Редкоземельные металлы: что это и почему они вдруг стали всем нужны

В последние несколько недель из каждого утюга мы слышим словосочетание "редкоземельные металлы" (rare-earth elements). Контекст применения этой фразы практически всегда находится в политической плоскости, тогда как экономическая и технологическая составляющая по абсолютно непонятным мне причинам остаются за бортом.

При этом в настоящее время редкоземельные металлы, они же редкоземельные химические элементы или лантаноиды, находят самое широкое применение в различных технологиях в области электронных устройств, производства инновационных материалов, промышленной химии и других. За последние 30 лет в мире произошел взрывообразный рост спроса на редкоземельные металлы и сегодня нет‏ такой‏ отрасли, где они бы‏ не использовались‏: от атомной‏ и авиационной‏ промышленности до производства‏ стекла.

Немного истории

В 1787 году тридцатилетний лейтенант шведской армии Карл Аррениус (Carl Axel Arrhenius) принял решение провести летний отпуск в небольшом поселении Иттербю (Ytterby), расположенном на одном из многочисленных островов вблизи столицы Швеции - Стокгольма. Этот выбор был обусловлен его глубоким увлечением минералогией: Аррениусу было известно, что в окрестностях Иттербю располагался старый, давно заброшенный карьер, который привлекал его как потенциальное место для пополнения личной коллекции минералов.

На протяжении нескольких дней молодой офицер скрупулезно исследовал различные участки карьера, однако долгое время его усилия оставались безрезультатными. Однако удача все же улыбнулась ему: он обнаружил черный, плотный камень, внешне напоминающий каменный уголь. Эта находка представляла значительный интерес, и Аррениус был чрезвычайно обрадован. В тот момент он вряд ли мог предположить, что этот, казалось бы, непримечательный минерал станет важной вехой в истории неорганической химии и увековечит имя своего первооткрывателя.

По окончании отпуска Аррениус вернулся к своим обязанностям, но перед этим составил подробное описание найденного минерала. Не долго думая, он назвал его "иттербит" - в честь места, где была сделана находка. После этого он продолжил службу в армии, изредка уделяя время минералогическим изысканиям, однако его главное открытие уже осталось в прошлом.

Спустя семь лет, в 1794 году, финский химик и профессор Юхан Гадолин (Johan Gadolin) провел анализ иттербита и выявил в его составе несколько металлов, включая соединения кремния, железа и магния. Кроме того, он обнаружил неизвестную примесь, которую назвал "иттриевой землей". В те времена термин "земля" использовался для обозначения тугоплавких и плотных оксидов металлов. Именно благодаря этому в химической науке позднее возникли понятия "редкоземельных" и "щелочноземельных" металлов.

Иттриевая земля вызвала значительный интерес среди ученых. Например, немецкий химик Мартин Клапрот (Martin Heinrich Klaproth) разделил образцы на две части: одну он оставил под названием "иттербит", а вторую назвал "цериевой землей", обнаружив таким образом новый элемент - церий. Немного позже шведский исследователь Карл Мосандер (Carl Gustaf Mosander) смог выделить из того же образца еще несколько ранее неизвестных элементов, что стало важным шагом в развитии химии.

К 1907 году благодаря совместным усилиям ученых-химиков было идентифицировано 16 редкоземельных металлов. Однако подтверждение существования последнего элемента этой группы - прометия - произошло только в 1947 году, то есть спустя 160 лет после начала исследований данной категории элементов. Этот факт ярко демонстрирует, насколько сложным и ресурсоемким является процесс выделения редкоземельных металлов.

Сегодня в состав группы из 17 редкоземельных элементов входят следующие металлы: скандий, иттрий, лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций. Все они характеризуются серебристо-серым оттенком и обладают схожими химическими свойствами. Например, при контакте с кислородом они быстро покрываются оксидной пленкой, образуют тугоплавкие оксиды, которые не растворяются в воде, и проявляют высокую реакционную способность, особенно при воздействии повышенных температур.

Название "редкоземельные металлы" может ввести в заблуждение, поскольку оно связано не с их редкостью в природе, а с особенностями их распространения. Эти элементы достаточно широко представлены в земной коре, однако их концентрация в месторождениях крайне низка. Чаще всего они встречаются в рассеянном состоянии, то есть в виде примесей в составе различных минералов, где они смешаны с другими элементами. Именно эта особенность делает процесс их выделения и очистки чрезвычайно сложным и трудоемким.

Применение

Редкоземельные металлы играют ключевую роль в производстве множества современных электронных устройств. Их часто называют "витаминами промышленности", поскольку даже минимальные добавки этих элементов в сплавы или соединения значительно улучшают их физико-химические характеристики. Однако их использование сопряжено с серьезными трудностями: добыча и обогащение редкоземельных металлов представляют собой сложный и затратный процесс. Как уже отмечалось, эти элементы крайне редко встречаются в чистом виде, а основная их масса содержится в рудах. Кроме того, они обладают высокой реакционной способностью, особенно по отношению к кислороду, с которым мгновенно образуют плотные, тугоплавкие оксиды. Это делает их выделение и очистку от примесей чрезвычайно трудоемкими.

Помимо традиционных методов добычи из руд, существуют и инновационные подходы к получению редкоземельных металлов. Одним из таких способов является их извлечение из отходов производства фосфорных удобрений. Эти отходы, представляющие собой гипс, содержат оксиды таких элементов, как неодим, церий, диспрозий, тербий, лантан и празеодим. С помощью методов сепарации и химической обработки можно выделить эти ценные компоненты, что открывает новые возможности для их использования.

Однако здесь возникает еще одна проблема: даже незначительное количество редкоземельных металлов, необходимое для производства, существенно увеличивает стоимость конечной продукции. При этом в самом продукте эти элементы могут отсутствовать. Например, в нефтеперерабатывающей промышленности катализаторы на основе церия и лантана используются для преобразования нефти в бензин, но сами металлы в составе топлива не сохраняются.

С другой стороны, применение редкоземельных металлов свидетельствует о высоком уровне технологического развития производства. Ученые полагают, что эти элементы станут незаменимыми в процессе перехода к более совершенным технологиям, включая био- и нанотехнологии, атомную и космическую промышленность, а также "зеленую энергетику". Именно по этой причине редкоземельные металлы считаются стратегически важными ресурсами, а их наличие в стране является критически важным для обеспечения национальной безопасности и технологической независимости.

Неодим занимает важное место в производстве оборудования для ветровой энергетики. Для конструирования одной ветряной турбины, способной генерировать до одного мегаватта электроэнергии, требуется приблизительно 200 килограммов этого элемента. Следовательно, для пяти таких установок потребуется уже одна тонна неодима. В свете глобальной тенденции перехода к возобновляемым источникам энергии, спрос на редкоземельные металлы, включая неодим, будет только увеличиваться. Помимо этого, неодим используется для создания сверхмощных магнитов, которые превосходят обычные по своим характеристикам в десять раз. Эти магниты, известные как неодимовые, являются неотъемлемой частью электродвигателей, используемых в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), что делает данный металл незаменимым для развития этой технологии.

Европий отвечает за создание красного цвета в современных дисплеях. Каждый пиксель экрана телевизора, ноутбука или смартфона содержит микроскопическое количество этого элемента, который можно сравнить с "красным светлячком", обеспечивающим яркость и насыщенность изображения.

Гадолиний, в свою очередь, широко применяется в медицинской диагностике, особенно в магнитно-резонансной томографии (МРТ). Этот элемент используется в качестве контрастного вещества, которое помогает визуализировать опухоли и другие патологические изменения в организме человека, что значительно повышает точность диагностики.

Редкоземельные элементы также играют важную роль в производстве современных электронных устройств, таких как компьютеры, планшеты и смартфоны. Без их использования невозможно создание аккумуляторных батарей для продукции Tesla и Apple, а также производство постоянных магнитов и сверхпроводников, работающих при высоких температурах. В металлургии добавки редкоземельных элементов, таких как лантан, празеодим и церий, применяются для улучшения свойств металлических сплавов, что продлевает срок службы конструкций в автомобильной и оборонной промышленности. Кроме того, редкоземельные элементы используются в производстве ракетных двигателей, а также в создании стекол, устойчивых к воздействию кислот и высоких температур.

Редкоземы в России и мире

До начала 1990-х годов Соединенные Штаты Америки являлись ведущим производителем редкоземельных металлов, основным источником которых было месторождение Маунтин-Пасс в Калифорнии. Однако в этот же период Китай начал активную модернизацию своей горнодобывающей отрасли, получившую значительную государственную поддержку. Одним из приоритетных направлений этой модернизации стала добыча редкоземельных элементов. Важным событием стало открытие одного из крупнейших в мире месторождений редкоземельных металлов в районе Байн-Обо. К концу XX века Китай практически монополизировал глобальный рынок, обеспечивая до 95% мирового производства этих ценных ресурсов.

В настоящее время доля Китая на рынке редкоземельных металлов несколько снизилась, однако страна продолжает оставаться крупнейшим производителем, контролируя около 60% мирового объема добычи. Кроме того, Китай играет ключевую роль в глобальной цепочке поставок. Крупнейшие экономики мира, включая США, Австралию и страны Европейского Союза, находятся в значительной зависимости от китайского экспорта. Даже гипотетическое прекращение поставок может привести к резкому росту цен на редкоземельные металлы и серьезным сбоям в промышленных планах крупных корпораций.

В 2011 году японские исследователи обнаружили значительные залежи редкоземельных руд на дне Тихого океана. Анализ образцов грунта, взятых с глубины от 3,5 до 6 километров в 80 различных точках, показал, что эти залежи могут содержать от 80 до 100 миллиардов тонн редкоземельных материалов. Хотя добыча полезных ископаемых с океанского дна сопряжена с техническими сложностями, это открытие подтверждает, что запасы редкоземельных металлов на Земле практически неисчерпаемы. Рано или поздно развитие технологий сделает возможной их добычу даже в таких сложных условиях.

Согласно экспертным оценкам, за последние четыре десятилетия объем производства редкоземельных металлов увеличился более чем в 11 раз. Это связано с бурным развитием технологий: если в 1980 году мировая добыча составляла около 25 тысяч тонн, то к 2021 году этот показатель достиг 280 тысяч тонн.

Согласно данным исследования, проведенного компанией Verified Market Research (VMR), к 2030 году объем мирового рынка редкоземельных металлов может увеличиться более чем в два раза, достигнув отметки в 10,78 миллиардов долларов США. Аналитики Research and Markets также прогнозируют устойчивый рост рынка: с 7,62 миллиардов долларов в 2024 году до 9,38 миллиардов долларов к 2028 году.

По данным Роснедр, запасы редкоземельных металлов на территории Российской Федерации на 2024 год оцениваются в 28,7 миллионов тонн, сосредоточенных на 18 разведанных месторождениях. Это составляет около 20% от общемировых запасов. Однако, несмотря на значительные ресурсы, доля России в мировой добыче редкоземельных металлов не превышает 1%, а переработка таких металлов внутри страны практически отсутствует. Основными причинами такой ситуации являются высокие капитальные затраты, необходимые уже на начальных этапах реализации проектов, отсутствие промышленно апробированных технологий переработки сырья, а также значительная удаленность месторождений от объектов инфраструктуры.

Большинство крупных проектов, связанных с добычей редкоземельных металлов, в настоящее время находятся в замороженном состоянии. Среди них выделяется Томторское месторождение в Якутии, где сосредоточены значительные запасы ниобия и редкоземельных металлов. Предварительные оценки указывают на наличие 11,4 миллионов тонн руды, содержащей 0,7 миллионов тонн оксида ниобия и 1,7 миллионов тонн редкоземельных оксидов. Еще одним перспективным объектом является Ак-Сугский участок недр в Туве, балансовые запасы которого оцениваются в 78 тысяч тонн молибдена и 83,3 тонны рения.