Если отбросить метеориты, падающие на Землю, и космические аппараты, вылетевшие с орбиты, количество материалов на планете, по сути, остается относительно неизменным.
Этот простой факт о конечности наших ресурсов становится все более очевидным и пугающим по мере ускорения технологического прогресса. Наше общество требует все более широкий спектр сырья для поддержания своей жизнедеятельности. Поэтому почти столько же, сколько мы систематически добываем эти вещества, мы пытаемся предсказать, как долго они смогут удовлетворять наш спрос. Сколько мы можем откачать из скважины или извлечь из рудника, прежде чем нам придется пересмотреть то, что мы строим и как?
Эти прогнозы становятся все сложнее. И теперь это также вопрос о том, сколько мы сможем получить из произведенных и выброшенных объектов. Можно ли переработать части того iPhone или внутренности той массивной ветряной турбины? Сколько любого данного объекта мы сможем вернуть в нашу бурлящую технологическую экономику?
Оценки того, сколько материала будет нам доступно в будущем, как правило, имеют в своей основе хитрую, часто неявную предпосылку: что мы будем производить примерно те же продукты с использованием тех же материалов, что и сегодня. Но технологии развиваются быстро, и к тому времени, когда мы поймем, что нам может понадобиться дальше, или разработаем специализированную систему для его добычи или переработки, следующее поколение технологий может сделать все наши предположения устаревшими.
Мы находимся в середине потенциально преобразующего момента. Материалы, необходимые для питания нашего мира, начинают смещаться от ископаемого топлива к источникам энергии, которые не производят выбросов парниковых газов, изменяющих наш климат. Металлы, открытые чуть более столетия назад, теперь лежат в основе технологий, на которые мы полагаемся для более чистой энергии, и нехватка этих металлов может замедлить прогресс.
Возьмем, к примеру, неодим — один из редкоземельных металлов. Хотя он и не является общеизвестным именем, это металл, на который человечество полагалось на протяжении многих поколений. С начала 20-го века неодим использовался для придания декоративному стеклу пурпурного оттенка. Сегодня он применяется в криогенных охладителях для достижения сверхнизких температур, необходимых для таких устройств, как сверхпроводники, и в мощных магнитах, питающих все — от смартфонов до ветряных турбин.
Спрос на магниты на основе неодима может превысить предложение в ближайшее десятилетие. Более долгосрочные перспективы предложения этого металла не столь мрачны, но тщательный анализ потенциального будущего неодима выявляет многие проблемы, с которыми мы, вероятно, столкнемся во всей цепочке поставок материалов в ближайшее столетие и далее.
Пиковая паника
Прежде чем углубляться в наше материальное будущее, важно отметить, насколько сложными всегда были точные прогнозы такого рода. Достаточно посмотреть на наше постоянное теоретизирование о поставках ископаемого топлива.
Одна версия истории, часто рассказываемая на курсах экономики, звучит примерно так: учитывая ограниченность запасов нефти, в какой-то момент мир исчерпает ее. До этого момента мы должны достичь некоторого максимального объема добычи нефти, после чего производство начнет необратимо снижаться. Эта высшая точка известна как «пик нефти».
Этой идее прослеживаются корни еще с начала 1900-х годов, но один из самых известных анализов принадлежит М. Кингу Хабберту, геологу из Shell. В статье 1956 года Хабберт рассматривал общее количество нефти (и других видов ископаемого топлива, таких как уголь и природный газ), разведанное геологами на планете. На основе предполагаемых запасов и того, что мир уже сжег, он предсказал, что добыча нефти в США достигнет пика и начнет снижаться в период между 1965 и 1970 годами. Пик мировой добычи нефти, по его прогнозу, должен был наступить немного позднее, в 2000 году.
Некоторое время казалось, что Хабберт был прав. Добыча нефти в США росла до 1970 года, когда достигла драматического пика. Затем она снижалась в течение десятилетий, примерно до 2010 года. Но затем достижения в методах бурения и гидроразрыва пласта высвободили труднодоступные запасы. Добыча нефти в США резко возросла в 2010-х годах, и по состоянию на 2023 год страна добывала больше нефти, чем когда-либо прежде.
Паника по поводу пика нефти давно пережила Хабберта, но каждый раз, когда экономисты и геологи предсказывали, что мы достигли или вот-вот достигнем пика добычи нефти, они ошибались (пока).
Теперь появилась новая причина, по которой добыча ископаемого топлива *действительно* может достигнуть пика, а затем снизиться: энергетический переход. Это краткое обозначение масштабных усилий по отказу от источников энергии, производящих парниковые газы, в пользу возобновляемых и других низкоуглеродных вариантов.
Теория Хабберта предполагала, что фиксированные запасы вынудят производство снижаться после достижения пика. Но по мере того, как мир осознает опасность изменения климата, и поскольку низкоуглеродные источники энергии, такие как ветер, солнце и атомная энергия, набирают обороты, мы можем оставить часть угля, нефти и природного газа в земле. Проще говоря, производство может пойти вниз из-за недостатка спроса, а не из-за отсутствия предложения.
Ирония заключается в том, что эти новые источники энергии сами по себе являются источником новой «пиковой» паники. Солнечным панелям, ветряным турбинам и аккумуляторам, возможно, и не нужно топливо, но они требуют целого ряда металлов, включая литий, медь, сталь и редкоземельные элементы, такие как неодим.
Если мы будем добывать, перерабатывать, использовать и выбрасывать эти металлы, концептуально в будущем должен наступить момент, когда они закончатся. И по мере того, как энергетический переход набирает обороты, многие прогнозы пытаются понять, о каких металлах нам следует беспокоиться и когда они могут начать истощаться. Но эксперты утверждают, что понимание доступности ресурсов в этом секторе намного сложнее, чем выбор одного будущего пика.
«Моделирование пиков — это то, что не очень применимо к металлам», — говорит Саймон Джовитт, директор Центра исследований экономической геологии в Университете Невады, Рено. Почти невозможно понять, достигли ли мы пика добычи какого-либо данного материала, или даже можно ли предсказать эти пики, как Джовитт отметил в статье 2020 года.
Рассмотрим неодим поближе. Запасы этого металла — то количество, о котором мы знаем и которое экономически целесообразно добывать, — оцениваются в 12,8 миллиона тонн. Чтобы удержать рост мирового потепления в пределах 1,5 °C по сравнению с доиндустриальным уровнем, нам может потребоваться до 121 000 тонн в год только для ветряных турбин, согласно исследованию 2023 года о материальных потребностях энергетического перехода. В зависимости от того, какой объем материала, по нашим предположениям, доходит от рудника до готовой продукции, мы можем израсходовать эти запасы примерно за столетие.
Если мы извлекаем, перерабатываем, используем и выбрасываем эти металлы, концептуально в будущем должен наступить момент, когда они закончатся.
Проблема такого мышления, однако, в том, что запасы и ресурсы далеко не фиксированы. Например, геологи постоянно открывают новые месторождения. А то, что несколько десятилетий назад считалось слишком дорогим и трудным для добычи, сегодня может быть возможно извлечь с помощью современных технологий. Таким образом, вместо медленного истощения, эти материальные запасы примерно соответствовали производству.
«В настоящее время мы производим больше металлов, чем когда-либо прежде, и у нас больше ресурсов и запасов металлов, чем когда-либо прежде», — как отметил Джовитт в своей статье.
И вопрос, по его словам, не в том, исчерпаем ли мы то, что теоретически доступно на планете, и даже не в том, скоро ли у нас закончится доступный для добычи материал. Вопрос в том, готовы ли мы смириться с социальными, экологическими и геополитическими последствиями того, как мы добываем сегодня, и можем ли мы улучшить эти аспекты. Потому что в ближайшем будущем мы можем добывать намного больше некоторых материалов.
Крупные раскопки
Ожидается, что спрос на редкоземельные элементы резко возрастет в ближайшие десятилетия, что в значительной степени обусловлено растущей потребностью в магнитах на основе неодима. Эти магниты, обычно изготавливаемые из смеси неодима, железа и бора с добавлением других элементов, создают более сильное магнитное поле при меньшем количестве материала, чем другие доступные сегодня магниты.
Хотя спрос на неодимовые магниты, вероятно, утроится в следующем десятилетии, мировое производство неодима вырастет лишь вдвое, по данным Adamas Intelligence, консалтинговой фирмы, специализирующейся на стратегических металлах и минералах. На строительство новых шахт может уйти почти десять лет, и эти длительные сроки могут способствовать дефициту предложения, — говорит Сивер Ванг, содиректор по климату в Breakthrough Institute, аналитическом центре по охране окружающей среды.
Краткие периоды, когда спрос превышает предложение, могут привести к волатильности, высоким ценам и более медленному внедрению новых технологий. В такое быстро меняющееся время, как наш нынешний энергетический переход, эти сложные экономические условия могут иметь далеко идущие последствия, потенциально закрепляя старые технологии и останавливая прогресс.
Но, несмотря на эти ожидаемые проблемы и вытекающую из них потенциальную волатильность, теоретически неодима в избытке. Несмотря на свое название, большинство редкоземельных металлов не являются такими уж редкими. Многие из них по распространенности в земной коре сопоставимы с медью, а неодим примерно в 1000 раз более распространен в коре, чем платина или золото.
Однако, в отличие от этих металлов, редкоземельные элементы редко встречаются в концентрированных залежах. Чтобы получить одну тонну концентрата металла, может потребоваться переместить тысячу тонн породы.
Этот процесс добычи и переработки может быть технически сложным и наносить ущерб окружающей среде, отчасти потому, что редкоземельные металлы химически схожи друг с другом и их трудно разделить без использования агрессивных химикатов, — говорит Джули Клингер, доцент Делавэрского университета, изучающий мировой рынок этих материалов.
Для добычи часто требуется растворение измельченной руды в сильной кислоте. Шахты, которые не контролируют должным образом отходы и использованные химикаты, рискуют загрязнить местные водоемы. Шахты по добыче редкоземельных элементов также часто должны обрабатывать радиоактивные отходы, поскольку такие элементы, как торий и уран, часто встречаются в полезных ископаемых, из которых добывают редкоземельные элементы, и в их окрестностях.
Прилагаются усилия для ведения добычи без образования опасных отходов, а новые объекты стремятся извлечь как можно больше готовой продукции из первоначально добытого материала, возвращая обрезки обратно в процесс переработки, чтобы меньше попадало в отходы. Другие по-новому смотрят на отходы предыдущих горнодобывающих работ.
Но некоторые эксперты надеются полностью переосмыслить поставки материалов. Вместо извлечения новых материалов, что, если мы посмотрим на то, что уже было извлечено из земли?
По кругу
Проследите путь многих широко используемых металлов, и вы, скорее всего, увидите прямую линию, ведущую от рудника к продукту и, в конечном итоге, к некоторой разновидности мусорного бака. В попытке ослабить опасения по поводу поставок и экологического ущерба некоторые эксперты призывают к новому способу использования материалов, который сосредоточен на сокращении отходов или их полном устранении.
Такая система превратит линию, идущую от рудника к мусору, в новую форму, чтобы извлеченные материалы использовались как можно дольше — возможно, даже вечно. Множество стратегий могут продлить срок службы материалов, от ремонта и восстановления изделий до их разборки и переработки содержащихся в них металлов после того, как изделия выйдут из строя.
Это может начаться задолго до того, как продукты попадут к потребителям, путем максимального использования материалов по мере их извлечения из земли. Там, где переработка становится по-настоящему сложной, так это в момент, когда материалы покинули компанию и попали в устройства, — говорит Икенна Нлебедим, научный сотрудник Национальной лаборатории Эймса.
Проследите путь многих широко используемых металлов, и вы, скорее всего, увидите прямую линию, ведущую от рудника к продукту и, в конечном итоге, к некоторой разновидности мусорного бака.
Сегодня небольшая, но трудно поддающаяся количественному определению доля редкоземельных элементов перерабатывается из продуктов, достигших конца своего срока службы. (Многие в отрасли называют эту цифру примерно 1%, хотя данных о сборе редкоземельных элементов мало, — отмечает Нлебедим.) В связи с надвигающимся ростом ожидаемого спроса несколько компаний, включая Noveon, REEcycle и Cyclic Materials, работают над увеличением этого количества, закладывая основу для индустрии переработки.
Основная проблема для растущих переработчиков магнитов заключается в том, что магниты составляют крошечную долю общего веса продукта. Просеивание куч продуктов для их извлечения — несовершенная система, и переработчики магнитов остаются с другими ценными материалами, которые им не нужны — и для выделения которых у них нет эффективного процесса.
В будущем экономичная переработка редкоземельных элементов может потребовать более широкой инфраструктуры для переработки остальной части устройства, — говорит Нлебедим. Централизованная система демонтажа позволит извлекать такие материалы, как медь, золото и металлы платиновой группы, которые часто встречаются в тех же продуктах, что и редкоземельные элементы. Эта установка позволит повторно использовать больше материалов из отходов, чем это возможно сейчас, когда компания нацеливается на самые ценные и легко извлекаемые материалы и отправляет остальное в дробилку.
Расширение сети для восстановления большего количества материалов может помочь создать более стабильные поставки металлов. Это может стать большим подспорьем, если материалы, которые будут считаться ценными в будущем, отличаются от тех, которые наиболее ценны сегодня.
Быстрые сдвиги
Технологии развиваются быстро, и многие материалы, которые сегодня имеют для нас решающее значение, не использовались даже сто лет назад.
Просто взгляните на историю рудника Маунтин-Пасс — шахты по добыче редкоземельных элементов в Калифорнии. Основной продукт шахты менялся примерно каждые 20 лет с момента начала добычи в 1952 году, — говорит Майкл Розенталь, соучредитель и главный операционный директор MP Materials, владельца объекта.
В 1960-х годах Маунтин-Пасс производил европий, используемый в цветных телевизионных экранах того времени. В последующие десятилетия целью был церий, полезный для стекла, используемого в телевизорах с электронно-лучевой трубкой. Поскольку ЭЛТ были заменены новыми технологиями, такими как светодиодные экраны, спрос на церий снизился. Теперь шахта сосредоточена на неодиме и празеодиме, другом ингредиенте, иногда используемом в магнитах.
И все же, пока геологи разведывают новые шахты, а компании создают системы переработки, исследователи работают над тем, чтобы сделать редкоземельные магниты менее центральными для нашего технологического будущего, или, возможно, даже устаревшими.
Сегодня неодим необходим в этих мощных магнитах, чтобы заставить электроны в железе вращаться последовательно в одном направлении, создавая сильное магнитное поле. Нет никаких альтернатив, которые могли бы сравниться с их производительностью.
Однако варианты могут быть на подходе. Niron Magnetics работает над созданием магнитов из нитрида железа, которые создают мощное магнитное поле без необходимости использования редкоземельных металлов. Компания открыла свой первый производственный объект в начале 2024 года, и хотя ее продукция пока не может заменить высококачественные неодимовые магниты, нет фундаментальной причины, по которой они не смогут это сделать в будущем. Если Niron или другие компании смогут разработать новые магниты, это может привести к сдвигу на рынке редкоземельных элементов, который быстро сделает нынешние системы переработки магнитов неактуальными.
В идеально устойчивом мире мы бы использовали и повторно использовали материалы, извлеченные из земли, бесконечно. Но по мере того, как наши технологии меняются, а наша жизнь меняется, может быть трудно замкнуть цикл там, где он начался. Вместо этого наша материальная экономика может принять форму спирали. Ресурсы могут оказаться не совсем там, где они начинались — скорее, система, которую мы создали для их извлечения и использования, будет продолжать гнаться за технологическим прогрессом, возможно, бесконечно.
