«Китай ограничил экспорт редкоземельных металлов», «промышленности не хватает критически важных минералов», «производители ищут альтернативные источники редких металлов» — подобные заголовки в последние годы встречаются настолько часто, что все эти материалы легко начинают восприниматься как одна большая группа чрезвычайно редких элементов, без которых невозможно собрать смартфон или электромобиль.
На самом деле все немного сложнее. Начать стоит с того, что литий, кобальт, никель, галлий, германий, вольфрам и тантал вообще не относятся к редкоземельным элементам. Строго говоря, редкоземельными называют группу из 17 элементов: 15 лантаноидов, а также скандий и иттрий. Неодим, празеодим, диспрозий и тербий из нашего списка действительно относятся к этой группе. Остальные правильнее называть критически важными или стратегическими материалами. Однако в массовом информационном поле эти понятия настолько тесно переплелись, что «редкоземельные металлы» нередко превращаются почти в собирательное название необычного сырья, необходимого современной промышленности.
Есть и еще один парадокс: даже настоящие редкоземельные элементы не обязательно особенно редки. Например, церия в земной коре больше, чем меди, а неодим встречается чаще кобальта. Проблема обычно заключается в другом: подходящие концентрации вещества могут быть редкими, добыча — дорогой, а разделение и очистка химически похожих элементов — чрезвычайно сложными.
Слово «земельные» тоже осталось нам в наследство от химиков XVIII–XIX веков, называвших «землями» некоторые оксиды металлов. То есть никакой загадочной редкой почвы здесь нет. Но если дело не только в редкости, почему вокруг этих материалов столько шума? Проще всего разобраться на конкретных примерах.
Медь — кровеносная система электрического мира
Начнем с материала, который вообще трудно назвать редким. Медь известна человечеству тысячи лет, однако переход к электромобилям, возобновляемой энергетике и огромным дата-центрам сделал ее важнее, чем когда-либо.
Высокая электропроводность превращает медь в основу линий электропередач, трансформаторов, электродвигателей, зарядных станций и серверной инфраструктуры. Чем сильнее мир электрифицируется, тем больше ее требуется.
По прогнозу Международного энергетического агентства, к 2040 году спрос на медь может вырасти примерно на 7 млн тонн. Причем проблема заключается не в том, что медь заканчивается: разработка новых месторождений занимает годы, а снижение содержания металла в руде заставляет перерабатывать все больше породы.
Литий — топливо аккумуляторной революции
Если медь переносит электричество, литий помогает его хранить. Именно поэтому стремительное распространение электромобилей превратило относительно неприметный металл в один из самых обсуждаемых ресурсов XXI века.
Литий используется в аккумуляторах электромобилей, смартфонов, ноутбуков, дронов и стационарных накопителей энергии. МЭА ожидает, что к 2040 году спрос на него может увеличиться более чем втрое.
При этом литий тоже не является невероятно редким элементом. Главные сложности связаны с подходящими месторождениями, стоимостью добычи и последующей переработкой сырья до необходимого промышленности качества.
Графит — половина аккумулятора, о которой забывают
В разговорах об аккумуляторах обычно вспоминают литий, хотя современная литий-ионная батарея сильно зависит и от графита.
Из него преимущественно изготавливается анод — электрод, принимающий ионы лития во время зарядки. Причем недостаточно просто добыть природный графит. Для аккумуляторов его необходимо очистить, обработать, сформировать частицы нужной структуры и нанести специальные покрытия.
Именно поэтому наличие месторождения еще не означает наличие собственной аккумуляторной промышленности. Значительная часть мощностей по производству графита аккумуляторного качества сегодня сосредоточена в Китае.
Кобальт — дорогая добавка для сложных условий
Кобальт помогает повышать стабильность и долговечность некоторых аккумуляторов, но батареями его применение не ограничивается. Он также входит в состав жаропрочных сплавов для авиационных двигателей и другого оборудования, работающего при экстремальных температурах.
Большая часть добываемого кобальта связана с Демократической Республикой Конго, а существенная часть последующей переработки — с Китаем. Дополнительной проблемой остаются тяжелые условия труда и экологические последствия добычи.
Производители аккумуляторов стараются уменьшать количество кобальта или вовсе обходиться без него. Однако там, где необходимы определенные характеристики материала, сделать это значительно сложнее.
Никель — больше энергии в меньшем аккумуляторе
Никель позволяет некоторым типам аккумуляторов хранить больше энергии без пропорционального увеличения массы. Именно поэтому он особенно интересен производителям электромобилей, пытающимся увеличить запас хода.
Но автомобильная промышленность — лишь один потребитель. Никель необходим для нержавеющей стали, химического оборудования, газовых турбин и аэрокосмических суперсплавов.
За последние годы одним из крупнейших центров его производства стала Индонезия. Быстрое расширение отрасли одновременно подняло вопросы о вырубке лесов, отходах и большом энергопотреблении предприятий.
Неодим, празеодим, диспрозий и тербий — вот они действительно редкоземельные
А здесь мы наконец добрались до настоящих редкоземельных элементов.
Особенно важны неодим и празеодим, позволяющие создавать чрезвычайно мощные постоянные магниты. Их используют в компактных электродвигателях, роботах, ветрогенераторах, жестких дисках, аудиотехнике и множестве других устройств.
Диспрозий и тербий помогают таким магнитам сохранять характеристики при повышенных температурах. Несколько граммов определенного элемента поэтому способны заметно повлиять на возможности значительно более крупного устройства.
Главным ограничением остается сложная цепочка переработки. Редкоземельные элементы химически похожи друг на друга, поэтому их разделение и очистка требуют развитой промышленной инфраструктуры. Именно здесь особенно сильны позиции Китая.
Галлий — металл, которого нужно мало, но заменить трудно
Галлий хорошо демонстрирует, почему тоннаж — плохой способ оценивать стратегическое значение материала.
Он используется для производства нитрида галлия и арсенида галлия — полупроводниковых материалов, востребованных в высокочастотной электронике, телекоммуникационном оборудовании, спутниках, светодиодах и мощных источниках питания.
При этом галлий преимущественно получают как побочный продукт переработки другого сырья. Нельзя просто открыть большой «галлиевый рудник» и быстро увеличить производство в несколько раз. По данным Геологической службы США, еще в 2023 году на Китай приходилось до 98% мирового производства первичного галлия.
Германий — чтобы электроника могла видеть и общаться
Германий тоже редко находится в центре внимания, хотя применяется в весьма заметных технологиях.
Он нужен для оптоволоконной связи, инфракрасной оптики, тепловизионных систем и высокоэффективных солнечных элементов, устанавливаемых в том числе на космические аппараты.
Как и галлий, германий зачастую производится в качестве побочного продукта. Поэтому небольшие изменения в работе нескольких предприятий способны непропорционально сильно влиять на мировой рынок.
Вольфрам — металл для создания других вещей
Вольфрам обладает самой высокой температурой плавления среди металлов и сохраняет прочность в условиях, где многие другие материалы уже не справляются.
Его используют в аэрокосмической промышленности, энергетике, буровом оборудовании и особенно в режущих инструментах. Карбид вольфрама позволяет обрабатывать сталь, титан и другие прочные материалы.
Получается любопытная зависимость: вольфрама может вообще не быть в готовом изделии, но без вольфрамового инструмента изготовить его окажется значительно сложнее.
Тантал — несколько граммов, способных остановить производство
Тантал ценится прежде всего за возможность создавать очень компактные и надежные конденсаторы. Они встречаются в смартфонах, серверах, автомобилях, авиационной электронике и медицинском оборудовании.
Мировой рынок тантала сравнительно невелик, но именно это делает его хорошим примером критически важного материала.
Современному заводу могут потребоваться совсем небольшие количества определенного вещества. Однако если изготовить без него конкретный компонент невозможно, отсутствие детали стоимостью в несколько долларов способно остановить сборку оборудования стоимостью в сотни тысяч.
Так почему же все эти металлы внезапно стали настолько важны?
Пожалуй, именно здесь скрывается главная ошибка в нашем представлении о «редких металлах». Важно не то, насколько редко вещество встречается на Земле, а насколько сложно получить его в нужном количестве, нужной чистоты, в нужной форме и в нужном месте.
Медь распространена, но новый медный рудник нельзя построить за несколько месяцев. Галлия требуется сравнительно немного, зато его производство сложно резко увеличить. Редкоземельные элементы существуют во многих странах, но наличие руды еще не создает предприятия для ее разделения и производства неодимовых магнитов.
Поэтому современная борьба идет уже не столько за сами месторождения, сколько за всю технологическую цепочку: добычу, очистку, переработку и изготовление конечных материалов.
