100 великих тайн Земли - Александр Волков

Нам впору с закрытыми глазами ставить на каждом из аппаратов, содержащих эти элементы, штампик Made in China («Сделано в Китае»). Ведь около 97 % всех редкоземельных элементов поставляет на мировой рынок Китай, который фактически стал их монопольным производителем. Остальные 3 % приходится на долю США, Индии и России. Спрос на них растет. То же происходит с ценами, что ведет к заметному удорожанию новых моделей техники. Если в начале 2010 года килограмм неодима – металла, применяемого в ветроэнергетических установках, – стоил 42 доллара, то полтора года спустя – 283 доллара. Стоимость самария, используемого при изготовлении мощных постоянных магнитов, возросла за этот период почти в 8 раз.

Эпоха «китайской монополии» началась недавно – в середине 1990-х годов. Центр добычи редкоземельных элементов – автономный район КНР Внутренняя Монголия. Здесь, в окрестностях города-миллионера Баотоу, находится один из крупнейших карьеров мира – Баян-Обо. Более половины всего добываемого в мире неодима или лантана (это – топливные элементы и аккумуляторы для электромобилей) ведет свое происхождение отсюда. По оценке геологов, здесь содержится до 35 миллионов тонн редкоземельных элементов. Велики ли эти запасы? В 2011 году, например, во всем мире добыли около 130 тысяч тонн «редких земель». Так что проблема не в нехватке этого ценного сырья, а в очевидной зависимости всей мировой электронной промышленности от диктата одной-единственной страны, с которой трудно договариваться. Для Китая редкоземельные элементы – их нефть и газ «в одном флаконе». Тем более что Баян-Обо – далеко не единственное в КНР месторождение. Все шире разворачивается добыча редкоземельных элементов и на юге страны.

Между тем что касается запасов редкоземельных элементов, то Китай здесь вовсе не монополист. На его долю приходится лишь 38 % всех этих запасов, еще 19 % – на долю стран бывшего Советского Союза, 13 % – на долю США, 5 % – на долю Австралии и 3 % – на долю Индии. Почему же Китай, даже не обладая «контрольным пакетом акций», добился мирового лидерства в этой отрасли промышленности? Чем не загадка геополитики?

«У Ближнего Востока есть нефть, у нас – редкоземельные элементы», – сказал 20 лет назад китайский лидер Дэн Сяопин. В начале 1990-х годов власти КНР пошли на ценовой демпинг. Низкая зарплата китайских горняков позволяла удерживать цены на сырье на том уровне, который был невыгоден, например, для американских компаний – к тому времени как раз они задавали тон на мировом рынке. Кроме того, в Китае практически не обращали внимания на вред, наносимый окружающей среде, а потому не было нужды и тратиться на меры безопасности.

За минувшие два десятилетия ценовой демпинг привел к закрытию почти всех нерентабельных рудников, например, в США и Австралии. Теперь это позволяет государственным предприятиям КНР диктовать цены на редкоземельные элементы всему остальному миру, заметно ограничив поставки жизненно важного для мировой экономики сырья: в 2005 году объем экспорта этих металлов из КНР составлял 65 600 тонн, а в 2011 году квота на их вывоз была снижена до 35 тысяч тонн. Официально это объяснялось «ужесточением экологических стандартов». Эксперты же говорят еще и о стремлении Китая развивать свою собственную инновационную экономику – а для этого убирать с пути конкурентов, которые тоже крайне нуждаются в этом сырье. По прогнозам специалистов, уже в 2014 году мировая промышленность будет испытывать нехватку семи редкоземельных элементов. В списке «дефицитных товаров» – диспрозий, европий, лантан, неодим, празеодим, тербий и иттрий.

В поисках решения проблемы все чаще задумываются о рециклинге. Это позволит восполнить нехватку сырья. Но, разумеется, пройдет самое меньшее 5—10 лет, прежде чем будут созданы все необходимые технологические условия для этого.

Между тем ажиотажный спрос на редкоземельные элементы возрос настолько, что в Японии, например, задумались о глубоководном роботе, который займется освоением их подводных месторождений на глубине до 2000 метров. Эти залежи располагаются близ острова Окинава и в самом сердце Японии, у полуострова Идзу – неподалеку от Токио. Впрочем, даже если первые испытания робота завершатся успешно, то, по признанию специалистов, только лет через десять, а то и больше станет возможна промышленная добыча вожделенного сырья. К слову, уже на протяжении нескольких десятилетий ведутся разговоры о добыче железомарганцевых конкреций, которыми изобилует дно Мирового океана. Однако время подводных рудников и шахт все еще не пришло.

Откуда взялось на Земле золото?

В пору экономических кризисов люди всеми способами пытаются спасти свои сбережения – например, скупают золото. Любопытно, что этот металл, как убедились астрономы, тоже рождается в эпоху кризисов, но не земных, а небесных. Компьютерные модели, представленные астрофизиками, свидетельствуют, что идеальные условия для синтеза золота возникают при катастрофических событиях в мире звезд. В это время вспыхивают термоядерные реакции, которые порождают в большом количестве тяжелые элементы, в том числе вожделенный металл. Но в недрах каких небесных объектов это может происходить?

Долгое время ученые предполагали, что золото рождается при взрывах сверхновых звезд. Однако этот сценарий не мог объяснить характер распределения тяжелых элементов во Вселенной. Другое дело – столкновения нейтронных звезд (они возникают на месте взорвавшихся звезд, если те не превратились в черные дыры). По оценкам астрономов, их только в нашей Галактике около миллиарда, хотя в большинстве своем они пока не обнаружены.

Эти звезды – поистине рай небесный для физиков. Ни в одной лаборатории мира нельзя воссоздать условия, царящие там. Прежде всего, поражает их плотность. Вещество в них сжато сильнее, чем в атомном ядре. Так что нейтронная звезда диаметром около 20 километров оказывается в 1,4—3 раза массивнее Солнца. Это означает, что чайная ложка звездной пыли будет весить около миллиарда тонн – больше, чем все люди, населяющие нашу планету, вместе взятые.

Идеальные условия для синтеза золота возникают при катастрофических событиях в мире звезд

Как показывают модельные расчеты, при столкновении двух нейтронных звезд в окружающее пространство мгновенно – за тысячную долю секунды! – выбрасывается большое количество необычайно раскаленного звездного вещества. Его масса в несколько раз превышает массу Юпитера.

Когда плазма остывает до температуры менее 10 миллиардов градусов, в ней начинаются цепные реакции, которые сопровождаются быстрым захватом большого количества нейтронов. Это приводит к образованию тяжелых элементов.

Ученые соотнесли картину распределения этих элементов, полученную путем моделирования на компьютере, и оценили предполагаемое число столкновений нейтронных звезд. Соотнесли и убедились, что именно подобные события, очевидно, и породили большую часть золота, платины, урана, содержащихся во Вселенной. Почти все то золото, ради которого люди гибли веками, – это золото звезд нейтронных.

Когда же оно возникло? Как попало на нашу планету?

Точное время синтеза золотых запасов Земли можно установить только приблизительно. Например, предполагается, что возраст этого золота – не более 10 миллиардов лет, ведь именно таков возраст Млечного Пути. Незримые «космические фабрики» по производству драгметаллов открылись в нашей Галактике лишь после того, как она сформировалась. После того как звезды в ней старились, взрывались, превращались в черные дыры или нейтронные звезды, а те время от времени сталкивались друг с другом. Под громовой аккомпанемент этой «космической алхимии» различные вещества, содержавшиеся в недрах нейтронных звезд, словно по мановению волшебной палочки, превращались в золото. Так что земные богатства (хотя бы некоторые) вдвое старше Земли. Им – почти 10 миллиардов лет.

Разумеется, атомы золота проделали долгий путь, прежде чем попали к нам на планету. Многие из них достигли наших палестин еще в ту отдаленную эпоху, когда на месте Солнечной системы вращалась обширная туманность из газа и пыли. Постепенно пылинки и небольшие крупицы, содержавшиеся в протопланетном диске, сталкивались и слипались, что вело к образованию твердых сгустков – планетезималей. В них уже содержались крупицы золота.

Планетезимали превращались в протопланеты. Когда, наконец, около 4,56 миллиарда лет назад возникла Земля, она была покрыта океаном магмы. В нем и происходило разделение химических элементов. Так, еще около 4,5 миллиарда лет назад, когда земная мантия пребывала в расплавленном состоянии, содержавшиеся в ней тяжелые металлы, в том числе золото, погрузились вглубь и образовали земное ядро. Мантия же сформировалась из более легких элементов – прежде всего горных пород.