Последние полвека прорыв в освоении космоса кажется делом ближайшего времени. На заре космической эры рывки происходили раз в несколько лет: первый искусственный спутник, первое животное на орбите, первый человек в космосе, высадка на Луну. Но чем дальше, тем сложнее оказывалось делать следующие шаги.
Разговоры о пилотируемых миссиях на Марс идут в разных странах, но до сих пор остаются только планами. Добыча полезных ископаемых на астероидах вряд ли окажется экономически целесообразной раньше 2050 года. А о покорении далеких планет, похоже, перестали даже мечтать.
Разумеется, высокая стоимость космических программ — важный момент, тормозящий прогресс в этой сфере. Но есть и еще один фактор, о котором говорят намного реже: недостаточные объемы добычи редких металлов, критически важных для конструирования космических аппаратов. Разбираемся, от каких пяти элементов настолько сильно зависит космическая гонка, что их дефицит приводит к стагнации в освоении орбитального пространства.
Редкие и ценные: «бутылочное горлышко» индустрии
Эксперты, к которым обратились «РБК Тренды», назвали пять химических элементов, запасы которых напрямую отражают способность стран и человечества в целом осваивать космос. Это теллур, тантал, рутений, иридий и ниобий, перечислили в Российском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе (МГРИ) и Институте металлургии и материаловедения им. Байкова.
«Без их добычи развитие современных космических программ столкнется с серьезными ограничениями. Эти металлы критически важны, так как космические технологии требуют материалов с экстремальными свойствами. Например, с высокой температурой плавления, чтобы выдерживать нагрев при входе в атмосферу, устойчивостью к радиации, а также прочностью и легкостью, ведь каждый лишний грамм, доставленный на орбиту, стоит огромных денег. Важно и свойство электропроводности и термостойкости для стабильной работы электроники и двигателей космических кораблей», — рассказал «РБК Трендам» заведующий базовой кафедрой методики изучения рудных месторождений МГРИ, кандидат геолого-минералогических наук Степан Устинов.
Свойства каждого из пяти металлов делают их исключительно ценными для ракетостроения и организации полетов в космос. Так, теллур исследователи считают ключом к космической энергетике. Материал используют в тонкопленочных фотоэлементах солнечных панелей. Как пояснили в МГРИ, такие фотоэлементы легче и надежнее кремниевых, что критично для спутников и гипотетических внеземных станций, которые человечество планирует в будущем построить на Луне и Марсе.
Кроме того, теллур в составе сплавов преобразует тепло в электричество, что необходимо в термоэлектрических генераторах, которыми, например, оснащены зонды «Вояджер». «При дефиците теллура его можно заменить кремнием, но он гораздо хуже работает в условиях высоких температур и радиации», — подчеркнул Степан Устинов.
Тантал применяют при создании конденсаторов, которые используют в бортовой электронике спутников и ракет. Металл также входит в состав жаропрочных сплавов, используемых при изготовлении сопел ракетных двигателей. Показательный пример — жидкостный ракетный двигатель Merlin от компании Илона Маска SpaceX.
Рутений нужен там, где необходимо создать защиту от радиации. Кроме того, он используется для изготовления сверхточных датчиков, его добавляют в сплавы для экранирования космических аппаратов. «Рутений применяется при изготовлении электродов топливных элементов, что может быть использовано в предполагаемых марсианских миссиях для получения кислорода из диоксида углерода. Помимо прочего, он позволяет создавать сверхтвердые покрытия для деталей, работающих в агрессивной среде, например в ионных двигателях», — отметил Степан Устинов.
Иридий, по словам ученого, является самым «стойким» металлом во Вселенной. Как и тантал, иридий входит в сплавы, которые используют для изготовления сопел ракетных двигателей, ведь металл выдерживает температуры свыше 2000 °C. Кроме того, на основе иридия делают покрытия для спутников, работающих в верхних слоях атмосферы, чтобы защищать их от коррозии.
Ниобий включают в сверхпроводники и легкие сплавы. В частности, ниобий-титановые сплавы используют в сверхпроводящих магнитах: ускорителях частиц и планируемых термоядерных двигателях. Металл также входит в состав жаропрочных конструкций ракет и фильтров СВЧ-диапазона для спутниковой связи.
Ценность перечисленных пяти металлов для космической отрасли заключается не только в том, что у них широкая сфера применения. Теллур, тантал, рутений, иридий и ниобий важны еще и потому, что им сложно, а иногда невозможно найти достойную замену. «Альтернативы либо хуже по свойствам, либо значительно дороже. Поэтому без обозначенных металлов следующий виток развития космических программ скорее невозможен», — уверен Степан Устинов.
Значимость редких металлов в космической сфере подтвердил «РБК Трендам» и Евгений Кузнецов, партнер научно-технологической гильдии «Рубежи науки», основатель фонда Digital Evolution Ventures: «Без этих пяти металлов снижается ресурс космических двигателей, падает КПД питания и радиационная стойкость, поэтому они критичны для следующего витка лунно-марсианских программ».
Какие отрасли конкурируют с космосом в спросе на металлы
Дополнительная сложность заключается в том, что спрос на пять перечисленных металлов разгоняют и другие отрасли, которые также заинтересованы в особых свойствах этих элементов. Например, теллур важен в производстве холодильников, инфракрасных детекторов и лазеров, а также в металлургии в качестве добавки в сталь и медь для улучшения их свойств. Ниобий часто необходим в производстве сверхпроводников для аппаратов МРТ и ускорителей частиц.
Тантал применяется в электронике, а именно в конденсаторах в смартфонах и ноутбуках. Вместе с рутением и иридием он используется в медицине. Из тантала изготавливают зубные имплантаты, которые редко отторгаются организмом. Рутений выступает одним из составных элементов препаратов от рака, а иридий используют в создании кардиостимуляторов. Все это вместе стимулирует востребованность и цены редких металлов.
«Космическая индустрия лишь один из потребителей, хотя и крайне важный, — указал Устинов. — Если бы на эти металлы не было спроса со стороны космических программ, их добыча сократилась бы, но не прекратилась, а переориентировалась на другие секторы. При этом в космических технологиях часто нет адекватной замены этим металлам. В других отраслях можно найти альтернативы, пусть и менее эффективные. Например, в смартфоне можно заменить танталовый конденсатор на керамический, хотя он будет больше по размерам и менее надежен, а в спутнике такая замена недопустима, ведь аппарат должен работать десятилетиями без возможности ремонта».
История вопроса: где и как открыли редкие металлы
Хотя такие названия, как теллур и иридий, встречаются значительно реже, чем привычные медь и сталь, редкие металлы известны человечеству уже несколько веков. Например, теллур как химический элемент открыли в 1782 году, а в чистом виде выделили в 1798-м. «В начале XX века он использовался в качестве добавки в сталь и резину. Его промышленная добыча, в основном как побочного продукта при переработке медных и свинцово-цинковых руд, началась с 1920-х», — уточнили в МГРИ.
Тантал открыли чуть позже, в 1802 году, а к началу XX века стали применять при изготовлении нитей накаливания в лампах. Годом ранее открыли ниобий, а годом позже — иридий. Оба металла начали активно добывать в 1950-х годах, одновременно с интенсивным развитием аэрокосмической отрасли.
Рутений впервые выделили из уральской платиновой руды в 1844 году. «Первое применение металл нашел в конце XIX века при производстве катализаторов и ювелирных сплавов. Промышленная добыча осуществляется с середины XX века в связи с развитием химической промышленности», — уточнил Устинов.
В каких странах добывают редкие металлы
В настоящее время в мире нет единого лидера по объемам добычи всех пяти редких элементов: металлы добывают по всей планете — от Канады до Африки. Показательный пример — тантал, основные месторождения которого расположены в Австралии, Руанде, Конго, Бразилии, а также на двух участках в России: в Забайкалье и на Кольском полуострове.
При этом некоторые страны лидируют по добыче отдельных видов редких металлов. Так, по словам Владимира Комлева, доктора технических наук, профессора РАН, директора Института металлургии и материаловедения им. Байкова, теллур производят порядка 14 государств, но мировым лидером остается Канада. Из общего мирового объема производства 320–360 тонн в год на долю одной канадской компании Noranda Inc. приходится 14–15%.
«Япония производит около 10% теллура и является его крупнейшим потребителем в химической и металлургической промышленности. В США теллур выпускается компанией Asarco Inc — 8–9% мирового производства. Значимым игроком на мировом рынке являются перуанские компании, их доля составляет около 6%», — сообщил «РБК Трендам» Владимир Комлев. В России теллур производят Уральская горно-металлургическая компания, но в сравнении с Соединенными Штатами и Японией объемы невелики. Также технологическая возможность производить теллур есть у «Норникеля» из сульфидных медно-никелевых руд Норильского дивизиона.
Более важную роль Россия играет в добыче ниобия и тантала. К крупнейшим месторождениям этих металлов относят редкоземельные месторождения Ловозерское в Мурманской области, Белозиминское в Иркутской области и Томторское в Якутии.
Рутений и иридий в России добывает «Норникель». «Комплексные платиноидно-медно-никелевые месторождения являются единственным в стране промышленным источником получения этих металлов из основных месторождений в виде товарной продукции. В Норильском дивизионе «Норникеля» производят концентраты драгоценных металлов, содержащих палладий, платину, родий, иридий, рутений, а также умеют попутно получать селен и теллур», — перечислил Комлев.
По мнению директора Института металлургии и материаловедения, за последние годы добыча и переработка всех пяти металлов развивалась экстенсивным путем. «Широко используются технологии добычи и переработки, созданные в СССР. В то же время проводятся активные мероприятия по внедрению новых технологий», — отметил профессор.
Что в России
«Космические технологии требуют уникальных материалов, и без доступа к ним создать конкурентоспособную космическую программу крайне сложно», — признал Степан Устинов. Заведующий кафедрой МГРИ указал, что путь страны к покорению межзвездного пространства начинается с ускоренного развития добывающей отрасли. «Успех зависит не только от добычи, но и от переработки, то есть высокой чистоты металлов, производственных цепочек, а именно возможности превращать сырье в готовые компоненты, а также научной базы, включающей разработку сплавов, покрытий и электроники», — добавил ученый.
В качестве примера эксперт привел США, которые вкладывают крупные суммы в стимулирование добычи редких металлов, чтобы снизить зависимость от Китая. Сам же Китай контролирует цепочки поставок многих критических материалов, что способствует быстрому развитию его космической программы.
«Россия по производству рутения и иридия полностью самодостаточна, — заверили в МГРИ. — По танталу и теллуру наблюдается частичная зависимость, но есть своя добыча. По ниобию — полная зависимость от Бразилии и Канады. Если Бразилия ограничит экспорт ниобия, Россия столкнется с задержками в производстве ракет, а дефицит тантала может ударить по производству микроэлектроники для спутников».
Чтобы не допустить отставания в космической гонке, опрошенные «РБК Трендами» эксперты порекомендовали интенсифицировать освоение месторождений и налаживать полный цикл переработки редких металлов. Для масштабирования и ускорения развития отрасли в России могут ввести несколько мер господдержки. Так, по словам Владимира Комлева, в настоящее время обсуждаются предложения о том, чтобы снять налоговую нагрузку с предприятий по добыче и переработке стратегического сырья и ввести льготные тарифы на транспортировку продукции. Впрочем, на текущий момент эти предложения остаются на уровне обсуждений и далеки от реализации.
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.