Текст книги "Острая стратегическая недостаточность. Страна на переПутье"

Изобильный, но редкий

В качестве первой иллюстрации важности международного спора – история одного элемента, по многим химическим свойствам сходного с так называемыми редкоземельными металлами (РЗМ). В это семейство в строгом смысле слова включены только 15 очень похожих друг на друга элементов, идущих в таблице Менделеева подряд, начиная с лантана. Их подразделяют на две группы: иттриевую (тяжёлые РЗМ), включающую гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций, и цериевую (лёгкие РЗМ) – лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий и европий. Диапазон их распространённости в земной коре довольно широк: от 0,003 % по массе для лантана до 0,00008 % для тулия и лютеция. О них подробнее расскажем ниже. Но зачастую к редкоземельным причисляют и ещё два довольно сходных как химически (ибо находятся в той же третьей колонке таблицы Менделеева), так и физически: иттрий и тему этого рассказа – скандий.

Это металл (как большинство металлов, в чистом виде серебристого цвета). Плотность немногим больше, чем у алюминия. Но при этом температура плавления приближается к температуре плавления стали. Этого металла на планете в 60 раз больше, чем серебра, чуть меньше, нежели свинца, и почти в 500 раз больше, нежели ртути. Тем не менее на мировом рынке этот металл дороже золота.

В начале 1869-го года гениальный русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев разослал по всем научным учреждениям страны и зарубежья «Опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве». Эта работа ещё не была периодической системой, с которой каждый из нас познакомился в виде знаменитой таблицы в школьном кабинете химии – наглядное табличное представление появилось только через два года.

Но что важно: в этой таблице стояли пустые клетки для 21-го, 31-го и 32-го элементов, причём в них были уже вписаны, например, вычисленные теоретически атомные веса и многие свойства неизвестных веществ. Элемент 21 Дмитрий Иванович назвал экабором, исходя из того, что он следует под элементом «бор», а слог «эка» – производное от санскритского «один». 31-й и 32-й элементы получили условные названия «экасицилий» и «экаалюминий».

В том же году Менделеев теоретически вычислил и весьма подробно описал все ключевые физические и химические свойства трёх «пустых» элементов.

Уже при жизни Менделеева – всего через 8 лет после публикации его таблицы – шведский химик Нильсон, работая над выделением редкоземельного элемента иттербия, случайно обнаружил новый редкоземельный элемент. Его свойства удивительным образом совпадали со свойствами описанного Менделеевым экабора. В честь своей родины Нильсон назвал этот элемент скандий.

В 1875-м году открыт элемент галлий – тот самый экаалюминий, а в 1886-м году – германий – экасицилий. Далее по предсказанию Менделеева уже после его смерти – в 1920-х годах – открыты рений и гафний.

Скандий воистину стал крылатым металлом XXI века. Дело в том, что крошечные добавки его к алюминию резко изменяют свойства сплава. Скандий очень дорог из-за трудности добычи, но на легирование алюминия его нужно так мало, что затраты более чем окупаются. Например, примесь 0,1–0,3 % скандия увеличивает прочность и теплостойкость алюминиевых сплавов в 3–4 раза, причём они становятся способны к свариванию. В частности, обшивка советского космического челнока «Буран» сделана из алюминий-скандиевого сплава. Такие сплавы очень удобны в конструкциях самолётов, ракет, скоростных поездов и автомобилей.

Скандий повышает и радиационную стойкость многих соединений. В производстве компьютеров используют синтетические гранаты германий-гадолиний-скандиевого состава. Эти же гранаты – но с добавкой неодима и меди – основа многих видов мощных лазерных установок.

Сплав магния и скандия используют в водородной энергетике.

СССР, развивая высокие технологии и глядя в будущее, ещё в начале 1960-х годов начал поиски, разведку и добычу скандиевого сырья. В итоге в течение многих лет СССР занимал первое место в мире по получению скандия. Если во всём остальном мире добывались сотни килограммов, то в СССР ежегодная добыча достигала 10 тонн!

Согласно советской программе, предусматривалось ежегодное производство 1000 тонн высококачественных алюминий-скандиевых сплавов. Это позволило бы совершить технический прорыв в самолёто– и ракетостроении. Потребителями скандия были ВПК и авиакосмические отрасли, металл также шёл на экспорт, но в гражданском хозяйстве его использовали мало.

Как мы видим из вышеописанных характеристик распространённости скандия, название «редкоземельные элементы» некорректно. Эти элементы не редки на Земле, но нигде не сконцентрированы. Поэтому их на порядки сложнее добывать, чем традиционные химические элементы. А ведь многих традиционных на планете даже меньше, чем так называемых «редкоземельных». Правильнее было бы их назвать «рассеянноземельные элементы». Они очень и очень распылены в земной коре. Именно это – их основная характеристика с точки зрения добычи. В любом случае мы здесь будем использовать аббревиатуру «РЗЭ», ибо её можно расшифровать обоими указанными способами.

На той же вертикали

Более тяжёлый аналог скандия по вертикали таблицы Менделеева – иттрий – один из самых востребованных высокотехнологических металлов современной промышленности. Его потребление – вместе со скандием – можно по праву назвать лакмусовой бумажкой развития современной инновационной экономики. Например, напыление иттрия на детали двигателей внутреннего сгорания позволяет увеличить износостойкость деталей в сотни раз по сравнению с хромированием; легирование иттрием повышает электропроводность алюминия на 7,5 % и соответственно снижает тепловые потери в проводах; иттриевые сплавы прочнее титановых и не «ползут» под нагрузкой; сравнительно дешёвые железоиттриевые сплавы прекрасно аккумулируют водород в виде гидридов – соединений металлов с водородом…

Мировое производство и потребление иттрия постоянно динамично растёт на 20–25 % в год. В последний предкризисный год – 2007-й – оно достигло 10 тысяч тонн. Основной производитель иттрия – Китай (не менее 50 %), основные потребители – Соединённые Штаты Америки[65]65
  Пользуемся случаем напомнить: state – именно государство, и 4-го июля 1776-го 13 британских колоний в Северной Америке провозгласили себя независимыми от метрополии – хотя и соединёнными между собою – государствами.


[Закрыть], Япония, Китай. До 1990-го года СССР лидировал среди мировых производителей иттрия (1–1,2 тысячи тонн в год), но потреблял не более 40 % (в основном на нужды ВПК) – остальное продавал другим развитым странам. К 1999-му году производство иттрия в России упало до минимума и по сей день не восстановлено. Промышленность живёт за счёт незначительного импорта из Китая и резервных остатков предприятий ВПК с советских времён.

Собственно редкоземельные

Потребление редкоземельной продукции в мире подразделяется на два крупных сегмента. Во многих случаях пригодна любая их смесь. Это, в частности, производство стекла, катализ в нефтехимии (крекинг нефти, производство присадок в дизельное топливо и др.), мишметалл для перезаряжаемых аккумуляторных батарей, полировальные порошки и т. д. Но зачастую требуются уникальные свойства конкретных металлов, и приходится их разделять, что весьма сложно вследствие близости их свойств. Например, каталитические нейтрализаторы выхлопных газов автомобилей работают на чистом церии, в сердечниках постоянных магнитов нужны самарий и неодим, люминофоры, керамические конденсаторы используют лантан и неодим, люминофоры на каждом из лантаноидов имеют свой набор цветов. Велики перспективы использования индивидуальных РЗМ в электронике, ядерной энергетике, выращивании кристаллов, создании новейших материалов и многих других целях (в частности, с каждым годом активнее востребованы европий, диспрозий, иттербий, эрбий, тербий и гадолиний). Не удивительно, что ежегодный рост потребления индивидуальных РЗМ (от 25 % до 40 % для разных металлов) при всей их дороговизне значительно опережает рост потребления неразделённых РЗМ (3–5%).

На основе РЗМ сегодня в мире развиваются высокотехнологичные современные производства. В частности, чёрная металлургия добавками РЗМ модифицирует нержавеющие, быстрорежущие и жаростойкие стали и сплавы, улучшая механические свойства (особенно ударную вязкость) и коррозионную стойкость. А уж изобилие сплавов цветных металлов, включающих РЗМ, давно не поддаётся единому обозрению. Все эти материалы находят широкое применение – в первую очередь в военно-промышленной и авиационно-космической отраслях экономики. Поэтому редкоземельные металлы вместе со скандием, иттрием и находящимися в других группах бериллием и ниобием продолжают составлять важную категорию стратегических металлов.

Сладкий яд

Конечно, ценные редкости бытуют не только в третьем столбце таблицы Менделеева.

Много лет назад от одного военного историка слышали мы такую историю. США ещё до войны – но когда её неизбежность была уже очевидна – объявили эмбарго на поставку множества материалов, пригодных к использованию в военных целях. В частности, в числе металлов, могущих пойти на вооружение национал-социалистической Германии или национал-милитаристской Японии, оказался бериллий. Бериллиевая бронза по упругости соответствует стали, по плотности куда легче, по живучести к знакопеременным нагрузкам несравненно выше. Поэтому из неё делаются лучшие пружины. В том числе и оружейные, и часовые.

Немцы, остро нуждаясь в бериллии, заказали швейцарским фирмам несметное множество часовых пружин. Вроде бы вполне естественно: с тех самых пор, как французские протестанты, спасаясь от гонений победивших в гражданской войне католиков, по предложению Вольтера переселились в Женеву и привезли с собою своё мастерство изготовления часовых механизмов, именно Швейцария считается мировым эталоном производства механических часов.

Основным производителем бериллия в ту пору были США. Их таможня обратила внимание: металла, заказанного швейцарскими часовщиками, хватило бы всей часовой промышленности мира на несколько веков вперёд. Канал поставки стратегического сырья немедленно перекрыли. Немцам пришлось делать пружины своих авиапулемётов из материалов попроще и не столь надёжных[66]66
  В СССР технология пружинных сталей заметно отставала от немецкой, а закупку бериллия сочли слишком дорогой. Шпитальный и Комарицкий, создавая в 1930-м скорострельный – 30 выстрелов в секунду – авиационный пулемёт, обнаружили: возвратно-боевая пружина ломается уже после 2500 выстрелов. Но они вышли из положения изящнее немцев: с конца 1934-го пружина сделана из нескольких тонких проволок, смотанных в пучок, и выдерживает около 15 000 выстрелов. В дальнейшем сходную технологию применил Калашников: в его автоматах и ручных пулемётах боевая пружина – витая.


[Закрыть].

Бериллий открыт в 1798-м году в виде окиси – берилловой земли – французским химиком Луи Николя Вокленом в ходе установления общности химического состава драгоценных камней изумруда и берилла.

Металлический бериллий получил в 1828-м Фридрих Вёлер в Германии, нагревая калий с хлоридом бериллия. В 1898-м французский химик Поль Лебо, подвергнув электролизу двойной фторид калия и бериллия, получил достаточно чистые металлические кристаллы бериллия.

Соединения бериллия, растворимые в воде, сладкие. Поэтому элемент вначале называли «глюциний» (от греческого glykys – сладкий). Правда, пробовать на вкус нежелательно: чистый бериллий и многие его соединения – медленнодействующие яды, что изрядно осложняет работу с ними.

Бериллий применяют как легирующую добавку к различным сплавам. Он значительно повышает твёрдость и прочность сплавов, коррозионную устойчивость поверхностей изготовленных из этих сплавов изделий.

Бериллий к тому же слабо поглощает рентгеновское излучение, поэтому из него изготавливают, например, окошки рентгеновских трубок. Парадоксально, но факт: пропуская рентгеновское излучение практически в полном объёме, этот элемент в той же мере гасит нейтронное. Поэтому в ядерных реакторах его используют как замедлитель нейтронов.

Развитие электротехники и электроники требует не только изобилия проводов (для них прекрасно годятся чистая медь и алюминий), но и новых материалов для контактов прерывателей и разъёмов. Чем мельче контакты, тем важнее их упругость и механическая износостойкость. Идеальными для их изготовления стали всё те же бериллиевые бронзы. Эти сплавы обладают таким комплексом замечательных свойств, что и по сей день все попытки создания их заменителей не увенчались успехом.

Например, американская промышленность потребляет для соединителей почти сто тысяч тонн медных сплавов в год, и доля бериллиевых бронз оценивается в 10–12 % этой массы. В каждом современном компьютере – более двух граммов чистого бериллия.

Сегодня мировые лидеры по производству полуфабрикатов из бериллиевых бронз – BrushWellman (США) и NGK DeutscheBerilco СМВН. Они диктуют качество и ценовую политику на рынке этих материалов. В этом же ряду КМЕ (Германия), Obava и SumitomoSpecialMetal (Япония), Sigast (Италия) и другие.

В нашей стране в советское время была выстроена эффективная система. Бериллиевые бронзы производились в рамках единого министерства цветной металлургии. Сырьё добывали на Забайкальском ГОК, чистый бериллий и его лигатуры с медью производили в Усть-Каменогорске, выпуск полуфабрикатов сосредоточили на Кольчугинском, Московском и Каменск-Уральском заводах по обработке цветных металлов ВПО «Союзцветметобработка». Общий выпуск полуфабрикатов – плит, полос, ленты, фольги, прутков и проволоки – достигал почти 2000 тонн в год.

Основным российским потребителем полуфабрикатов из бериллиевых бронз остаются предприятия, в советское время входившие в министерство среднего машиностроения, то есть связанные с оборонной промышленностью. За годы реформ внутреннее потребление медно-бериллиевых сплавов упало более чем вдесятеро. Производство бериллиевых бронз в России сохранилось на Московском и Каменск-Уральском заводах. При этом производство первичной лигатуры медь-бериллий оказалось в другом государстве – Казахстане.

При всей важности и давней истории этого стратегического материала отечественное (Малышевское) «месторождение бериллия и изумрудов на Урале переходит из рук в руки, в том числе и зарубежных, хозяев, шахты полузатоплены, бериллий не добывается. Законсервированы и другие месторождения бериллия в России».

Производство титана требует немалого расхода электроэнергии, да и технологических тонкостей в его металлургии хватает. Поэтому освоение этого металла началось в авиации. Современные сверхзвуковые самолёты вовсе немыслимы без внутренних узлов – а то и панелей обшивки – из титановых сплавов. Да и пассажирские «Боинги» потребляют на титановые шасси, узлы крепления крупногабаритных конструкций и прочие компоненты более половины производства российского объединения «Ависма».

Советский Союз 20 лет назад производил ежегодно 100 тысяч тонн металлического титана – в полтора раза больше, чем США, Япония, Китай и Европейский Союз вместе взятые. Это огромное количество не продавалось за рубеж, а расходовалось на нужды бурно развивавшейся отечественной промышленности: 55 % шло в авиацию, 25 % – на флот, 15 % – на космос и ракетостроение. Сейчас мощное гражданское авиастроение России практически уничтожено в полном соответствии со стратегией наших реформаторов. Производство боевых истребителей и работа авиазаводов зависят уже не от нужд армии (где всё ещё используется в основном обветшалая техника советского времени), а от планов закупки наших боевых машин министерствами обороны других стран – прежде всего Китая, Индии, Венесуэлы. Наш флот многократно сократился, новое строительство почти прекратилось, и его былая потребность в титане – в далёком прошлом. Внутреннее потребление титанового проката многократно уменьшилось и составляет лишь… 3 тысячи тонн, т. е. 3 % от «застойной» эпохи. Остальной металл продаётся за рубеж в качестве полуфабриката.

В Верхней Салде развёрнуто строительство Титановой долины. Части корпусов американских «Боингов» будут строить в России. Это пока самое высокотехнологичное в нынешней России использование титана. Но и это по сравнению с предыдущим уже прогресс. Ведь тонна титанового сырья стоит 2.5 тысячи долларов, а тонна титанового проката – 30 тысяч долларов.

Но, конечно же, надо разворачивать производство конечной продукции из титана. Здесь Россия имеет колоссальный потенциал. Особенно с учётом того, что по мере роста производства и отработки технологий цена титана снизилась до уровня, приемлемого не только на небесах. В частности, Россия могла бы получать значительную прибыль, производя из твёрдого, прочного и лёгкого титана хотя бы такие массово востребованные изделия, как клюшки для хоккея и гольфа, рамы велосипедов, горные лыжи, лыжные палки, оправы для очков, корпусы часов, альпинистское снаряжение – карабины, крючья, ледорубы. Цинковый лист, легированный титаном (титанцинк) – надёжный кровельный материал: проектный срок его службы более 80 лет! Кровля Храма Христа Спасителя – медная с золотистым покрытием из высокопрочного и химически стойкого нитрида титана. Такими листами можно покрыть не только храмы.

В жаре и холоде

Ещё один металл, востребуемый с каждым годом всё больше – ниобий. Его производство и применение в новом тысячелетии во всем мире возрастает на 9—15 % в год. Ведь промышленность всё активнее востребует разнообразные сочетания его полезнейших и зачастую уникальных свойств. Среди них, в частности: тугоплавкость; способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и многие другие сплавы; коррозионная и криогенная стойкость; обрабатываемость давлением на холоде; свариваемость.

Основные области применения – металлургия, ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение, атомная энергетика. В ближайшее десятилетие он найдёт себе обширное применение в термоядерной энергетике: даже экспериментальные системы вроде международного ИТЭР требуют его десятками тонн.

Ниобий востребован не столько в чистом виде, сколько в сплавах. Им можно легировать многие цветные и редкие металлы, в том числе уран. Например, его добавка увеличивает срок службы стальных труб не менее чем в десять раз. Поэтому едва ли не объёмнейший сектор потребления ниобия в обозримом будущем – магистральные трубопроводы. Сегодня Россия, покрытая сетью нефте– и газопроводов, теряет вследствие аварий, связанных с их коррозией, миллионы тонн нефти и газа – более 1 % ВВП, около 50 млрд долл. в год. Только для легирования феррониобием труб большого диаметра, необходимых для замены ветхих трубопроводов и расширенного строительства новых, необходимо в ближайшие 10–15 лет производить в самой России 10–12 тысяч тонн окиси ниобия ежегодно.

Для решения же задач, связанных с формированием инновационной экономики, России надо до 2020-го года производить не менее 20 тысяч тонн ниобия в год. Современные ниобиевые возможности России – всего около 2 тысяч тонн в год, а темп их развития катастрофически отстаёт от мирового.

Лидер мирового производства ниобия – Бразилия (почти 80 %). Лидеры потребления – США, Япония, Китай, Бразилия…

Удушающая монополия

Как видно из описания свойств лишь немногих особо ценных металлов, контроль производства РЗЭ фактически оборачивается контролем всей мировой промышленности. Не удивительно, что Китай – со своей многовековой традицией многоходовых стратегий – добился этого контроля.

Правда, в самом Китае запасы РЗЭ невелики. Зато велики запасы дешёвой рабочей силы и готовности загрязнять свою природу. Китай сосредоточил на своей территории получение РЗЭ из руд, свозимых со всего света. Работа тяжёлая и грязная. Поэтому Китай ценовой конкуренцией вынудил большинство других производителей свернуть деятельность или перенести её на китайскую территорию (как перенесено туда же множество иных производств – прежде всего из Соединённых Штатов Америки, но затем и из других стран, всё ещё именующих себя развитыми). Сейчас Китай – практически монополист по многим РЗЭ. И, как всякий монополист, старается диктовать условия.

Ещё отец китайских реформ Дэн Сяопин сказал: у Ближнего Востока есть нефть, у нас – редкоземельные элементы. Только недавно западный мир ощутил, сколь глубоко и дальновидно это высказывание.

Те самые страны Ближнего Востока с помощью нефти сумели повергнуть в энергетический шок весь западный мир в 1973-м году, когда объявили эмбарго и с его помощью добились больших политических уступок со стороны стран запада. Именно благодаря поводу для эмбарго – Войне Судного дня – египетский лидер Анвар Садат не только упрочил своё положение в стране, даже невзирая на поражение в начатой им войне, но и надолго сделал Египет лидером всего арабского мира.

Подобие 1973-го года повторилось в 2011-м. Китайская Народная Республика не объявила полное эмбарго, но фактически почти провела его. Если в 2005-м году экспорт редкоземельных элементов составил порядка 66 тысяч тонн, то в первом полугодии 2011 года 14–15 тысяч тонн. Причём нашлось дипломатическое объяснение – ужесточением экологических стандартов. Действительно, вследствие экономии на технологических усовершенствованиях ради ценового демпинга экологические осложнения, если можно так выразиться, от добычи собственных руд и выделения из привозного сырья РЗЭ в Китае не сопоставимы ни с какой добычей, ни в какой стране мира.

Китайское металлургическое эмбарго 2011-го года – пока далеко не столь жёсткое, как арабское нефтяное 1973-го. Но скорее всего нынешнее ограничение экспорта – только пробный шаг руководителей Поднебесной империи.

Безусловно, Китай вообще старается поставлять не сырьё (при всей сложности извлечения и разделения РЗЭ они всего лишь сырьё для других отраслей), а высокотехнологичные товары, сегодня практически невозможные без РЗЭ. Чем масштабнее разворачиваемые в Китае (и благодаря инвестициям из-за рубежа, и на собственные заработки) производства, тем меньше доля РЗЭ, остающаяся невостребованной внутри страны и доступная для экспорта.

Но всё же на первый план выходит политика. Стоило Японии слегка ужесточить позицию в отношении спорных островов, как Китай мгновенно перекрыл экспорт РЗЭ, жизненно необходимых экономике Страны восходящего солнца.

Очевидно, Китай и дальше будет жёстко влиять на ситуацию в мире через практически монопольное положение в добыче и частичном производстве РЗЭ. Эксперты прогнозируют, что мировая промышленность в ближайшей перспективе будет испытывать острый дефицит сразу в семи химических элементах: диспрозии, европии, лантане, неодиме, празеодиме, тербии, иттрии. В свою очередь комиссия Европарламента два года назад обнародовала список уже 14 РЗЭ, без которых экономика ЕС будет разрушена.

В поисках решения возникшей проблемы, развитые страны начали лихорадочный поиск новых источников РЗЭ. В первую очередь речь идёт о рециклинге – переработке отслужившей свой век электроники. Уже сейчас в Германии, например, этим путём получают 1 % РЗЭ, используемых в промышленности страны. Но даже самые большие оптимисты считают: в обозримой перспективе удастся довести эту долю только до 10 %. То есть рециклинг не даёт стратегического результата.

Другим путём пошли японцы. Они намечают экспериментальную добычу РЗЭ на океанском дне с помощью новейших глубоководных роботов. Но промышленная добыча всё равно будет возможна только лет через десять.