Металлы для высоких технологий: когда их будет не хватать?

Исследователи из Йеля подготовили прогноз по доступности 62 металлов Периодической системы на ближайшие десятилетия 26 Март 2015, 13:36

Исследовательская группа из Йельского университета провела оценку «критической доступности» всех 62 металлов, входящих в Периодическую систему элементов, и подготовила научную статью, в которой перечислила проблемы, с которой может столкнуться современная высокотехнологичная промышленность в ближайшие годы — от ограничения добычи металлов до резкого повышения экологических издержек и невозможности замены некоторых из них, использующихся в критически важных технологиях.

В последнее десятилетие нехватка металлов, необходимых для создания целого ассортимента высокотехнологичных продуктов, подвигла науку и промышленность на попытки определить «критичность» тех или иных материалов, определяемую относительной важностью использования и их глобальной доступностью.

Многие из металлов, использующихся в промышленности, такие как цинк, медь и алюминий, можно считать «неуязвимыми». Но добыча других металлов, особо важных для производства новейших технологий — смартфонов, ИК-оптики, аппаратов для рентгено- и томографии — уже в ближайшие десятилетия может значительно затрудниться.

Работа, в основу которой легли результаты ранее проведенных исследований, информация от представителей индустрии и интервью с экспертами, представляет собой первую в своем роде оценку доступности всех металлов и металлоидов, встречающихся на Земле.

«Металлы, которые человечество использует долгое время вероятно не вызовут проблем с доступностью и в будущем, — рассказывает Томас Гредел (Thomas Graedel), профессор индустриальной экологии в Школе лесного хозяйства и экологических исследований Йельского университета, руководивший научной работой. — Но некоторые металлы, которые начали использоваться только в последние 10-20 лет доступны преимущественно как побочный продукт. Вы не сможете вести добычу только ради них; они доступны в небольших количествах и находят специализированное применение. И у них нет полноценных заменителей».

Подготовленная работа иллюстрирует необходимость безотлагательного использования нового подхода в проектировании, который сможет облегчить повторное использование материалов, считает Гредел.

Статья, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, рассказывает о пятилетней работе Йельской группы по оценке доступности планетарных ресурсов металлов, а ее появление связано с растущими глобальными запросами и повышением сложности современных технических продуктов.
Импорт металлов и руды по состоянию на 2006 год. Объемы китайского импорта составляли $52,8 млрд и приняты за 100% (зеленый цвет). Желтый — десятки процентов от объемов импорта Китая, красный — единицы
Согласно выводам исследователей, доступность зависит не только от геологической распространенности. Другие важные факторы включают поиск эффективных альтернатив в производственных процессах, уровень концентрации месторождений в привязке к геополитике, состояние добывающих технологий, регулятивный надзор, геополитические инициативы, нестабильность в некоторых регионах и экономическую политику.

Для того, чтобы оценить доступность всех металлов, исследователи разработали методику, которая описывает «критическую доступность» в трех областях: риски, связанные с поставками, воздействие на окружающую среду и уязвимости, связанные с ограничениями, введенными человеком.

Исследователи обнаружили, что ограничения, связанные со многими металлами, используемыми в современной электронике (включая галлий и селен), являются следствием рисков, имеющих отношение к поставкам. Экологическое воздействие добычи и обработки представляет наибольшую угрозу для металлов платиновой группы, золота и ртути. А вот ограничение, связанные с ограничениями на поставку, применимы к металлам, использующимися для изготовления стали (включают хром и ниобий) и элементам, входящим в состав жаропрочных сплавов (вольфрам и молибден).

Среди факторов, способствующих появлению проблем с доступностью — высокая геополитическая концентрация сырьевых материалов (например, 90-95% мировых поставок редкоземельных металлов приходятся на Китай); отсутствие доступных заменителей (к примеру, не существует полноценного заменителя для индия, которые используется в производстве дисплеем для компьютеров и мобильных телефонов); политическая нестабильностью (значительная доля поставок широко используемого в электронике тантала приходится на разрушенную в ходе гражданских войн Демократическую Республику Конго).

Исследователи также проанализировали как с годами изменился уровень повторного использования и степень того, как те или иные отрасли промышленности, могут утилизировать другие источники материалов. Некоторые материалы, такие как свинец, имеют высокую степень переработки, так используются в большим объемах. Но относительно редкие материалы, которые приобрели огромную важность в современной электронике, довольно сложны в переработке, так как применяются в микроколичествах и их сложно извлечь из высокотехнологичных продуктов.