт ХХ века – электрификация – призовет алюминий поработать в качестве проводника, где его дешевизна сделает его популярной альтернативой меди.
Необыкновенно важным окажется и изобретение такой обычной сейчас в быту вещи, как алюминиевая фольга – кстати, у Роберта Неера уходит четыре года с момента изобретения (1907 год) до запуска фольгопрокатного завода, а первыми потребителями становятся его земляки-швейцарцы, производители шоколада, и первыми среди первых в фольгу одевают Toblerone.
В 1920 году норвежец Содерберг вносит технологические изменения в метод Холла-Эру, что еще раз «роняет» цены на выпуск и без того уже, казалось бы, недорогого металла – именно метод норвежца и будет использован в строительстве первого в СССР завода по производству алюминия (раньше на наших территориях непроизводимого: Россия была одним из крупнейших импортеров алюминия в мире).
Понятно, завод был построен рядом с ГЭС – Волховской, по проекту американской компании Кана (который не просто проектирует здание, но проектирует его именно под метод Содерберга, тем самым «заставляя» применять самую современную из технологий).
Волховский алюминиевый завод.
В 1935 году начала свой путь алюминиевая пивная банка – довольно тяжелая (почти килограмм), скроенная из трех кусков металла, к которой необходим был специальный ключ для открывания – покупатели приняли её без восторга, зато идея казалась очень перспективной производителям, и идея неспешно совершенствовалась: та самая пивная алюминиевая банка, которой мы пользуемся сейчас, появилась только в 1975 году.
Дальнейший путь алюминия, собственно, происходит у всех нас на глазах – алюминиевой посудой, возможно, пользовался каждый (поэтому каждый может легко вообразить себя если уж не императором Наполеоном III, то хотя бы одним из почетных его гостей). Производить её начали еще в начале прошлого века, особо обращая внимание на легкость и антикоррозийные свойства, а вот сегодня эту посуду практически не производят – спрос на неё крайне невелик в связи с её «негигиеничностью» (плохо отмывается) и сомнительным подозрением на токсичность.
В 20-е гг. алюминий начинают активно использовать в строительстве, и в 1931 году в Нью-Йорке строят легендарный Empire State Building, где алюминий используется и в основных (в том числе несущих) конструкциях, и в оформлении здания. Это сооружение много лет остается самым высоким на планете, а алюминий прочно завоевывает себе место как один из любимых материалов архитекторов и строителей – не без «рекламного» влияния этого небоскреба, конечно.
Первый искусственный спутник Земли, выполнен из алюминия. Как и все последующие космические объекты.
То, что алюминий «работает» в космосе (первый искусственный спутник Земли скроен из трех листов алюминия), наверное, известно каждому; но перечислять сферы его применения, пожалуй, пора прекратить, иначе статья эта вырастет до совершенно «нечитаемых» размеров – настолько много и часто встречаем мы этот замечательный металл в нашей жизни.
Можно даже подводить некоторые итоги того, что началось почти два века назад в лаборатории Датского королевского университета как научный опыт, в результате которого были добыты первые несколько крупинок невиданного раньше металла…
Итоги, конечно, промежуточные – потому что современные технологи весьма оптимистично называют алюминий, несмотря на его двухсотлетнюю историю, металлом будущего.
Александр Иванов, специально для блога VDSina
На правах рекламы
Воплощайте любые идеи и проекты с помощью наших VDS на Windows или Linux. Сервер готов к работе через минуту после оплаты!
Читайте также: