Какие металлы в XXI веке могут стать «новым золотом»

От них уже зависят конкурентоспособность и национальная безопасность многих государств

Одним из показателей технологического прогресса человечества служит перечень металлов, которые используются в производстве и быту, а также объём их выплавки. Неслучайно историки выделяют «каменный», «медный» (4 – 3 тысячелетие до н. э.) , «бронзовый» (3 – 1 тысячелетие до н. э.) и «железный» (1 тысячелетие до н. э. – 4 век н. э.) века. Научно-технический прогресс и развитие нефтегазовой промышленности в XIX-XX веках привели к появлению органических полимерных материалов, в том числе пластмасс и композитов. Но по сочетанию прочностных, эксплуатационных и стоимостных характеристик металлические сплавы ещё долго останутся основными конструкционными материалами.

Поэтому в обозримой перспективе, как и тысячелетия назад, развитие экономики будет тесно связано с разработкой месторождений металлических руд и металлургическими технологиями.

Металлы – это группа химических элементов, характеризующихся проводимостью электрического тока, высокой проводимостью тепла и повышенной пластичностью, то есть способностью к деформации без разрушения целостности. Большинство элементов Периодической системы химических элементов имени Д. И. Менделеева – свыше 80 из 118 – являются металлами. Ещё от 6 до 9 элементов считаются полуметаллами.

Одной из важнейших характеристик металла является его позиция в электрохимическом ряду активности металлов относительно простейшего элемента – водорода. Чем левее расположен металл, тем более активным он является. Электрохимический ряд для основных используемых металлов выглядит следующим образом: литий => калий => кальций => натрий => магний => алюминий => цинк => железо => кобальт => никель => олово => свинец => водород => медь => ртуть => серебро => палладий => платина => золото.

4 самых правых элемента ряда – серебро, палладий, платина и золото – а также иногда ещё 4 элемента «платиновой» группы (рутений, родий, осмий, иридий) называются «благородными металлами» из-за их химической стойкости. Они не окисляются и не подвергаются коррозии в обычных для земной атмосферы температурных диапазонах, не растворяются в большинстве основных кислот. Кроме того, редкость нахождения в природе придала им статус драгоценных в человеческой культуре и экономике.

Распространённость металлов определяется их кларковым числом, характеризующим оценочную среднюю массу элемента в одной тонне земной коры. Наиболее распространёнными металлами на Земле являются алюминий (80 кг на тонну) и железо (50 кг на тонну) . При этом лидерство по содержанию в земной коре принадлежит неметаллам: кислороду (470 кг на тонну) и кремнию (280 кг на тонну) .

Основным металлом, с которым свыше 3 тысячелетий работает человечество, является железо, служащее базовым компонентом чугуна и стали. Разница между этими семействами материалов заключается в содержании углерода в сплаве: больше (чугун) или меньше (сталь) 2,14%. Чем больше содержание углерода, тем более твёрдым, но более хрупким получается сплав. Основной проблемой железа является его ржавление – появление на поверхности металла оксидной плёнки, которая при этом не защищает более «глубокие» слои металла от окисления.

Разнообразие задач и условий работы сплавов на основе железа – ферросплавов – потребовало создания их сортов с различными характеристиками твёрдости, пластичности, механической прочности, жаропрочности, вязкости, износостойкости и коррозионной стойкости. Решением стало легирование, то есть добавление различных элементов и соединений в состав сплавов.

Основными легирующими добавками являются цинк, алюминий, никель, хром, марганец, молибден, цирконий, ванадий, вольфрам (металлы) и углерод, кремний, сера, бор, фосфор (неметаллы и полуметаллы) .

Легирование широко применяется не только в чёрной (работающей со сплавами на основе железа) , но и в цветной (работающей со сплавами на основе всех иных металлов) металлургии.

Поэтому развитие самого широкого спектра отраслей экономики государства в значительной степени зависит от доступа не столько к железной руде, сколько к легирующим элементам.

Сплавы на основе алюминия, титана или магния в силу меньшей плотности данных элементов по сравнению с железом называются «лёгкими сплавами».
Более лёгкие металлы, как правило, являются и более химически активными. В земной атмосфере их поверхность покрывается тонкой оксидной плёнкой, намного лучше защищающей их от коррозии, чем ржавчина.

Однако «расщепление» природных соединений данных металлов намного более трудное по сравнению с выплавкой железа. Поэтому их масштабное промышленное производство началось только с появлением электрических плавильных печей и электролизных установок.

Как уже отмечалось, алюминий является первым по распространённости металлом, содержащимся в земной коре. Но его производство требует такого большого потребления электроэнергии, что данный металл называют «материализованным электричеством». По этой причине в XIX веке алюминиевая посуда стоила в сотни раз дороже золотой. Промышленное производство алюминия и создание прочных сплавов на его основе (например, дюраля) открыло новую эпоху в развитии авиации и транспортного машиностроения в целом.

Магниевые сплавы легче алюминиевых при сопоставимой прочности. Но большинство магниевых сплавов более пожароопасные и активнее подвергаются коррозии по сравнению с алюминиевыми, титановыми и ферросплавами.

Титан обладает превосходным соотношением прочности и массы, а также высокой температурой плавления и коррозионной стойкостью, что делает сплавы на его основе незаменимыми в авиации высоких скоростей, судостроении и двигателестроении. Однако это очень сложный для фрезерной обработки и сварки металл, требующий наличия наукоёмкой и фондоёмкой промышленности. Например, для возобновления производства в России тяжёлого бомбардировщика-ракетоносца Ту-160 потребовалось восстановить уникальный технологический процесс сварки крупных титановых деталей.

Лёгкие сплавы наряду со сталью являются основными материалами для строительства, машино- и приборостроения. Поэтому спрос на алюминий, титан и магний в долгосрочной перспективе будет по меньшей мере стабильным.

Открытие человечеством явления электричества поставило перед металлургией задачи по производству проводов, электродов для аккумуляторных батарей и магнитов для электрических двигателей и генераторов.

К счастью, из четырёх лучших проводников электричества – серебра, меди, золота и алюминия – медь и алюминий относятся к распространённым на планете металлам. На основе железа, другого хорошо знакомого людям металла, можно создавать магниты.

Начало практического применения в середине XX века полупроводникового эффекта, в соответствии с которым одно и то же вещество может проявлять свойства как проводника электрического тока, так и диэлектрика, произвело революцию в радиоэлектронной промышленности. Создание полупроводниковых материалов происходит преимущественно на основе полуметаллов: кремния, германия и селена. Кроме того, при литографическом производстве микросхем активно применяются инертные газы – гелий, неон, аргон, криптон и ксенон, – являющиеся побочной продукцией при металлургическом производстве.

В качестве сырья для производства электродов используются различные цветные металлы: медь, никель, свинец, кадмий, цинк, марганец, серебро и иные. На текущий момент соединения лития являются лучшим вариантом электродов в электрических аккумуляторах (отсюда происходят названия литий-ионных и литий-полимерных батарей) . Одной из главных проблем литиевых источников питания является высокая стоимость их переработки, делающая повторное использование лития экономически нерентабельным по сравнению с его добычей.

По этой причине рост производства аккумуляторных батарей для бытовой техники и транспортных средств в XXI веке потребует опережающего роста производства лития. Растущий спрос на данный металл стал причиной почти десятикратного взлёта цен на него с начала 2021 года.

Открытие явления радиоактивности дало человечеству возможность генерировать большой объём энергии в мирных и военных целях. Но для реализации данного потенциала необходимо наукоёмкое промышленное производство радиоактивных материалов и жаропрочных сплавов для реакторов и тепловыделяющих сборок.

Все элементы таблицы Д. И. Менделеева старше свинца, порядковый номер которого 82, радиоактивны. Уран с атомным номером 92 является наиболее крупным по величине атомного числа элементом из встречающихся на Земле: все остальные известные человечеству элементы с большим порядковым номером, начиная с нептуния, синтезированы искусственно.

Содержание урана в земной коре достаточно большое – около 3 граммов на одну тонну (к примеру, для золота кларковое число составляет 0,004 грамма на тонну) . Причиной является длительный период полураспада урана-238, наиболее распространённого в природе изотопа данного элемента. Он составляет около 4,5 миллиардов лет, что примерно соответствует возрасту Земли. То есть все ранее существовавшие на планете более тяжёлые изотопы радиоактивных элементов за миллиарды лет распада превратились в уран. В свою очередь, уран-238 также распадается на менее долгоживущие изотопы. Конечным продуктом процесса распада радиоактивных элементов является стабильный элемент: свинец-206.

Из-за длительного периода полураспада сам по себе уран слаборадиоактивен, поэтому необходимо его обогащение до урана-235 для использования в энергетических или военных целях, а также для синтеза иных элементов.

22 сентября 2022 года энергоблок № 4 Белоярской АЭС с реактором БН-800 впервые в мире был выведен на 100% уровень мощности при полной загрузке активной зоны МОКС-топливом, но в глобальном масштабе распространение подобных реакторов является вопросом отдалённой перспективы.

Редкоземельными элементами называют группу из 17 металлов, включающую скандий, иттрий и 15 элементов из семейства лантаноидов.

Название этой группы элементов объясняется существовавшими на рубеже XIX-XX веков представлениями об их крайне малой распространённости в природе. Однако в реальности совокупное кларковое число этой группы составляет примерно 125 граммов на тонну, хотя отдельные элементы, действительно, достаточно редки.

Редкоземельные элементы активно применяются в производстве специальных сплавов (используемых в атомной энергетике и моторостроении) , оптических изделий, магнитов, электроники и электротехнике. Так, наиболее надёжными и долговечными видами электрических конденсаторов являются те, при производстве которых используется тантал.

Одной из причин динамичного экономического развития Китая является наличие на его территории огромных запасов редкоземельных элементов (по различным оценкам, около 40% от разведанных запасов и свыше 80% от поставок на мировой рынок) и развитая индустрия по их добыче, позволившие создать многие виды современных высокотехнологичных производств.

По сообщениям американской прессы, истребитель F-35 при массе пустого самолета около 13000 килограммов содержит свыше 400 килограммов редкоземельных металлов, значительная доля которых в виде сырья или готовой продукции импортируется из Китая. Существуют прогнозы, что по мере ухудшения отношений между Китаем и США китайская сторона может ввести ограничения на экспорт редкоземельных элементов и изделий из них, поставив тем самым под угрозу не только конкурентоспособность американской промышленности, но и боеспособность американских вооружённых сил.

Эта ситуация показывает, что в XXI веке статус государств как передовых научно-промышленных держав в значительной степени будет определяться доступом к редкоземельным элементам.

Подводя итог, можно спрогнозировать следующие долгосрочные тренды на рынке металлов.

1. При сохранении положительной динамики мировой экономики будет наблюдаться опережающий рост спроса на цветные и редкоземельные металлы по сравнению с темпами увеличения их добычи. Это будет фактором долгосрочной динамики роста цен на данные виды металлов. Если же мировая экономика и вместе с ней спрос на металлы будет сокращаться, то и цены на металлы будут снижаться, но только до определённого порога.

2. В случае снижения цен на металлы, как и на любое сырьё, их производители с течением времени начнут консервировать наименее рентабельные месторождения и производства, сокращая совокупное предложение. Поскольку на рынке природных ресурсов позиции продавцов обычно сильнее позиций покупателей, цены на металлы после завершения первичной фазы спада снова будут расти по мере снижения добычи.

3. Рост цен на металлы будет делать рентабельной разработку менее богатых месторождений, в том числе тех, которые расположены на морском шельфе, а также отвалов (горных руд, бедных полезными ископаемыми, или отходов металлургического производства) существующих месторождений.

4. При эскалации экономических и политических противоречий между крупнейшими государствами они будут всё более активно работать над обеспечением национальной металлургической промышленности собственными ресурсами. Соответственно, ожидается увеличение государственных и частных инвестиций в геологоразведку и горно-металлургическую промышленность.

5. По мере исчерпания разведанных запасов металлических руд более экономически оправданной будет становиться переработка металлопродукции. Её практическая реализация потребует значительных инвестиций в научные исследования, а также доступа к дешёвой электроэнергии.