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.
Промокод для читателей нашего блога!
— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — по промокоду HabrFIRSTVDS.
50 тысяч активных серверов и 10 тысяч клиентов, которые с нами больше 5 лет.
Комментарии (20)
Matshishkapeu
14.12.2022 23:48+18Это соединение настолько прочное, что производители смогут изготавливать из него постоянные магниты для всех механизмов, в том числе самых тетехнологичных.
Щито? Кто это писал? Автор хотя бы школу закончил? В чем связь прочности и магнитных свойств? Карбид вольфрама офигенный магнит? Все современные редкоземельные магниты это спеченные порошки, они отвёрткой крошатся. По ссылкам на статьи спекулируют про теоретическую энергию магнетизации в 42 мегаэрстеда. Это уровень топовых самарий-кобальтовых магнитов марки N42, неодим-бор-железные (ака неодимовые) до 55. Вопщем это дотянет до материалов двадцатилетней давности.
Присутствующие в тексте заплачки про злых китайцев, монополизировавших рынок это тоже разговоры в пользу бедных. В других местах этих элементов - хоть жопой ешь. Просто посмотрите на историю их открытия. Тербий, Эрбий, Иттербий названы в честь одной и той же деревни в Швеции, где их выделили. Скандий в честь той же Швеции, Хольмий в честь Стокгольма, нувыпонели. Проблема с редкоземельными металлами в том, что с ними попутно извлекается торий. Он в том изотопном составе и концентрации не особо радиоактивнее калийных удобрений или бананов, но благодаря параноидально накрученным ограничениям в той же Швеции или США вам придется обращаться с отвалами редкоземельного рудника как с радиоактивными отходами. Тащемта разницей в регулировании, а не чудесами геологии объясняется доминирование Китая на рынке. Остальным не требуется летать на метеориты за минералами, достаточно перестать валять дурака. Собственно рудник Маунтин Пасс в Калифорнии на котором долгое время добывали почти все редкоземельные металлы в мире, недавно снова открыли, а закрывали из-за утечек отработанной воды, в которой были те самые ториевые отложения.
vsantonov
15.12.2022 05:21+7Как всегда на хабре, из комментариев узнаешь больше чем из статьи. Спасибо!
Tiriet
15.12.2022 05:45+2карбид вольфрама очень прочный материал, но из него почему-то не делают гаечные ключи, а гаечные ключи делают из хромованадиевых сплавов, но ведь карбид вольфрама тверже хромованадиевых сплавов, а даже самые лучшие и дорогие ключи- из хромованадия. что-то не сходится... а недавно еще пентаборид вольфрама придумали, он вообще прочнее всего. кажется. только я не знаю, что такое пентабор (не нашел его в таблице Мендеелева)- может автор напишет статью про пентабор? когда открыли, где добывают?
ksbes
15.12.2022 09:38+1Пентаборид — тоже самое как и диоксид. Т.е. пентаборид вольфрама — это один атом вольфрама окисленный 5ю атомами бора.
Про ключи: прочность, твёрдость и нехрупкость — три разные (хотя и немного связанные: твёрдое обычно хрупкое — см. алмаз) характеристики материалов. Не надо их путать. А так же стиоит обращать внимание и на экономическую составляющую.Tiriet
15.12.2022 10:01+1Сарказм не удался (это я про пентабор в таблице Менделеева и про неопределенность термина "прочность"). Что такое твердость я знаю (и по Виккерсу, и по Роквеллу, и даже микротвердость умею измерять пирамидкой и диаграммы нагружения разных материалов понимаю), твердость- это в некотором роде физическая величина, ее можно измерить. а что такое "хрупкость" и что такое "прочность"- не знаю, это не физические величины, их нельзя измерить. сигму-ноль-два можно померить, предел текучести можно померить, предельное напряжение на разрыв- уже не совсем очевидно, но тоже иногда можно, а "прочность"- нельзя. Поэтому когда автор пишет, что "соединение прочное"- это он про что? Алмаз твердый, пентаборид твердый! карбид вольфрама- твердый- не сжимаются не продавливаются! Но карбид вольфрама хрупкий и при любом растяжении ломается, как стекло, а стекло тоже твердое, ножи об него тупятся только в путь, но если ножом стукнуть по стеклу- то нож затупится, и останется целым, а стекло- расколется в куски.
ksbes
15.12.2022 10:51+2Нда. Вот и я попался на закон По. В тексте тонкий сарказм никак не отличим от действительной тупости к сожалению…
А под прочностю на «бытовом» уровне обычно подразумевают именно предел текучести — т.е. под каким усилием появляются необратимые деформации.
А вот хрупкость — неустойчивость к ударным воздействиям — как выражается в сопромате уже и не знаю.Tiriet
15.12.2022 11:19стекло. керамические ножи. предел текучести огого, прочность- ну честно, ну ни в куда же. метчики металлические- тоже предел текучести высокий, а так- хрупенькие изделия. углеволокно- предел текучести огого, но углеволоконные палки ломаются от любого удара. мутное свойство, в общем, каждый понимает как хочет и никакой стабильности.
Tiriet
15.12.2022 05:39+1А вот мощные постоянные магниты, которые используются в современных машинах, должны выдерживать огромное давление и высокие температуры в течение длительного времени.
неодимовые магнитики выдерживают аж 120С. а при 150 превращаются в железные шарики. очень плохие, хрупкие, крошащиеся шарики, кстати, крошатся они не только при "огромном давлении", но и просто при небольшом нажиме- даже ногтем. а чтоб не так сильно крошились- их сверху специально тонкой пленочкой металла покрепче покрывают, но когда два магнитика сталкиваются- эта пленочка отслаивается и начинается крошилово. описанный в статье "тетраборат"- даже если это реально такая заманушная вундерпеченюшка, заменит в лучшем случае один только редкозем- неодим. ну, может еще самарий с кобальтом несколько потеснит, то есть цена на кобальтовые сверла упадет. но это только одна маленькая группа редкоземов. Китай же не на одном неодиме сидит, у него еще индий, осмий, рений, иридий и все остальное тоже есть, много и дешевое, и всем нужное, потому его мало и дорогое. в общем, статья низкопробная на мой взгляд- какие-то детсадовские лозунги при полном непонимании смысла описываемых вещей.
Tiriet
15.12.2022 06:12+5че было: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202204315
тетратенит- это ГЦК упаковка FeNi (по 50% каждого). по теоретическим расчетам образуется из обычного сплава железо-никель (имеющего ОЦК-решетку) при температурах ниже 300С за счет оооочень медленной перестройки кристаллической решетки. очень медленной- это миллионы лет. если в железо-никелевый расплав добавить чуть-чуть (<1%) фосфора- то этот самый тетратенит образуется в дендритных веточках при кристаллизации расплава сам по себе сразу. в микроскопических количествах, но образуется. а это значит, что ученые нашли способ быстро и дешево получить этот тетратенит в дендритах в железоникелевом сплаве (то есть, это не тетратенит в чистом виде, а это включения тетратенита в чугуниевую заготовку, из которой его вытащить невозможно!). но важно то, что они вообще нашли способ хоть как-то получить этот тетратенит быстро и дешево (расплавили, отлили, и где-то там внутри он теперь есть!). А это значит что:
1. ну может быть когда-нибудь мы сможем получать его не в виде вкраплений в чугуняке, а в виде прямо цельных литых чушек, пригодных к обработке.
2. а может он в метеоритах образуется совсем не так, как думали раньше- ведь железоникелевые метеориты тоже содержат фосфор, который может ускорять процесс образования ГЦК решетки из ОЦК FeNi в охреллион раз и тогда получится, что формировались эти метеориты не так, как думали ученые раньше (а как они думали- хз, это другую статью искать надо).
А, да, а где магниты? а магниты в абстракте (в эпиграфе к статье), ну, чтоб статья была интереснее- без этого указания на важность тетратенита ее вообще бы никто читать не стал.
ksbes
15.12.2022 09:42+2По мне — слишком политизированная статья. Вместо того, чтобы рассказать о материале и процессе его изготовления, как додумались, как пришли, нам рассказывают какой Китай плохой монополист и как хорошо (для кого?), что США и Европа придумали как это обойти.
За такими новостями я захожу на ленту и рбк. Не ожидал увидеть на Хабре.
emusic
15.12.2022 12:21+1Заголовок чересчур претенциозный - из него вытекает, что полиэтилен, фторопласт и подобные материалы на Земле существовали и раньше. :)
idregerge
15.12.2022 21:07все "уникальные" материалы создаются искусственно кек. И да, ох уж этот злой китай, который стал ненадёжным торговым партнёром. Вовсе не сша
Far_Rainbow
16.12.2022 22:22Интересно так же и то, что история про скупающих отходы японцев травились ещё в СССР в историях про их интерес к выработкам сахалинских добытчиков угля (и к пережжённому топливу) в которых обнаружились большие %% редкоземельных металлов.
vassabi
или может и не стать дороже