Новая нефть. Как ученые ищут редкие элементы на дне океана, в космосе и мусоре

Но человечество не может создавать все эти химические элементы, которые образовались вместе с Землей миллиарды лет назад. Для того, чтобы пополнить запасы и идти в ногу с растущим модернизирующимся миром, необходимо добывать больше.

Исследователи расширяют поиски новых источников сырья, ради которых не нужно было бы строить шахты посреди густонаселенных районов. Ученые ищут природные руды в местах, которые когда-то считались слишком сложными для добычи, пока спрос не оправдал затраты и утомительные путешествия. Например, Арктика, глубокие моря и даже близкие к Земле астероиды.

Также после столетия тяжелой промышленности у человечества накопилось множество продуктов жизнедеятельности, которые можно перерабатывать в нечто полезное. Речь идет о сточных водах, выброшенной бытовой техника и даже загрязнении атмосферы. Технологии, которые ученые разрабатывают для очистки этих отходов, могут буквально превращать мусор в сокровище.

Важно

Химия созидания. Как природа заполняла таблицу Менделеева со времен Большого взрыва

"Если вы собираетесь избавиться от этого, то почему бы его не восстановить?", – говорит инженер-химик из Стэнфордского университета Уильям Тарпех.

Сырьевые материалы

Арктика

Великий Белый Север является уже знакомым местом для добычи полезных ископаемых. Промышленность была оплотом арктических стран на протяжении веков. Финский железный рудник Ojamo начал свою работу в 1530 году, а медная шахта Фалун в Швеции работала еще в эпоху викингов. До сих пор в российской тундре добывается около 40% мирового количества палладия, необходимого для каталитических нейтрализаторов и топливных элементов.

Но экстремальные температуры Арктики и неумолимый ландшафт все еще не позволяют эксплуатироваться огромные участки. Правда, все может скоро измениться.

"Разведка на севере еще не завершена. Мы просто царапаем поверхность с точки зрения того, что сейчас там происходит", – говорит директор по экологическим инновациям в федеральном агентстве Natural Resources Canada Дженис Зинк.

Возобновление интереса к Арктике вызвано изменением спроса. Такие базовые металлы, как железо и медь, которые используются для инфраструктуры, остаются приоритетными, но сейчас усиливается развитие так называемых технологических металлов, таких как диспрозий и тербий – редкоземельных элементов, которые укрепляют магниты и дают цвет экранам.

С 2012 по 2016 годы арктические страны объединили свои усилия в рамках совместного проекта по сбору данных о богатствах региона. Они обнаружили несколько крупных месторождений, в том числе один из крупнейших в мире участков с редкоземельными элементами на месторождении Кванефьельд в Гренландии.

Кроме этого, по мере прогревания Северного полярного круга, открываются новые районы, такие как Гренландия и дно Северного Ледовитого океана. Но изменение климата также увеличивает и проблемы, предупреждает Зинк. Таяние вечной мерзлоты делает нестабильными шахты, а таяние важных ледяных путей через замерзшие реки или озера ограничивает передвижение.

Зинк отмечает, что преемственность – ключевой фактор для будущих арктических шахт. Например, горнодобывающие компании, работающие в Норвегии, с 2010 года обязаны восстанавливать участки в конце срока эксплуатации шахты.

"Восстановление после добычи должно быть обязательным", – говорит бывший директор Геологической службы Норвегии Мортен Смелрор.

Глубокое море

Писатель Жюль Верн предсказал существование ценных минералов на морском дне за несколько лет до их открытия. В книге "20 тысяч лье под водов" капитан Немо, командовавший субмариной "Наутилус", сказал: "На дне моря существуют залежи цинка, железа, серебра и золота, добыча которых наверняка будет осуществима".

Три года спустя, в 1873 году английский исследовательский корабль HMS Challenger достал со дна Тихого океана странные черные камни размером с картофель. Это были так называемые полиметаллические конкреции, богатые марганцем, железом, никелем и кобальтом, а также другими металлами.

В течение следующих 150 лет ученые обнаружили еще два типа богатых металлами ресурсов, которые прятались под водой. Речь идет о массивных отложениях сульфидов на морском дне, часто обнаруживаемых на границах тектонических плит, они содержат медь, золото и серебро. Также были найдены кобальтоносные корки, которые образуются на подводных вулканах, разбросанных по всему миру.

С уменьшением запасов высококачественных материалов компании начали планировать использование этих богатых элементами месторождений. В качестве бонуса, добыча на морском днем сталкивается с меньшим количеством проблем, связанных с наземной добычей. С одной стороны, морское дно не является чьим-то задним двором. С другой, океаны покрывают более 70% планеты, потенциально храня достаточно элементов, чтобы удовлетворить потребности человечества в обозримом будущем.

Глубоководно-добывающая промышленность. Полиметаллические конкреции, покоящиеся на большой глубине, часто содержат никель, кобальт и медь. Компания Nautilus Minerals намерена использовать свою технику, чтобы разрезать, изымать и собирать материалы для поиска ресурсов на морском дне / Emma Critchley/Nautilus Minerals

И самое важное заключается в том, что нации имеют права на подводные недра в пределах 200 морских миль от своей береговой линии, но сокровища с морского дна в международных водах никому не принадлежат.

Пока не ведутся работы по глубоководной добыче, но компании и страны стремятся изменить ситуацию. Австралийская компания Nautilus Minerals начать добычу массивных сульфидных залежей на морском дней у побережья Папуа-Новой Гвинеи. Компания Diamond Fields Resources стремится вести такую же разработку у побережья Саудовской Аравии в Красном море.

По международным водам еще решение не принято. Международный орган по морскому дну должен установить глобальные законы о глубоководной добыче в этом году, после завершения оценки потенциального воздействия на окружающую среду.

"Я довольно оптимистичен по поводу этого процесса, каким бы он медленным и бюрократическим ни был", – говорит биолог Адриан Гловер из Музея естественной истории в Лондоне, который участвует в работе Международного органа по морскому дну.

Астероиды

Перед полетом астронавтов NASA на Луну наши знания о космических камнях ограничивались метеоритами, падавшими на Землю. Теперь человечество не только изучило лунные камни, но и начало собирать образцы с астероидов и комет. По словам Митча Хантера-Скуллиона, основателя британской компании Asteroid Mining Company, из примерно 20 тыс. известных астероидов, располагающихся ближе Марса, более 700 являются металлическими.

Стоимость добычи на астероидах будет слишком дорогой, но всего один металл мог бы покрыть затраты.

"Экономические обоснование обусловлено ценой платины", – говорит инженер-механик Аманда Хьюз из Ливерпульского университета.

В местах разработки на Земле добывают руду, содержащую пять частей платины на миллион руды. Но астероид шириной около километра может принести как минимум 10 частей платины на миллион руды. По словам Хантера-Скуллиона, рядом с Землей находится 50 таких астероидов. Некоторые из обнаруженных метеоритов содержали более 120 частей платины на миллион.

Манна железная. Астероиды могут быть источником большого количества ценных металлов, но сперва нам нужно захватить их, как изображено на этой картинке, нарисованной художником NASA / NASA

Эксперт создает базу данных о других потенциальных ресурсах, которые могут быть найдены на астероидах, включая железо и никель, а также органический углерод и фосфор. Он также надеется найти воду, которая позволила бы человечеству быстрее освоить космос.

Добыча астероидов может происходить двумя способами. Во-первых, путем доставки астероидов на Землю и с последующим извлечением полезных ископаемых на нашей планете. Во-вторых, астероиды могут дробить прямиком в космосе, и доставлять на Землю лишь концентраты, богатые элементами.

Правда, ученым все еще необходимо выяснить, как разбивать и собирать камни в условиях невесомости. Исследователи уже предпринимают первые шаги на этом пути, разыскивая астероиды с платиной.

Восстанавливаемые материалы

Жидкие отходы

Ядовитое цветение водорослей, кислотные ручьи и испорченные металлом почвы имеют одну общую черту: эти экологические бедствия являются результатом сброса сточных вод, богатых минералами и металлами.

Сточные воды традиционно занимают промежуточное положение. Они содержат слишком мало элементов для эксплуатации в качестве ресурса, но слишком много, чтобы быть полезными для окружающей среды. Сейчас ситуация меняется благодаря растущим экологическим проблемами и увеличивающейся стоимости материалов.

Дорогой отстой. Исследователи в Австралии изучают использование бактерий для того, чтобы добывать полезные ископаемые из старых хранилищ сточных вод / фото: Доминик Браун

Целевые элементы также разнообразны, как и возможные источники. Человеческие и животноводческие сточные воды являются хорошим источником азота и фосфора, необходимых для производства удобрений. Усилия по опреснению воды, превращающие соленую воду в питьевую, производят концентрированные рассолы, полные полезных металлов, которые выбрасываются обратно в океаны. Также ежегодные 14 млрд тонн отвалов горно-обогатительных фабрик содержат большое количество элементов, включая редкоземельные металлы.

Преимущество добычи в таких отходах заключается в том, что элементы не нужно извлекать из камня. Вместо этого, проблема заключается в тщательно химическом отделении желаемого от нежелательного на молекулярном уровне. Для этого ученые разработали так называемые улавливающие агенты, молекулы и материалы, которые связываются только с желаемыми веществами. Например, были созданы бактерии для выделения белков, которые связываются лишь с определенными элементами.

Такой подход в вопросе очистки сточных вод используется во всем мире. Водоочистные сооружения в Северной Америке и Европе создали системы улавливания фосфора, чтобы предотвращать вредное цветение водорослей. При этом некоторые продают утилизированные вещества в качестве удобрения.

В 2018 году исследователи в Австралии разработали материал, который мог бы извлекать литий из рассолов опреснения и сточных вод. А геоэколог Анита Парбакар-Фокс из Университета Квинсленда работает над бактериями, которые помогут извлекать из шлаковых водоемов кобальт, спрос на который растет все больше.

Твердые отходы

Городская добыча полезных ископаемых звучит впечатляюще, но на самом деле это просто приукрашенный термин для переработки. Идея существует уже тысячелетия, говорит промышленный эколог Питер Афиуни, исполнительный вице-президент Urban Mining Co. в Остине, штат Техас. Потрепанное и разбитое оружие железного века расплавлялось и перековывалось, средневековая Британия строила церкви из камней римских руин. Сегодня же в больших объемах перерабатываются такие металлы, как олово и алюминий.

Городская руда. Каждый год человечество выбрасывает 50 млн тонн электроники. Спрятанное в таких отходах сырье оценивается ООН в $62,5 млрд / фото Umicore

Здравый смысл заключается в том, чтобы собирать редкие элементы, нужные для создания продуктов завтрашнего дня, в грудах хлама. Особенно важно, что эти "руды" уже находятся в городах, а не под толщей земли в труднодоступных местах.

Проблема заключается в том, что человечество склонно разбрасывать мусор гле попало и перемешивать его. Поэтому для переработки всей электроники ее необходимо собирать в одном месте.

"У нас есть "месторождение", которое простирается на тысячи и десятки тысяч домохозяйств", – говорит инженер-технолог Кристиан Хагелюкен из компании Umicore.

Второй проблемой является демонтаж современных невероятно сложных продуктов. Большинство потребительских товаров никогда не разрабатывалось так, чтобы их можно было легко разобрать и утилизировать.

С этой целью компании разработали различные методы, позволяющие повторно использовать ценные части старых технологий. Например, Urban Mining Co. специализируется на извлечении неодим-железо-борных магнитов из жестких дисков, ветряных турбин и многого другого. Материал превращается в порошок, а после из него создаются новые магниты. Печи компании Umicore могут плавить и отделять любой из 17 элементов, содержащихся в старых каталитических нейтрализаторах и печатных платах.

Такой подход будет работать лишь в том случае, если исходные продукты будут иметь короткий срок службы. Но если жизненный цикл технологий велик, что является целью для экологически безопасного будущего, то такая добыча будет станет более дефицитной.

Газообразные отходы

Добыча ресурсов из воздуха может показаться фантастической, но человечество занимается этим с 1913 года. Процесс Габера превращает атмосферный азот в аммиак, который используется для удобрений и взрывчатых веществ.

Сегодня же ученые хотят возвращать другой элемент, который человечество выбрасывало в атмосферу более столетия – углерод.

Люди превращают углерод, похороненный в ископаемом топливе, в углекислый газ с катастрофической скоростью и последствиями. В докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата 2018 года в США говорилось, что технология улавливания углерода необходима, если человечество хочет предотвратить наихудшие последствия изменения климата.

Убрать за собой. Компания Carbon Engineering открыл в Британской Колумбии (Канада) первый воздухоочистной завод, который улавливает около 1 тонны углекислого газа в сутки. Теперь они хотят открыть производство, изображенное на этой картинке, способное утилизировать 6 млн тонн углекислого газа в сутки / фото: Carbon Engineering

Но такой процесс достаточно сложен. Одна из самых больших проблем заключается в том, что хотя уровень углекислого газа высок, газ все еще составляет всего 0,04% атмосферы Земли. Для эффективного извлечения такого крошечного количества углерода из воздуха стартап-компания Carbon Engineering из Канады создала специальное устройство. Оно заставляет воздух вступать в контакт с щелочным раствором, который поглощает углекислый газ.

Внутри устройства щелочной раствор стекает вниз по рифленой поверхности. Так создается обширная площадь контакта раствора с воздухом, когда он проходит через устройство.

На данный момент пилотная версия устройства Carbon Engineering улавливает около тонны углекислого газа в день. Компания планирует создать полномасштабную версию установки, которая сможет поглощать миллион метрических тонн CO2 в год.

Но в отличие от углерода в ископаемом топливе, сжигание которого дает нам энергию, оксид углерода довольно инертное вещество. Поэтому, чтобы использовать повторно добытый из воздуха углерод, ему нужна энергия (например, в виде новых атомов водорода). Исландская компания Carbon Recycling International и другие компании добились огромных успехов в этой области, превратив выбросы CO2 от электростанций в топливо, такое как жидкий метанол.

Стратегия Carbon Engineering заключается в том, чтобы объединить давно опробованные химические процессы, чтобы сначала восстановить диоксид углерода до оксида углерода (угарный газ), а затем преобразовать его в легкую сырую синтетическую нефть.

В конце концов, человечество сможет извлекать топливо буквально из воздуха.

Интересные факты

• Полярный круг определяется как регион, где летом солнце не садится. Но из-за изменения наклона оси вращения Земли, линия полярного круга смещается каждый год на 15 метров на север. Для удобства, большинство геологов считает, что Арктика расположена к северу от 60° северной широты.
• Добыча полезных ископаемых возле Южного полюса была запрещена с 1998 года в рамках Антарктического договора, ратифицированного 28 странами. Договор будет пересмотрен в 2048 году.
• Хотя морская вода достаточно разбавленная, она содержит большое количество металла. Начиная с 1970-х годов японские ученые пытались добывать уран из морской воды с помощью специальных губок с высокой абсорбционной способностью, но они оказались недостаточно эффективными, чтобы выйти на рынок.
• Многие металлы можно добыть только в качестве побочного продукта при добыче и очистке других полезных ископаемых. К таким металлам относятся кобальт, индий, теллур и диспрозий.
• Один из наиболее известных примеров извлечения ресурсов из воздуха — это процесс Хабера-Боша по превращению азота в аммиак. Именно эта технология позволила создавать искусственные удобрения и успешно выращивать большое количество сельскохозяйственных культур, необходимых 7,5 млрд людей. С другой стороны, этот процесс несет ответственность за 1,4% выбросов углекислого газа.