Содержание
Сбор материалов, необходимых для возобновляемых технологий, наносит огромный ущерб окружающей среде и вскоре может распространиться на морские глубины и даже на астероиды. Инновационные решения способны переломить ситуацию
Холодная, удаленная и по большей части необитаемая Гренландия обычно не привлекает особого внимания. Но в этом году автономная датская территория попала в заголовки газет, а президент США Дональд Трамп заявил о ее приобретении. Почему его интересует такое скромное место? Возможно, ключ к разгадке кроется в недавней экономической сделке, которую он заключил с Украиной, и в его словах о том, что Канада станет 51-м штатом в мире. Все эти страны обладают огромными запасами того, что может стать самыми важными природными ресурсами 21-го века: металлов.
Мир, пусть и с опозданием, переходит от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии. Это хорошая новость для климата, но есть одна загвоздка. Производство всех ветряных турбин, солнечных панелей, аккумуляторов и электромобилей, необходимых нам для будущего, основанного на возобновляемых источниках энергии, а также всей цифровой электроники, от которой мы уже так зависим, потребует огромного количества лития, кобальта, никеля, меди, редкоземельных элементов и других минералов. В результате спрос на этот набор так называемых “важнейших минералов” стремительно растет.
Тем не менее, несмотря на то, что вы, возможно, слышали, недостатка в этих материалах нет. “На Земле есть все, что нам нужно”, — говорит Саймон Джовитт, геолог штата Невада. “Извлечь их из-под земли — непростая задача”. Найти месторождения в промышленных масштабах и начать их рентабельную добычу сложно, и это часто наносит огромный ущерб людям и планете. Тем не менее, ученые готовы принять этот вызов. Возможно, они не в состоянии помочь в геополитических спорах за ресурсы, но благодаря инновационным технологиям и экологическому мышлению они находят более чистые и устойчивые способы получения металлов, необходимых нам для обеспечения энергией в новую минеральную эпоху.
Как я выяснил, изучая свою книгу «Пауэр-метал«, рынок важнейших минералов огромен: к 2040 году потребуются сотни миллиардов долларов. Например, по оценкам Международного энергетического агентства, к 2050 году спрос на кобальт только со стороны производителей электромобилей увеличится почти в четыре раза. Потребность в никеле будет в девять раз больше, чем в прошлом году, а в литии — почти в 12 раз. Или возьмем медь: за многие столетия, в течение которых люди добывали этот металл, мы извлекли из-под земли 700 миллионов тонн. Чтобы удовлетворить прогнозируемый спрос, нам нужно будет сделать то же самое в течение следующих двух десятилетий.
Сегодня в мире на удивление мало источников большинства важнейших полезных ископаемых, которые мы используем. Чили является крупнейшим производителем меди, обеспечивая четверть от общего объема поставок. Кроме того, здесь находится, вероятно, крупнейшее в мире месторождение лития, ключевого компонента аккумуляторов для электромобилей и электронных гаджетов. В последние годы Индонезия стремительно наращивает добычу полезных ископаемых и в настоящее время производит почти 60% всего никеля, еще одного металла для аккумуляторов. А около трех четвертей мирового кобальта – еще одного металла, используемого в аккумуляторах, – поступает из Демократической Республики Конго.
Редкоземельные металлы в изобилии
Кроме того, есть редкоземельные элементы, набор из 17 малоизвестных элементов с непонятными названиями, такими как иттрий и празеодим, которые используются в двигателях электромобилей, ветряных турбинах и многих медицинских и военных технологиях. Несмотря на свое название, они вовсе не редки. Их можно найти в небольших концентрациях в смеси с другими минералами по всему миру. Тем не менее, их извлечение и разделение является сложным и дорогостоящим делом. Существует относительно немного мест, где концентрация редкоземельных элементов достаточна для того, чтобы их можно было добывать. Гренландия — один из них, и на сегодняшний день там ведется очень мало добычи полезных ископаемых. Китай — другой. Компания владеет, пожалуй, самым крупным месторождением металлов в комплексе Баян Обо, расположенном к северо-западу от Пекина, и извлекла выгоду из этого природного богатства, став на сегодняшний день крупнейшим в мире производителем редкоземельных элементов, добывая почти 70% мировых запасов.
Учитывая растущий спрос, неудивительно, что по всей планете ведется борьба за то, чтобы найти как можно больше этих металлов. На самом деле, некоторые люди даже заглядывают за пределы нашей планеты. Мечтательные предприниматели присматриваются к миллиону или более астероидов, вращающихся вокруг Солнца, некоторые из которых битком набиты металлами. Сооснователь Google Ларри Пейдж и режиссер фильма «Аватар» Джеймс Кэмерон вложили деньги в пару стартапов по добыче полезных ископаемых на астероидах еще в 2010-х годах, но оба они потерпели крах. Сейчас несколько новых компаний пытаются это сделать.
Добыча полезных ископаемых на астероидах
Лидером в этом направлении является калифорнийская компания AstroForge, которая в начале этого года запустила беспилотный исследователь астероидов. Однако аппарат исчез в космическом пространстве, не долетев до цели. Это подчеркивает, насколько сложным является весь проект. Вам нужно отправить космический аппарат на миллионы километров в космос, посадить его на астероид, заставить его добывать металлы, а затем доставлять их обратно – и все это по цене ниже той, которую вы можете выручить от продажи этих металлов. Тем не менее, это не совсем несбыточная мечта. В последние годы космическим агентствам Японии и США удалось извлечь материал из астероидов. Бум частных космических компаний, таких как SpaceX, сделал запуск посадочного модуля проще и дешевле, чем когда-либо. И новое исследование предполагает несколько более реальную возможность: коммерческие объемы платины могут быть получены путем разработки кратеров на Луне, образовавшихся в результате столкновения металлических астероидов.
Есть еще один потенциальный внеземной источник, расположенный чуть ближе к дому: на дне океана. Участки морского дна покрыты камнями размером с кулак, известными как полиметаллические конкреции, которые содержат никеля, кобальта, марганца и других важнейших минералов на сотни миллиардов долларов. Компании и правительства давно хотели их добывать. Проблема здесь не в технологиях – в последние годы роботы для добычи конкреций под водой были успешно опробованы на дне Тихого океана. Главным препятствием является то, что, согласно международному праву, для любой коммерческой добычи полезных ископаемых в море требуется разрешение Международного органа по морскому дну (ISA), связанного с ООН. До сих пор ISA отказывала всем желающим, в основном из-за опасений нанесения ущерба окружающей среде. Эти опасения разделяют по меньшей мере 33 страны, а также сотни ученых, компаний и организаций, которые призвали к введению моратория или полного запрета на добычу полезных ископаемых в море.
Однако все может измениться очень скоро. США так и не подписали договор, по которому было создано ISA, и Трамп призвал США развивать возможности глубоководной добычи полезных ископаемых. Ранее в этом году металлургическая компания, по сути, обошла ISA и обратилась к правительству США за лицензией на начало промышленной добычи полезных ископаемых. В настоящее время заявка находится на рассмотрении, но этот шаг вызвал возмущение. “В международном праве нет положений о том, что они предлагают”, — говорит Дункан Карри, юрисконсульт Коалиции по сохранению глубоководных районов моря. “США просто говорят: ”Мы будем делать то, что хотим».
Сторонники глубоководной добычи полезных ископаемых утверждают, что она будет менее вредной, чем наземная. Хотя это и оспаривается, нельзя отрицать, что добыча и переработка металлов на суше часто приводит к разрушению ландшафтов. Шахты разрушают ландшафты, поглощают ресурсы и выделяют отходы в колоссальных масштабах. Чтобы получить металлы, необходимые для создания одного iPhone, необходимо извлечь из-под земли около 35 килограммов руды. Только в одном районе индонезийского острова Сулавеси с 2000 года было уничтожено более 85 квадратных километров тропических лесов, что эквивалентно 12 000 футбольных полей, чтобы освободить место для никелевых рудников и связанной с ними инфраструктуры. На засушливом севере Чили добыча меди и лития создает проблемы с водоснабжением, подвергая опасности редких животных и коренные общины, живущие тысячелетиями. Химические стоки и токсичные отходы с шахт и нефтеперерабатывающих заводов часто загрязняют воздух и воду поблизости. Почти половина рек на западе США загрязнена подобным образом, а индонезийские никелевые рудники выделяют канцерогенный токсин, который в некоторых районах просачивается в питьевую воду.
В Китае добыча и обогащение редкоземельных элементов превратили район вокруг Баян-Обо в одно из самых загрязненных мест на Земле. Баотоу, главный город региона, когда-то был окружен полями арбузов, баклажанов и помидоров. Сейчас все совсем по-другому. “В наши дни почва больше не может поддерживать урожай, домашний скот вымер”, — пишет Аарон Перзановски, профессор права Мичиганского университета, в своей книге «Право на ремонт«. Он также сообщает, что местные жители страдают от целого ряда заболеваний, которые, по-видимому, связаны с добычей полезных ископаемых.
В некоторых частях мира добычей полезных ископаемых занимаются порабощенные люди и дети. Согласно отчету Министерства труда США, имеются свидетельства применения принудительного труда в цепочках поставок индонезийского никеля и китайского алюминия и кремния, а также детского труда в цепочке поставок южнокорейского индия. В Демократической Республике Конго тысячи детей работают на кобальтовых рудниках, зачастую в тяжелых условиях. В Боливии подростки добывают серебро, которое является ключевым компонентом солнечных батарей. “Дети в возрасте до 13 лет работают в шахтах, где они перевозят тяжелые грузы руды, работают в узких туннелях с риском обрушения, находятся в непосредственной близости от взрывчатых веществ, вдыхают токсичные пары и пыль и, как правило, не имеют средств защиты”, — отмечается в отчете.
Китай в команде
Существует также серьезная геополитическая проблема, которую можно выразить одним словом: Китай. Разграбляя свои огромные запасы и активно инвестируя в горнодобывающие предприятия по всему миру, эта страна стала доминировать в цепочке поставок важнейших полезных ископаемых. Независимо от того, где добываются полезные ископаемые, большая их часть будет отправляться в Китай для переработки. В стране сосредоточено более половины мировых мощностей по переработке лития, кобальта и графита (еще одного компонента аккумуляторных батарей), в то время как по редкоземельным элементам этот показатель составляет около 90%. Все это дает Китаю не только выгодное экономическое положение, но и мощные политические рычаги, которыми он не стесняется пользоваться. Например, ранее в этом году Китай ограничил экспорт редкоземельных элементов и других металлов в ответ на торговые тарифы Трампа.
Хотя наука не может оказать существенной помощи в международных отношениях или торговых переговорах, исследователи добиваются значительных успехов в решении технических и экологических проблем.
Некоторые из них ищут способы очистки горных работ. Например, команда ученых из США обнаружила, что закачка углекислого газа в горные породы глубоко под землей приводит к высвобождению никеля и кобальта, что может привести к снижению выбросов углерода при добыче. Другая группа в Китае разрабатывает подход, называемый электрокинетической добычей полезных ископаемых, который использует электрический ток для извлечения редкоземельных элементов из почвы, снижая потребность в токсичных химикатах. Кроме того, несколько исследовательских групп опробуют методы извлечения лития непосредственно из подземных рассолов, что позволит сократить потребление огромного количества воды, используемой в настоящее время. Усовершенствования также происходят в области переработки важнейших минералов – стадии производственного процесса, на которой образуется больше всего парниковых газов.
Однако что может оказать еще большее влияние, чем эти инновации, так это растущее движение за сокращение, повторное использование и переработку отходов. В сотнях миллиардов тонн отходов горнодобывающей промышленности по всему миру скрыто огромное количество важнейших минералов – элементов, которые не были востребованы во время эксплуатации первоначальных шахт или которые было слишком сложно извлекать с помощью технологий того времени. Теперь исследователи ищут способы получения полезных ископаемых из этого мусора. “Половина проблемы уже решена: металлы находятся на поверхности земли”, — говорит Скотт Данбар, профессор горного дела в Университете Британской Колумбии в Канаде.
Один из подходов заключается в использовании растений, называемых гипераккумуляторами, которые всасывают мельчайшие частицы металлов через свои корни и концентрируют их в своем соке, стеблях или листьях. Исследователи из Великобритании, Австралии и Албании экспериментируют с целым рядом таких устройств, применяя их для извлечения металлов из отходов горных работ или загрязненной почвы. Если сбор металлов на растительной основе, известный как фитомайнинг, удастся внедрить в больших масштабах, это может принести двойную выгоду: очистить загрязненную почву и одновременно обеспечить новые запасы важнейших минералов.
Сокращайте, повторно используйте и перерабатывайте
Технология, разработанная учеными из Университета Миссури, обещает аналогичные преимущества. Они выяснили, как использовать соединение, получаемое из измельченных панцирей креветок, для извлечения неодима — одного из наиболее востребованных редкоземельных элементов – из отходов железных рудников. Тем временем, в Западной Вирджинии исследователи обнаружили, что они могут извлекать редкоземельные элементы из сточных вод угольных шахт, снижая кислотность воды. Горнорудный гигант Freeport-McMoRan пытается извлечь медь из пустой породы на одной из своих шахт в Аризоне. А в Европе несколько компаний добывают марганец и редкоземельные металлы из отходов старых шахт.
Наши электронные устройства, которые мы выбрасываем, также содержат металлы, пригодные для вторичной переработки, однако менее четверти из 62 миллионов тонн, которые люди выбрасывают каждый год, перерабатываются надлежащим образом. Это колоссальная трата энергии и приводит к увеличению производства парниковых газов, поскольку переработка металлов сопряжена с гораздо меньшими затратами на выбросы парниковых газов, чем добыча новых. Это также пустая трата денег, поскольку эти продукты содержат металлов на сумму более 62 миллиардов долларов. Одна из причин, по которой так мало старой электроники перерабатывается, заключается в том, что сортировка и отделение всех составляющих ее металлов и других материалов является сложной и дорогостоящей задачей. В этом могут помочь достижения в таких технологиях, как рентгенофлуоресцентная сортировка, которая позволяет идентифицировать элементы в электронных отходах, и системы сортировки, управляемые искусственным интеллектом. Также возможны более эффективные методы извлечения металлов из использованных аккумуляторов, такие как использование микроволн для извлечения лития, селективное выщелачивание и плазменно-дуговая переработка.
Достижения в разработке продуктов, изготовленных из важнейших минералов, также могут иметь огромное значение. Например, большинство используемых сегодня аккумуляторов для электромобилей изготовлены из кобальта и никеля, но так называемые LFP-аккумуляторы заменяют эти металлы железом и фосфатом – материалами, которые гораздо более распространены и с которыми меньше проблем в цепочках поставок. Аккумуляторы LFP быстро завоевывают долю рынка, особенно в Китае.
Начиная с каменного века, человечество постоянно использовало различные материалы для достижения прогресса. Так или иначе, мы получим в свои руки металлы, необходимые для обеспечения нашего будущего возобновляемыми источниками энергии. Задача состоит в том, чтобы при этом не загрязнять планету.