Стране нужны паровозы, нам нужен металл! (PEAK2)

Как говаривал товарищ Маяковский:  "У вас хорошее настроение? У вас плохая информация!"
Проблемы современного мира, которые многие воспринимают весьма и весьма поверхностно ("нифига, прорвёмся... учёные что-нибудь придумают... Менделеев тоже вот про навоз писал... каменный век закончился не потому, что закончились камни!") на самом деле очень масштабны и фундаментальны.

Поэтому, вернёмся от крови индустриального мира — нефти к его костям — металлу.
Ведь, настоящего, тяжёлого индустриального металла должно быть очень много:



Это ковш самого большого в мире шагающего экскаватора "Биг Маски". И это — всего лишь обеспечение добычи 20 миллионов тонн угля за двадцать пять лет. Часть из обеспечения. Экскаватор "Биг Маски" занимался лишь вскрышными работами на угольном разрезе в штате Огайо.
Металла индустриальному миру надо много и металла разного.
Железо, медь, алюминий, свинец, цинк, литий... Каждый из этих металлов нужен для своей специфической цели и все вместе они нужны, чтобы левиафан мировой экономики мог плыть дальше.
И все они добываются и используются нами во всё возрастающем темпе.

В начале рассказа о металлах я хочу сразу разобрать известный аргумент о том, что "каменный век закончился не потому, что закончились камни" в применении к металлам.

Да, действительно, большинство металлов составляют очень значительную часть земной коры. По сути дела, почти вся земная кора и сложена оксидами металлов.

Привычные нам глины и пески — это, в основном, оксиды кремния, алюминия, кальция или магния. За исключением кремния, все эти химические элементы — в чистом виде — металлы.

Содержание того или иного элемента в земной коре определено в результате точных и масштабных исследований и задаётся так называемым кларковым числом. Чем выше кларковое число, тем данного элемента в земной коре больше, чем ниже — тем его меньше.
Понятным образом, при прочих равных, организовать добычу металла с более высоким кларковым числом проще, нежели металла с низким кларковым числом.

Однако есть и интересные исключения из этого правила.

Во-первых, некоторые металлы образуют с кислородом (а это — главный окислитель в земной коре) и серой  очень прочные соединения.

Некоторые эти соединения столь прочны, что обычные реакции восстановления металлов из оксидов углеродом, которые применялись древними металлургами для получения меди и железа, на них либо вообще не действуют, либо действуют очень плохо (реакция застывает на каких-нибудь промежуточных продуктах).

Ни современного электролиза, ни получения мощных металлических восстановителей (натрия и магния) древние металлурги не знали, поэтому исторически некоторые металлы, которые сейчас мы считаем обыденными и даже малоценными, считались драгоценными наравне с золотом и серебром.

Так, например, в настоящее время алюминий является одним из самых популярных и нашедших самое широкое применение индустриальных металлов. Проблем с месторождениями алюминия немного — по распространённости это третий после кислорода и кремния элемент земной коры.
Даже не верится, что этот металл открыли только в середине девятнадцатого века. И сначала его считали одним из ценнейших благодаря удивительным качествам: по цвету белый подобно серебру, легкий по весу и не подверженный воздействию окружающей среды. Стоимость его была выше цен на золото. Само собой, такой металл первым делом нашел свое применение в создании ювелирных изделий и дорогих элементах декора.

Сейчас трудно найти первые произведения искусства из алюминия. С некоторыми из них можно ознакомиться в коллекциях Музея Виктории и Альберта, Британского музея, Музея д'Орсэ, Музея Купера-Хевитта в Нью-Йорке и Музея Декоративного искусства в Париже.


Лезвие этого кинжала — из алюминия. Ручка — золотая.
Предки балдели.

Одной из самых больших коллекций предметов из алюминия (свыше 16 тысяч изделий) может похвастаться Франция – страна, в которой этот металл впервые получили химическим путем. Очень долго алюминий не покидал стен химических лабораторий. И лишь в 1854 году химик Сент-Клер Девиль из Франции изобрел промышленный процесс изготовления алюминия при помощи натрия. Ему был предоставлен бюджет размером 30 тысяч старых франков золотом самим  императором Наполеоном III для создания экспериментальной лаборатории для производства нового металла.

В 1855 г. На Универсальной выставке в Париже алюминий был самой главной достопримечательностью. Изделия из алюминия располагались в витрине, соседствующей с бриллиантами французской короны. Император Наполеон III не скрывал гордости за это открытие, которое было совершено под его личным покровительством, и называл алюминий «своим металлом».

Однако, надо понимать, что производство алюминия и других металлов, которые имеют прочные оксиды и сульфиды, и тогда, и сейчас сопряжено с громадными затратами энергии — либо в прямом виде на электролиз различных растворов, либо опосредовано — через расходование для их получения сильных восстановителей вроде натрия или магния, которые и сами по себе уже есть "чистая энергия".

Так, например, на одну тонну металлического алюминия надо потратить около 15 500 кВт-часов электроэнергии только на этапе электролитического восстановления. Если принять КПД электрической генерации в 30%, то из тонны угля можно получить около 2000 кВт-часов электроэнергии.

Поэтому 1 тонна алюминия — это 8 тонн угля. Просто для того, чтобы "оно всё крутилось", без учёта затрат на производство оборудования алюминиевого завода, карьера по добыче глинозёма или затрат на постройку угольной ТЭС.
Отсюда, кстати, и любовь алюминиевых магнатов к ГЭС и АЭС — они, по крайней мере, не просят каждый день подвозить к ним уголь и утилизировать золу и сажу из фильтров.
При этом уже сейчас эти расходы близки к теоретическим минимумам энергозатрат — как показывают расчёты, минимальное энергопотребление при получении металлического алюминия имеет физико-химическое ограничение в районе 13 000 кВт-часов на тонну алюминия, то есть всего на 20%.

Во-вторых, многие элементы в земной коре находятся в рассеянном состоянии.Особенно неприятно, когда и элемент рассеян, да его самого ещё и мало.
Такая ситуация, например, сложилась с торием (это, кстати, тоже металл!).

Вообще, такие элементы в своё время даже были выделены в отдельную группу — редкие и редкоземельные металлы. Названия эти похожи, но не эквивалентны. Редкие металлы просто обладают низким кларковым числом в земной коре, редкоземельные же металлы ещё и плохо концентрируются в земной коре в месторождения. Вот торий, например, и редкий, и редкоземельный одновременно.

Такая неприятная особенность редкоземельных металлов связана с тем, что он образуют тугоплавкие, практически не растворимые в воде оксиды. То есть, ни магматические процессы, ни метаморфизм пород, ни даже последующая ветровая и водная эрозия не может толком собрать эти элементы "до кучи" — их просто гоняет туда-сюда по земной коре как говно в проруби.

Единственный более-менее отлаженный природой процесс — это концентрация таких элементов в виде россыпей, когда не растворившиеся в воде мелкие частицы минералов (в основном — песок) за миллионы лет собирает в месторождение морской прибой или русло реки.

Понятным образом, такое неприятное поведение редкоземельных металлов и редких элементов в целом (в эту группу, кроме металлов ещё входят и инертные газы) приводит к тому, что здесь основные энергозатраты происходят на этапе поиска, разработки месторождения и первичного обогащения минерала.

Так, например, на тонну титана при его производстве на разрабатываемых сейчас минеральных ресурсах надо тратить уже 30 000 - 60 000 кВт-часов электроэнергии (15-30 тонн угля), на тонну никеля — 55 тонн угля, на тонну "старого, доброго" олова — до 150 тонн угля!

При этом обогащение большинства руд требует большого количества воды (8- 10 тыс. м³ на 1 тонну полиметаллических руд, 15-20 тысяч м³ на 1 тонну медно-никелевых руд), что тоже создаёт дополнительные вопросы касательно использования энергии и ещё одного невозобновимого ресурса — воды.

В целом же цветная металлургия "состоит из энергии" более, чем наполовину. Различные исследования приводят данные о чистом весе только энергоносителей в производстве цветных и редкоземельных металлов в пределах 55-70%.

Кроме того, абсолютный вес энергии в производстве большинства из металлов неуклонно растёт.
В большинстве случаев это связано с монотонным уменьшением содержания полезного минерала в породе. Для случая меди, если что, я разобрал этот пример тут — ещё в начале ХX века человечество имело в распоряжении месторождения с содержанием меди в 70%, а сейчас в отработку уже включены залежи с концентрациями меди в в пределах 0,3-0,5% по массе. Нетрудно посчитать, что энергетические затраты (по простому линейному закону, по факту рост там даже больший) по обогащению медных руд за ХХ век возросли в 140 раз.

Хорошо, скажет читатель, а может быть, можно уйти от всего этого моря энергии? Найти какие-нибудь супербогатые месторождения или добывать тот же титан или золото прямо из морской воды?

Да, морской воды много. И растворено в ней куча всего (ну, кроме пожалуй упорных и упрямых редкоземельных металлов, разобранных выше, которые делают это очень неохотно). Именно по этим причинам мы не можем пить морскую воду, хотя и сами вроде бы вышли из океана и имеем солёную кровь.
Просто тогда, тот древний океан был гораздо менее солёным и мы привыкли к его условиям.
Так каждый из нас носит в себе частичку доисторической Панталласы. Мы — люди моря.

Однако, энергетические затраты на производство металлов из морской воды в большинстве случаев оказываются ещё выше, нежели из самых бедных месторождений земной коры. В настоящее время из морской воды промышленным способом добывают всего четыре элемента: натрий, хлор, магний и бром. С краткой зарисовкой о промышленной морской добыче металлов можно ознакомится тут.


Здесь из морской воды производят бром для солдат. Крымское производственное объединение "Бром"

Надо сказать, что все технологии получения чего-либо полезного из морской воды — это в той или иной степени её естественное испарение, а потом — кипячение полученных рассолов. Поэтому расходы энергии там получаются просто адские, учитывая громадную теплоёмкость и высокую теплоту парообразования воды.

Особенно долго и нудно человечество прыгало вокруг вопроса получения из морской воды золота. У изобретательных немцев была даже идея таким образом отдать долги Германии, повешенные на неё союзниками после Первой Мировой войны.  Считая, что концентрация золота составляет 5-10 мг на 1 т морской воды, лауреат Нобелевской премии по химии,  немецкий учёный Фриц Хабер укомплектовал исследовательское судно соответствующим персоналом и оборудованием для изучения наиболее высоких содержаний золота в океанах. Однако к своему большому огорчению, Хабер установил, что концентрации золота редко превышают 0,001 мг на 1 тонну воды. В настоящее время установлено, что даже полученные Хабером значения содержаний золота в морской воде являются несколько завышенными, поскольку он не учитывал, очевидно, присутствия золота в химикалиях и в реакционных сосудах, которыми он пользовался во время анализов. Вот такая вот настоящая гомеопатия, без дураков!

Фактически же известен всего лишь один случай, когда были получены сколь-либо ощутимые количества золота из морской воды. В связи с широко развернутыми работами на заводе по извлечению брома в Северной Каролине, в 1960-е годы проводились исследования возможностей экстракции из морской воды и других металлов, включая золото. В результате переработки 15 т морской воды удалось извлечь 0,09 мг золота, стоимость которого составляет примерно 0,0001 долл. На сегодня это ничтожное количество составляет всё золото, которое было достоверно извлечено из морской воды.

Определённый оптимизм внушают только программы по промышленному опреснению морской воды для людей, проживающих в регионах засушливого климата.
Однако, надо учесть, что даже снабжение пресной водой населения, эквивалентного трём Саудовским Аравиям (100 млн. человек) даст в год всего 560 тонн урана, 2000 тонн молибдена, 560 тонн меди, 400 тонн никеля, 40 тонн серебра и 1 тонну золота.
В общем, на фоне мирового потребления и мировой добычи этих металлов — это будут жалкие, несущественные крохи.
Хотя, конечно, вопрос с магнием, серой и с поваренной солью будет закрыт такими опреснителями раз — и навсегда.

С другой стороны, такой проект опреснения воды для нужд людей, лишённых доступа к качественным источникам пресного водоснабжения, потребует, опять таки, очень масштабного увеличения энергопотребления. Так, посчитано, что 100 миллионов людей потребляют за год на бытовые, промышленные и сельскохозяйственные цели около 40 кубических километров пресной воды, или 40 млрд. тонн воды.
Для испарения данной воды, даже с учётом использования дармовой энергии Солнца, легкодоступного в таких широтах, потребуется не менее 1000 кВт-часов на каждую тонну воды или 40 трлн. кВт-часов в год. В понятных условных "атомных энергоблоках", особенно если использовать их дармовой тепловой выход, это составит "всего лишь" около 60 стандартных энергоблоков мощностью в 1000 МВт. Для сравнения — сейчас во всём мире работает уже 429 энергоблоков, так что — задача снабжения опреснённой морской водой 100 миллионов человек в условиях засушливого климата при использовании атомной энергии — вполне решаемая и подъёмная. Ну а металлы — просто приятный незапланированный выход такой программы, небольшой, но весьма полезный — просто не надо выливать полученные рассолы обратно в море, а надо разработать технологию дальнейшего разделения и очистки полезных компонентов.

Однако, как мы видим, даже столь масштабное опреснение морской воды даёт лишь небольшой процент металлов, которые могут быть востребованы человечеством завтра и скромную часть его сегодняшнего потребления. Но — скоро такая энергозатратная технология может стать суровой реальностью.

Если вы думаете, что это утопия — то посмотрите, как сейчас добывают йод из геотермальных вод. Это — просто очень большой и очень сложный кипятильник для производства чистого йода:


Это - Азербайджан. В России такой же "кипятильник" стоит в станице Троицкое, рядом с печально известным Крымском. И это — лучшие месторождения йода в Европе.

А вот в пустыне Атакама в Чили всё выглядит совершенно иначе:


По высохшему полю, которое на самом деле — комплексное рудное месторождение селитры и йода — спокойно идёт себе эдакий "харвестер" и аккуратно срезает верхний слой породы.
За год вот такие харвестеры дают не много не мало — а целых 55% мирового потребления йода. Ну и что интересно: йод в Атакаме — это побочный продукт от производства селитры.

Вот, если что, вся презентация о том, как добывают йод в Чили. Можете сами оценить просто визуально, сколь энергозатратны и дороги методы получения чего-либо из морской или геотермальной воды (из воздуха, из эфира... ну и так далее) и насколько весь мир по-прежнему зависит от десятка-другого богатых месторождений чего-либо, которые исчерпываются во всё в более стремительном темпе.

"Вы всё ещё кипятите? Тогда мы идём к Вам!"  © "Тайд".

Что же демонстрируют нам металлы за "тучный, сытый" ХХ век?
Да-да. Всё ту же экспоненту.

И экспоненту эту поддерживают для каждого из металлов, галогенов или инертных газов — практически в любом из рассматриваемых химических элементов — лишь десяток-другой месторождений.

"Без участия человека это невозможно. Главное — это пограничник" © Путин.

Главное — это месторождение. Без толкового месторождения, на которое можно запустить огромных, не очень человекоподобных, харвестеров, охрана границ построение независимой экономики и обеспечение мирового развития — невозможно.

А вот с месторождениями в мире дела обстоят нельзя сказать, что радужно. Месторождения у одних, а желание их использовать — у совершенно других.
И об этом стоит поговорить.