Министерство энергетики США выделяет $32 млн на проведение проектно-конструкторских работ по разработке установок для извлечения редкоземельных и редких элементов из каменного угля и его отходов. США импортирует свыше 80 % необходимых для экономики редкоземельных и редких элементов, тогда как запасы угля в стране колоссальные. Для властей было бы желательно сохранить угледобывающую отрасль и с толком использовать этот ископаемый ресурс.

Источник изображения: Pixabay

Уголь и отходы угольного производства содержат широкий спектр ценных редкоземельных элементов, которые могут быть преобразованы в компоненты для производства продуктов на основе чистых энергетических технологий. В настоящее время в США насчитывается более 250 млрд т запасов угля, более 4 млрд т отходов угольного производства и около 2 млрд т угольной золы на различных площадках по всей стране. Из этого богатства (или мусора, как принято считать сегодня) необходимо научиться извлекать свыше 50 % (по массе) редкоземельных элементов и редких минералов и материалов.

Причём целевая задача состоит в том, чтобы научиться извлекать редкоземельные элементы в чистом виде или в качестве двойных соединений (солей), тогда как извлечение редких минералов является вторичной и не обязательной целью. Чистота полученного концентрата должна составлять не менее 75 весовых процентов, хотя в идеале нужно добиться 98 весовых процентов или выше, с последующей переработкой в чистые или двойные соединения редкоземельных элементов с концентрацией 90 % по массе.

Министерство намерено финансировать два уровня установок: промежуточную и демонстрационную. Промежуточная установка должна вырабатывать от 30 до 100 т смешанных редкоземельных оксидов/солей в год, а демонстрационная — от 1 до 3 т аналогичной продукции в сутки. Проекты будут финансироваться лишь в том случае, если заявители обоснуют экономическую целесообразность использования представленных установок и гарантируют достойные условия труда для рабочих, инклюзивность и экологическую безопасность.

Редкоземельные ресурсы на Земле постепенно становятся всё более ценными. Батареи, магниты, электродвигатели и электроника XXI века немыслимы без компонентов из редкоземельных элементов. Тем ценнее каждое открытое на Земле месторождение таких металлов и оно становится бесценным при находке в развитых странах, где всё давным-давно разведано. Например, как только что обнаруженное в Швеции крупнейшее в Европе месторождение редкоземельных металлов.

Месторождение редкоземельных металлов обозначено синим цветом. Источник изображений: LKAB

О находке сообщила шведская государственная горнодобывающая компания LKAB. В найденных залежах более миллиона тонн оксидов редкоземельных металлов, которые будут бесценны в гонке за углеродной нейтральностью и не только. Сырьё было найдено при исследовании месторождения Пер Гейер (Per Geijer) рядом с рудником Кируна в Лапландии, крупнейшим и самым современным подземным железорудным рудником в мире (что лишний раз подчёркивает важность работы в Арктике для России).

Сегодня в Европе не ведётся добыча редкоземельных металлов, хотя проекты на этот счёт разрабатываются и касаются они в первую очередь добычи солей металлов из минеральных источников. Доминирует в сфере добычи и производства «металлов XXI века» Китай, на долю которого приходится до 61 % предложений на мировом рынке. США находятся на втором месте, но это всего лишь 15 % рынка.

Из всех известных земной науке 17 редкоземельных металлов самым большим на сегодня спросом пользуется неодим. В сплаве с бором и железом неодим становится самым сильным постоянным магнитом, что позволяет выпускать мощные и эффективные электрические двигатели, а это электромобили, электрогенераторы и робототехника, не говоря о перспективных способах записи данных на магнитных носителях.

Но важно помнить также о других назначениях редкоземельных металлов. Каждая автомобильная тяговая батарея использует около одного килограмма редкоземельных металлов, а каждая ветряная турбина — до 600 кг, если верить данным аналитиков Mining Technology. И вполне естественно, что спрос на такие элементы в течение ближайших десятилетий будет расти стремительными темпами. Отдавать всё это в значительной степени Китаю нельзя как из рыночных, так и стратегических соображений.

Находка месторождения редкоземельных металлов в Швеции открывает перед Европой окно возможностей. Компания LKAB намеревается начать разработку месторождения как можно скорее. В то же время в LKAB подчёркивают, что принятый в ЕС процесс получения разрешения на разработку не позволит ей начать поставлять сырьё раньше, чем через 10 или 15 лет, а то и в течение более длительного времени. Вероятно, в этой сфере придётся срочно менять законодательство, что для крайне забюрократизированной Европы будет непросто и болезненно.

Власти Японии утвердили ряд новых проектов, один из которых затрагивает добычу редкоземельных элементов. До 60 % таких ресурсов Япония импортирует из Китая, что угрожает национальной безопасности страны, ведь эти ресурсы используются в передовой электронике и в электрических машинах. Для снижения этой зависимости Япония запускает проект по добыче редкоземельных элементов со дна океана, который надеется осуществить в 2024 году.

Источник изображений: Nikkei

Достаточные для экономически оправданной добычи редкоземельных элементов залежи обнаружены в районе острова Минами-Торисима — это коралловый атолл в Тихом океане примерно в 1900 км к юго-востоку от Токио. Редкоземельные металлы находятся в слое ила на дне, на глубине около 6000 м. Задача поднять ил с такой глубины нетривиальна сама по себе (это не нефть и не газ, которые пойдут под собственным давлением вверх из скважины). Работы в этом районе осложнит как сильное течение Куросио, так и сезонные тайфуны, путь которых традиционно лежит через эти области.

Не так давно японский парламент одобрил выделение 6 млрд иен ($44 млн) на этот проект. Эти деньги будут потрачены на разработку насосов и изготовление труб длиной до 6000 м для использования в добыче. Пробная добыча залежей с глубины 2470 м морского дна в период с августа по сентябрь показала, что мероприятие может увенчаться успехом. Впрочем, детальный план подготовки промышленной добычи с 2024 года ещё предстоит разработать, на что уйдёт значительная часть 2023 года.

Группа учёных из Университета штата Пенсильвания предложила эффективный способ извлечения редкоземельных элементов из электронного мусора. Сегодня это популярное направление для исследований, но химики из Пенсильвании смогли удивить. Для связывания микрочастиц неодима в растворах учёные использовали микрочастицы из переработанных початков кукурузы, кожуры томатов, отходов хлопка и остатков древесины.

Источник изображения: Chemical Engineering Journal

«Такие отходы, как кукурузные початки, древесная масса, хлопок и томатная кожура, часто оказываются на свалках или в компосте, — говорит автор статьи в журнале Chemical Engineering Journal Амир Шейхи (Amir Sheikhi), доцент кафедры химической инженерии. — Мы хотели превратить эти отходы в микро- или наноразмерные частицы, способные извлекать редкоземельные элементы из электронных отходов».

При подготовки эксперимента группа Шейхи измельчила томатную кожуру и кукурузные початки, нарезала древесную массу и хлопковую бумагу на маленькие тонкие кусочки и замочила их в воде. В ходе дальнейшей химической реакции все материалы распались на три различные фракции: микропродукты, наночастицы и солюбилизированные биополимеры. Выяснилось, что добавление микропродуктов или наночастиц в растворы с частицами неодима запускало процесс разделения. Иначе говоря, частицы этого редкоземельного элемента захватывались и могли быть легко отделены от жидкости.

Захват работает благодаря электростатическому взаимодействию отрицательно заряженных микро- и наноматериалов из биологических отходов, которые связываются с положительно заряженными ионами неодима. Учёные уверены, что таким образом можно отделять из растворов другие редкоземельные элементы и драгоценные металлы, например, золото и серебро при переработке печатных плат и других электронных компонентов. Теперь учёные готовятся испытать технологию на промышленном предприятии по переработке отходов.

В Китае реализовали первый в мире проект по созданию поезда на магнитной подушке, которому для парения в воздухе совсем не нужна энергия. Подъёмную силу поезду придают постоянные магниты в подвесе и в монорельсе, что делает решение гораздо более экономичным по сравнению с другими видами транспорта на электрической тяге.

Источник изображения: SCMP

Первым проектом, который довели до реализации, стала 800-м трасса Red Rail в южнокитайском уезде Синьгуо провинции Цзянси. Это монорельсовая трасса с подвесной гондолой на 88 пассажиров. Гондола-поезд движется на высоте 10 м со скоростью до 80 км/ч. При движении маглев на постоянных магнитах потребляет очень мало энергии, утверждают разработчики. Стоимость строительства также очень мала и едва достигает 10% от стоимости строительства метрополитена.

Подобные монорельсы на постоянных магнитах обещают стать передовым общественным транспортом в растущих китайских мегаполисах. В перспективе они могут увеличить скорость передвижения до 120 км/ч и более. Немаловажно, что электромагнитное загрязнение у такого транспорта намного ниже, чем в случае маглевов на сверхпроводящих и обычных электрических магнитах. Для городского окружения с его насыщенной электромагнитными полями средой это очень и очень важно.

В Китае разработка транспортных средств на магнитной подушке с использованием постоянных магнитов ведётся около 20 лет. Для успешной реализации проекта китайским учёным пришлось решить две серьёзные проблемы. Во-первых, проблему деградации постоянных магнитов, а во-вторых, проблему управляемости транспортного средства, скользящего без электричества.

Вопрос с деградацией был снят после разработки магнитов с включением редкоземельных элементов. Добавка в обычные постоянные магниты неодима снижает скорость деградации магнитных свойств до 5 % за сто лет. Китай остаётся лидером по переработке редкоземельных элементов и имеет возможность создавать магниты на сотни и тысячи километров трасс для поездов на пассивной магнитной подвеске (хотя остальной мир должен опасаться такой перспективы — редкоземельные элементы нужны всем и в огромных объёмах).

Источник изображения: SCMP

Проблема с управляемостью также успешно решена, за что надо благодарить современную электронику и материаловедение. Кстати, после некоторого изучения первой линии с практической точки зрения власти региона планируют продлить её до 7,5 км.

«Максимальная скорость большинства внутренних подземных линий обычно ограничена 80 км/ч, но поезд на постоянных магнитах, приводимый в движение исключительно искусственным интеллектом, может развивать скорость на 50 % больше. Это означает, что даже в оживленном центре города поезд сможет поддерживать скорость и обеспечивать пассажирам широкое поле зрения на городские пейзажи, избегая пробок», — заявил один из разработчиков проекта.

Наличие в США источников редкоземельных элементов не противоречит тому, что в стране отсутствуют заводы по отделению и очистке этого сырья. Это очень грязное производство, которое поручили другим странам, например, Китаю. И если подобное разделение труда оправдано экологически и экономически, то стратегически США оказались в сложном положении. Редкоземельное сырьё критически важно для оборонного сектора, а внутреннего источника нет. Поэтому США ищут варианты.

Источник изображения: DARPA

Решить проблему экологической чистоты и получения редкоземельных элементов на территории США поручено, в том числе, учёным из Национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL). Лаборатория заключила контракт с Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) на проведение первой фазы исследований по выявлению и искусственному выращиванию биологических микроорганизмов, которые могли бы естественным путём отделять и очищать редкоземельные элементы из малообогащённых руд и отвалов.

Контракт заключён в рамках исполнения программы DARPA EMBER (Environmental Microbes as a BioEngineering Resource). Стоимость контракта на выполнение первой фазы составляет $4 млн. Если учёными будут решены поставленные задачи, контракт будет продлён на последующие фазы с оплатой работ на сумму $9 млн.

«Команда будет использовать достижения в области микробной и биомолекулярной инженерии для разработки масштабируемой стратегии разделения и очистки редкоземельных элементов (РЗЭ) на основе биоматериалов с использованием недостаточно развитых отечественных источников. РЗЭ — это набор из 17 элементов периодической таблицы, включающий 15 лантаноидов, а также скандий и иттрий», — сказано в пресс-релизе LLNL.

Учёные намерены как испытать ранее идентифицированные микробы и белки, которые уже были протестированы и использованы для очистки и разделения редкоземельных элементов, так и проведут поиск новых микроорганизмов. В конечном итоге учёные надеются представить коммерчески зрелые платформенные биотехнологии для разделения и очистки редкоземельных элементов в промышленном масштабе.