Редкоземельные металлы — ключевой ресурс для электроники, энергетики и промышленности. Какие элементы входят в эту группу, где их добывают, в каких сферах они применяются и какие проблемы связаны с их добычей?
Редкоземельные металлы все чаще становятся предметом международных переговоров, о них говорят политики, бизнесмены, ученые. Именно этот ресурс сегодня постоянно упоминается в связи с взаимоотношениями США и Украины. А не так давно США, которые сейчас пытаются получить доступ к украинским месторождениям, собирались даже покупать целый остров Гренландию для того, чтобы снизить свою колоссальную зависимость от поставок редкоземельных металлов из Китая. Все говорят о стратегической важности редкоземельных металлов или, как говорят специалисты, «редкоземов», для современного высокотехнологичного мира, но в чем конкретно их значимость? Почему они стали вдруг так важны для современного мира? Разбираемся вместе с порталом «ПОИСК».
Что такое редкоземельные металлы (РЗМ)
Под редкоземельными металлами понимают группу из 17 химических элементов, которые обладают схожими химическими свойствами. Это скандий, иттрий и 15 элементов, объединенных в периодической системе Менделеева в группу лантаноиды. Все они являются металлами и в чистом виде имеют серебристые, серые и белые оттенки цвета. Почему они называются редкоземельные? Латинский вариант этого термина — terrae rarae, что в переводе означает «редкие земли». Землями в начале XIX века называли оксиды или горные породы со сложным составом, поэтому вновь обнаруженные оксиды ученые посчитали весьма редкими по сравнению с другими и назвали их редкоземельными металлами.
Все редкоземельные металлы имеют одну особенность: они обладают высокой химической активностью, то есть легко вступают в соединения со многими элементами, особенно при повышенных температурах. Поэтому в чистом виде они в природе не встречаются. Все руды редкоземельных металлов — это всегда соединения редкоземельных элементов с другими элементами: оксиды, соли, основания. В месторождениях, как правило, присутствует комплекс редкоземельных элементов, поэтому разработка и дальнейшая переработка таких запасов — это всегда сложный дорогостоящий высокотехнологичный процесс с разными схемами извлечения для каждого отдельного элемента.
Редкоземельные металлы: значение в современной промышленности
Редкоземельные металлы применяют во многих отраслях, но особую важность они имеют для производства высокотехнологичных продуктов: это своеобразный маркер современного промышленного производства. Нужно их, как правило, немного, но это всегда важные компоненты: они улучшают другой металл, сплав или материал, придавая им новые уникальные свойства. Их часто используют в качестве катализаторов – веществ, которые ускоряют протекание химических реакций.
Производство микроэлектроники, медицинского оборудования, электромобилей, ветрогенераторов, мощных магнитов, буровых установок, атомных батарей, сплавов с улучшенными свойствами — везде применяются те или иные редкоземельные металлы с уникальными свойствами.
Список и классификация редкоземельных металлов
- Основные редкоземельные элементы
Редкоземельные металлы — это скандий, иттрий и 15 элементов из группы лантаноидов: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций. Часть из этих металлов была впервые обнаружена в Швеции, поэтому имеет скандинавские названия и так тяжела для произношения. Прометий — единственный радиоактивный редкоземельный металл, содержание которого в природе ничтожно мало — можно сказать, его почти не существует, и его получают искусственным путем.
- Легкие и тяжелые РЗМ
На эти две группы редкоземельные металлы делятся исходя из их атомной массы, то есть можно легко сориентироваться по периодической системе элементов Менделеева: скандий, иттрий, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий — это легкие металлы с относительной атомной массой до 151, а гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций — это уже тяжелые металлы, атомная масса которых изменяется от 157 до 174.
Химический и практический смысл этого разделения заключается в разных свойствах этих двух групп. Легкие редкоземельные металлы чаще встречаются в земной коре, их легче извлекать, и они имеют достаточно широкую область применения. Металлы из тяжелой группы более редкие в природе, для их извлечения нужны дорогостоящие технологии, и применяются они в более специфических отраслях: например, гадолиний служит контрастным веществом в медицинской процедуре МРТ-сканирования, эрбий применяют в атомных реакторах и в качестве красителя в ювелирной промышленности, а диспрозий используют в медицинских лазерах, ядерной энергетике и металлургии.
Добыча и основные месторождения редкоземельных металлов
- Где добывают редкоземельные металлы
Если смотреть не на перспективные запасы, а конкретно на то, что, где и сколько тонн сегодня добывается в мире, то картина будет следующая.
Китай. Бесспорный лидер в этом направлении. Страна обладает хорошей ресурсной базой, основу которой составляют месторождения горнодобывающего района Баян-Обо во Внутренней Монголии, и располагает необходимыми технологиями. При этом отрасль по добыче редкоземельных металлов имеет материальную поддержку от государства. Благодаря этому китайские поставщики сырья могут предложить на мировом рынке довольно низкие цены по ряду металлов, и другим странам уже не так выгодно добывать и перерабатывать редкоземельные элементы — проще купить их у Китая. Китай добывает около 270 тысяч тонн редкоземельных металлов в год.
США. Еще одна значимая страна на мировой рынке редкоземельных металлов. Здесь есть ценное месторождение Маунтин-Пасс в Калифорнии и ряд других более мелких, но с хорошим содержанием элементов. США добывают около 45 тысяч тонн в год. Но этого не хватает: страна импортирует около 400 тонн редкоземельных металлов, и почти все они завозятся из Китая. Для дальнейшего развития высокотехнологичных производств стране нужны дополнительные объемы сырья и желательно из других стран для диверсификации поставок: поэтому США интересуются месторождениями в разных регионах мира, в том числе и на территории Украины, Гренландии и африканских стран.
Россия. В нашей стране редкоземельные металлы добываются на Ловозерском месторождении на Кольском полуострове, и это около 2000 тонн в год. Два других перспективных месторождения — Томтор в Якутии и Зашихинское в Иркутской области – пока не разрабатываются.
- Крупнейшие страны-производители
Здесь опять же в лидерах Китай: промышленность этой страны обеспечивает около 70 % мирового производства редкоземельных металлов. С большим отрывом от них идут США, которые производят 11-12 % металлов этой группы.
Другие значимые игроки рынка — Индия, Австралия, Таиланд, Вьетнам, Мьянма, Нигерия, Россия, Мадагаскар, Бразилия, которые в общей сложности обеспечивают менее 20 % мировой добычи. Доля России в этой отрасли — 1-1,5% от мирового производства.
Применение редкоземельных металлов
- Электроника и высокие технологии
Редкоземельные металлы нужны для производства жидкокристаллических экранов смартфонов, оптоволоконной и лазерной техники, а также мощных магнитов, в том числе для двигателей.
- Автомобильная промышленность: электромобили
Редкоземельные металлы используют для изготовления магнитов и аккумуляторов для электромобилей, что имеет большие перспективы в свете перехода на такой вид транспорта в крупных мегаполисах планеты.
- Энергетика: ветряные турбины, аккумуляторы
Редкоземельные металлы незаменимы для производства различных технологий для зеленой энергетики. Это в первую очередь ветряные генераторы, солнечные панели и электромобили.
- Оборонная промышленность
В составе современной военной техники тоже широко представлены редкоземельные металлы. Например, для производства ракетных двигателей нужны жаропрочные сплавы с этими элементами. Высокоточная оптика, лазеры, приборы ночного видения и системы наведения — везде не обойтись без применения уникальных металлов.
Проблемы и перспективы добычи редкоземельных металлов
Редкоземельные металлы в природе — это всегда их соединения с другими химическими элементами, в чистом виде они не встречаются. Довольно часто с редкоземельными металлами соседствуют радиоактивные уран и торий, что усложняет и удорожает добычу: приходится думать, как безопасно отделить радиоактивные элементы. Кроме этого, все месторождения редкоземельных металлов имеют очень низкое содержание полезных компонентов в добываемой руде: 1-3 % уже считается хорошим показателем для начала разработки, гораздо реже до 5-6%, а уж 7-11% — это вообще единичные случаи. По этим причинам часть запасов редкоземельных металлов на планете до сих пор не разрабатывается: нет нужных финансов и технологий, чтобы к ним подступиться. Редкоземельные металлы – это не уголь и не железная руда, для их добычи нужны технологии другого уровня. Поэтому когда мы встречает формулировку «в этой стране сосредоточена четверть мировых запасов» или «миллионы тонн», всегда стоит делать скидку на то, в каком они виде: высоко ли их процентное содержание ценных элементов, удобно ли это добывать, есть ли там радиоактивные компоненты и доступны ли той или иной стране наукоемкие технологии, при помощи которых их можно извлечь в обозримом будущем. С разведкой и подтверждением запасов редкоземельных металлов тоже есть сложности: зачастую перспективные месторождения при детальном изучении становятся не такими рентабельными для добычи, как казались изначально. Иногда в современной прессе термин «перспективные запасы» и вовсе применяют к тем ресурсам, объем которых до конца не установлен. Например, на территории Украины первичная разведка в отношении редкоземельных металлов была сделана еще в советские годы, а современные геологические изыскания не проводились. Такие месторождения — это «кот в мешке», и трактовать их истинную стоимость и перспективы можно как угодно.
Кроме этого, месторождения редкоземельных металлов зачастую целесообразно разрабатывать, когда есть конкретные потребители такого специфического сырья: это не нефть или алюминий, которые можно продать кому угодно. Без покупателя сырья и вообще представления всей дальнейшей производственной цепочки до конечного потребителя нет экономического смысла вкладывать колоссальные финансы в добычу и очистку редкоземельных элементов. Поэтому, желательно рассматривать добычу этих металлов в комплексе, что подразумевает тесное сотрудничество горнопромышленной отрасли и конечных потребителей в виде высокотехнологичных производств, а это в современном мире сделать не так просто.
Значимость редкоземельных металлов для технологий и экономики
Общий объем добычи этих металлов в мире постоянно растет, расширяются сферы их применения, и наличие этих металлов действительно важно для современной высокотехнологичной промышленности. Значимость редкоземельных металлов для технологий и экономики только возрастает: инновации и технически уникальные вещи в современном мире базируются на сложных материалах, в составе которых часто используют редкоземельные элементы. Их наличие — залог высокотехнологичного будущего каждой страны, поэтому в современном мире все чаще поднимают вопрос о доступности этих ресурсов и их цене.
Возможные тренды в добыче и использовании
Согласно сведениям, приведенным в докладе Оксфордского института энергетических исследований, доминирование Китая в производстве редкоземельных металлов сохранится минимум до 2030 года, и многие мировые потребили этих нужных мировых элементов будут зависеть от этой страны. Богатейшая ресурсная база и поддержка со стороны государства обеспечили Китаю мировое господство на долгие годы вперед.
Могут ли другие страны догнать и перегнать Китай или хотя бы снизить зависимость от этого поставщика ресурсов? Если страна обладает нужными месторождениями, то все зависит от того, готова ли она вкладывать колоссальные финансы в технологии для их извлечения. Потому что все полезные ископаемые, которые легкодоступны, уже давно добываются, а то, что сейчас находится на стадии «подтвержденных запасов» — это те сырьевые ресурсы, которые имеют какие-то сложности в извлечении. Например, российское месторождение Томтор на севере Якутии, которое было открыто почти 50 лет назад — очень богатое по своим запасам, с содержанием оксидов редкоземельных металлов до 10 %. Но это очень труднодоступное место в Арктике с суровым климатом, а в месторождении присутствует уран, поэтому сроки начала добычи постоянно сдвигают. Или месторождения металлов в Гренландии, которые тоже все считают очень перспективными, но финансово состоятельных промышленников пока так не нашлось. Поэтому одним из трендов в этой отрасли является развитие наукоемких технологий, которые позволят безопасно и эффективно извлекать сырье. Те страны, которые таких технологий не имеют, и в целом не имеют достаточных запасов для своей высокотехнологичной промышленности, всегда будут вынуждены закупать это сырье, цены на которое будут расти ввиду уникальности продукта. Яркий пример этого — страны Евросоюза, в которых редкоземельные металлы признаны критически важным сырьем. Они зависят от поставок из Китая и тоже, как и США, ищут альтернативные доступные для разработки ресурсы, в том числе и на территории Украины.
Вопрос-ответ:
Что такое редкоземельные металлы и почему они так называются?
Это 17 металлов, в состав которых входят скандий, иттрий и 15 элементов лантаноидов. Латинский вариант этого термина — terrae rarae, что в переводе означает «редкие земли», а землями в начале XIX века называли оксиды.
Какие элементы входят в группу редкоземельных металлов?
Редкоземельные металлы — это скандий, иттрий и 15 элементов из группы лантаноидов: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций.
Где добываются основные запасы редкоземельных металлов?
Основные запасы этих металлов добывают в Китае — 70 % от мировой добычи.
Какие страны являются лидерами по добыче и переработке РЗМ?
Китай — абсолютный лидер по добыче и переработке редкоземельных металлов, на его долю приходится около 70% рынка.
В каких сферах применяются редкоземельные металлы?
Редкоземельные металлы используются в высокотехнологичном оборудовании в энергетике, ракетостроении, автомобилестроении, медицинской и военной технике.
Почему редкоземельные металлы так важны для электроники и энергетики?
Редкоземельные металлы — это важнейшая часть высокотехнологичных материалов и деталей, без которых невозможна работа многих приборов и оборудования в современном мире.
Существуют ли экологические проблемы при добыче и переработке РЗМ?
Как и любая горнодобывающая отрасль, добыча редкоземельных металлов связана с образованием отвалов, терриконов, высокотоксичных опасных отходов. Особую опасность представляет радиоактивный уран, который иногда содержится в комплексных месторождения редкоземельных металлов.
Как мировой рынок редкоземельных металлов влияет на экономику и геополитику?
Редкоземельные металлы — это современная энергетика, военная техника и высокотехнологичные приборы, без которых невозможна жизнь современной цивилизации. Поэтому каждая страна стремится обладать этим стратегически важным ресурсом напрямую или косвенно, вкладывая средства в разработку месторождений в других странах в обмен на добываемое сырье.
Можно ли заменить редкоземельные металлы другими материалами?
На данный момент они незаменимы для зеленой энергетики и многих других сфер промышленности.
Каковы перспективы добычи и использования редкоземельных металлов в будущем?
Добыча этих полезных ископаемых будет только расти, потому что сфера их применения расширяется с каждым годом.
Ольга Фролова
Изображение на обложке: Freepik
