Металлический привкус научного прогресса
Ни о каком развитии нанотехнологий не может быть и речи, если страна не производит и не потребляет редкие элементы
 Титан-циркониевый разрез – зрелище впечатляющее. Источник: www.portal.stavkray.ru |
Масштаб добычи, производства и потребления большинства редких металлов, необходимых для разработки технологических новинок, – это точный индикатор научно-технического развития страны. Посмотрим, что происходит с этой отраслью промышленности в нашей стране.
Судьба «редких»
Бериллий. Это металл необыкновенной твердости и легкости. Сплав бериллия с медью обладает свойствами стальной пружины. Металл необходим атомной, электронной, электротехнической, авиационной, аэрокосмической, нефтегазовой промышленности. Но уже много лет уникальное, стратегического значения Малышевское месторождение бериллия и изумрудов на Урале переходит из рук в руки, в том числе и зарубежных хозяев, шахты полузатоплены, бериллий не добывается. Прочие месторождения бериллия законсервированы.
Ниобий увеличивает срок службы стальных труб в десять раз. Россия, покрытая сетью ржавых нефте- и газопроводов, теряет за счет аварий трубопроводов миллионы тонн нефти и более 1% ВВП в год! По запасам ниобия Россия занимает первое место в мире. Но производство ниобия резко сокращено. По потреблению этого ценнейшего легирующего металла на душу населения Россия отстает от Японии и США в десятки раз. Попросту говоря, Россия производит некачественный металл, и мы предпочитаем ввозить нержавеющие трубы из-за границы.
Ниобий всегда встречается в рудах вместе с еще более ценным металлом танталом. Тантал используется в электротехнике для производства конденсаторов, для производства сверхтвердых и химически устойчивых сплавов, похожих по свойствам на платину. СССР был мировым лидером по производству тантала, который добывался вместе с ниобием на Ловозерском месторождении на Кольском полуострове. Сейчас получение тантала практически прекращено.
Литий – стратегический металл оборонной промышленности – необходим для производства водородных бомб, эмалей, стекла, аккумуляторов, батареек. До 20 тыс. тонн этого металла производят США, Чили, Австралия, Китай и другие страны. В России добыча лития прекращена. Заводы Красноярска и Новосибирска ввозят соединения лития из Чили и США. Вместе с литием в СССР добывались также цезий и рубидий. Сейчас эти металлы у нас не добываются, потребителей нет.
Особое место в таблице Менделеева занимают редкоземельные элементы – иттрий, лантан, церий, самарий, гадолиний, европий и другие, всего 15 элементов. Каждый из них обладает уникальными свойствами, которые проявляются преимущественно в высокотехнологических видах производства. Редкоземельные элементы используются в электронике, атомной и военной технике, металлургии, при производстве бензина и качественной оптики.
В СССР производилось до 3 тыс. тонн этих металлов, сейчас их получение практически прекращено: низкоуровневым технологиям России стратегические разработки не требуются. В то же время в Сибири разведаны грандиозные запасы руд редкоземельных элементов. Видимо, они заинтересуют лишь возможных будущих «хозяев» Сибири, например китайцев, японцев или американцев, которые используют в своих высоких технологиях десятки тысяч тонн редкоземельных элементов.
Цирконий широко используется в ядерной энергетике, оборонной промышленности, для производства огнеупоров, легирования стали, эмалей, керамики, газопоглотителей, синтетических самоцветов. Мировое производство циркониевых концентратов – более миллиона тонн в год. На долю России сейчас приходится не более 1% от мирового потребления. Это значит, что по сравнению с СССР потребление циркония уменьшилось более чем на порядок. Цирконий в России не добывается. Месторождения циркония, хрома, марганца, титана остались за рубежом и утрачены Россией при распаде СССР.
Титан. СССР был мировым лидеров по добыче, производству и использованию титана. В СССР производилось 100 тыс. тонн титана ежегодно, значительно больше, чем во всем мире. Этот титан не экспортировался, а шел на производство подводных лодок, ракет, самолетов. Сейчас российское производство титана из украинской руды упало в четыре раза, причем почти весь титан идет на экспорт.
Стронций. Советский геохимик Александр Ферсман образно называл стронций «металлом красных огней», поскольку он использовался преимущественно в пиротехнике. Но с тех пор современная техника стала широко использовать стронций для производства стекла, катодно-лучевых трубок цветного телевидения и мониторов персональных компьютеров. Дело в том, что стронциевое стекло не разрушается от действия рентгеновских и катодных лучей и эффективно их задерживает. Стронций используется также для производства ферритов (мощных керамических магнитов), при электролизе цинка, рафинировании сахара.
Но для России стронций имеет особое значение, поскольку это уникальная легирующая присадка для производства морозостойкой стали. Опытно-промышленные плавки, проведенные еще в 1991 году на Иркутском заводе тяжелого машиностроения, Магнитогорском и Тульском (ОАО «Ванадий») металлургических комбинатах, показали, что легированная стронцием сталь не ломается даже при низких температурах.
А ведь в России тысячи километров железнодорожных путей проходят по Сибири с ее знаменитыми морозами. Для катастрофы достаточно одного лопнувшего на морозе рельса… Многочисленные машины, экскаваторы, бульдозеры работают за Полярным кругом, где зимой обычная сталь становится хрупкой… Потребление карбоната стронция в мире оценивается в 400 тыс. тонн, используют его исключительно высокоразвитые страны – США, Япония, Корея, Китай, Германия. Современная Россия в их число не входит: добыча стронция прекращена, потребителей нет. Замечу, что СССР добывал и потреблял ежегодно 20 тыс. тонн стронциевых солей.
Отдельно – скандий
В 1879 году шведский химик Нильсон открыл в скандинавских минералах гадолините и эвксените новый элемент, названный скандием. Скандий занял в таблице Менделеева заранее приготовленную для него клетку, где под названием «экабор» гениальный русский химик заранее описал свойства неизвестного металла.
Скандий оказался типичным рассеянным элементом: в тонне гранита его содержалось 5–6 граммов, но месторождения отсутствовали. Редкость и дороговизна скандия мешали его использованию в технике. Тем не менее оказалось, что этот элемент весьма полезен, прежде всего – в металлургии алюминия. Например, примесь 0,1–0,3% скандия увеличивала прочность и теплостойкость алюминиевых сплавов в три-четыре раза, причем они становились способными к свариванию.
Обшивка советского космического челнока «Буран» была сделана из алюминий-скандиевого сплава. Такой сплав очень удобен в конструкциях самолетов, ракет, скоростных поездов и автомобилей. Он обладает также радиационной стойкостью, что позволяет использовать его в атомных реакторах. Для производства ЭВМ нового поколения используют синтетические гранаты германий-гадолиний-скандиевого состава. Эти же гранаты, но с добавкой неодимия и меди – основа лазерной техники. Оксиды циркония и скандия дают высококачественную керамику, сплав магния и скандия используют в водородной энергетике.
СССР, развивая высокие технологии и глядя в будущее, еще в начале 60-х годов начал поиски, разведку и добычу скандиевого сырья. В итоге в течение многих лет СССР занимал первое место в мире по получению скандия. Если во всем мире добывались сотни килограммов, то в СССР ежегодная добыча достигала 10 тонн! Согласно советской программе, предусматривалось ежегодное производство 1000 тонн высококачественных алюминий-скандиевых сплавов. Это позволило бы совершить технический прорыв в самолето- и ракетостроении. Правда, в гражданском хозяйстве его использовали мало.
После распада СССР интерес к скандию упал, хотя возник новый, уже спекулятивный спрос на скандий в связи с попыткой банков использовать его в качестве валютного металла. В итоге цена оксида скандия в 1995 году достигла 2500 долл. за килограмм. Сейчас она упала втрое. Тем не менее в связи с возрождением российского производства и тем более высоких технологий о скандии снова вспомнили.
Откуда добывался советский скандий? Металл этот рассеянный, но он отчетливо концентрируется в рудах урана, титана, железа, алюминия, редкоземельных элементов, а также фосфорного сырья. Содержание скандия в них достигает 100–500 граммов на тонну, что значительно превышает его среднее содержание в земной коре. Хотя собственных руд скандий не образует, но при комплексной переработке многих типов сырья его можно получать в промышленных количествах.
Скандий накапливается в урановых рудах, бокситах, магнетитовых железных рудах, в ильменитовых и рутиловых титановых концентратах, в касситерите, вольфрамите, цирконе, берилле, пироксенах.
Скандий в СССР добывался в основном при переработке урановых и титановых руд. Здесь содержание скандия колебалось от 50 до 150 граммов на тонну. На урановом Прикаспийском комбинате (ныне АО «Каскор») в год производилось до 9 тонн оксида скандия. Сейчас производство остановлено из-за истощения урановых руд.
На базе железо-уранового Желтореченского месторождения Украины был построен рудник, который в зарубежной печати называли самым крупным производителем скандиевого сырья. После распада СССР предприятие было акционировано и треть его акций принадлежала американской компании Ashurst Technology Ltd. С 1993 года предприятие производило алюминий-скандиевый сплав, производственная мощность оценивалась в 900 тонн, но реальный выпуск не превышал десятков тонн. В 1995 году предприятие закрылось. Не исключено, американцы умышленно вывели из обращения уникальный комбинат.
Титановый минерал ильменит из россыпей Украины также частично использовался для получения скандия. Много скандия находится в красном шламе, остающемся после переработки бокситов. Например, только в 1990 году из бокситов, добытых на Урале, можно было извлечь 46 тонн скандия. Но весь скандий алюминиевых, железных, вольфрамовых, оловянных, бериллиевых и частично титановых руд идет в отвалы.
Сейчас к потенциальным источникам скандия добавились руды Томторского месторождения Восточной Сибири, уникального по запасам ниобия, редкоземельных, редких и рассеянных элементов. Этот объект возник за счет выветривания мраморной лавы древнего вулкана, богатой церием, лантаном, неодимием, иттрием и другими редкоземельными элементами в сочетании с ниобием и танталом. Содержание скандия в руде достигает 800 граммов на тонну! Запасы здесь так велики, что месторождение могло бы стать главным мировым источником скандия, выпуская более 20 тонн оксида скандия ежегодно.
Скандий накапливается в многочисленных отходах производства. Например, в красном шламе, остающемся при переработке бокситов, на тонну сырья остается 100 граммов скандия, в пироксеновых хвостах железорудных месторождений – 150 граммов, в титановых шлаках – 200 граммов, в шлаках вольфрамового и оловянного производства – 250 граммов. При отработанной технологии и цене оксида 800 долл. за килограмм дополнительное получение скандия может резко увеличить рентабельность производства алюминия, железа, вольфрама, олова, урана. Но для развития скандиевой промышленности нужны умные потребители.
 Сегодня практически нет высокотехнологичного продукта или изделия, в котором не использовались бы редкие металлы. На снимке – автомобильные диски на основе циркониевых сплавов. Фото с сайта www.74rif.ru |
Инфраструктура потребления
Трагедия высокотехнологичной промышленности России заключается в том, что она получила в наследство от СССР строгую секретность и келейную замкнутость производства, принадлежащего ВПК. Высокие технологии использовались в производстве ракет, истребителей, подводных лодок, атомных бомб, термоядерных зарядов. Но выход высокотехнологичных разработок в гражданское производство отсутствовал. Поэтому развал СССР и ВПК привел к массовой гибели разнообразных высоких технологий, к потере десятков тысяч классных специалистов.
В то же время за рубежом продолжается настойчивая работа по изучению свойств редких элементов, особенно в нанотехнологиях. Например, использование вместо кремния диоксида гафния в качестве подложки позволило на два порядка увеличить и без того фантастическую плотность информационных ячеек памяти компьютерных схем. Но такой уровень технологии для России – недосягаемая вершина.
Излишняя секретность губительна: в СССР были засекречены топографические карты масштаба 1:200 000 (в сантиметре два километра), а американцы свободно продавали спутниковые фотографии всего мира М 1:15 000 (в сантиметре – 150 метров!). В СССР я пользовался такими фотографиями на геологической съемке, а в полевой сумке у меня лежали скверные секретные карты Генштаба, за утерю которых я бы считался почти врагом народа.
Тот же скандий в этом отношении – одна из «жертв» гибели СССР и ВПК. Ведь алюминий-скандиевые сплавы были для своего времени абсолютно пионерскими разработками и могли бы вывести Россию в лидеры высокотехнологичного производства гражданских авиалайнеров. Сейчас требуется сменить две тысячи устаревших самолетов. Российские компании массово закупают «Боинги» и «Эрбасы», хотя на эти десятки миллиардов долларов можно было развернуть отечественное оригинальное производство, в том числе на основе алюминий-магний-скандиевых сплавов.
Возьмем другой пример – производство труб. Российские трубопроводные системы всех типов – и магистральные газопроводы, и канализационные, и водопроводные – давно изношены. Потребность в трубах огромна. И вот на Каменск-Уральском металлургическом заводе получена в опытном порядке партия труб из алюминий-магний-скандиевого сплава. Их использование на газоконденсатном нефтяном месторождении показало большую коррозионную стойкость. Стоимость трубы длиной 12 метров в три раза меньше, чем такой же импортной, а вес ее ниже в 2,5 раза! Выгода несомненна. Но заказов нет.
В России имеются месторождения всех типов редкоземельных, редких, рассеянных элементов. Но для их добычи необходимо воссоздание инфраструктуры потребления. Не надо забывать, что «реформированная» Россия свалилась в списке по уровню конкурентоспособности на 67-е место в мире.
Необходимо вкладывать хранящиеся бессмысленным грузом грандиозные «бумажновалютные резервы», полученные от продажи нефти и газа, в научные технологические разработки. Только тогда Россия выйдет в реальные лидеры современного производства.
