19:59
В мире не хватает элементов, и исследователи ищут их замену в самых неожиданных местах

Исследователи ищут все более важные элементы как из природных руд, так и из техногенных отходов.

Не ошибитесь: у нас кончаются элементы. Поскольку люди заполнили все углы периодической таблицы, каждый элемент привел к технологическим инновациям.
Европий и индий имеют решающее значение для телевизоров и сенсорных экранов. Рений необходим в реактивных двигателях истребителей. А чтобы избежать некоторых последствий изменения климата, нам нужны литий и кобальт для аккумуляторов электромобилей, теллур для солнечных батарей и диспрозий для ветряных турбин. 
Однако мы не можем создать эти элементы — они сформировались вместе с Землей миллиарды лет назад. Чтобы пополнить наши истощающиеся запасы и идти в ногу с растущим, модернизирующимся миром, мы должны добывать больше. 

Старатели расширяют свои поиски, поскольку они ищут свежие источники сырья, которые не разрушат населенные районы — никто не хочет шахту на своем заднем дворе. Они ищут природные руды в местах, которые когда-то считались слишком отдаленными для добычи, прежде чем спрос на материалы оправдал затраты и трудные путешествия: Арктика, глубокое море и даже астероиды, ближайшие к земле. 
Но после столетия тяжелой промышленной деятельности у нас также есть огромное количество отходов жизнедеятельности человека, полных регенерируемых элементов: сточных вод, выброшенной бытовой электроники и даже загрязнения в атмосфере. Технологии, которые ученые разрабатывают для очистки этих отходов, могут буквально превратить мусор в сокровище. “Если вы собираетесь удалить его, почему бы не восстановить его?” - говорит Уильям Тарпе, инженер - химик из Стэнфордского университета.  

сырьевые ресурсы

Арктика

Глубоководные полиметаллические конкреции (выше) часто содержат никель, кобальт и медь. Nautilus Minerals намерена использовать свои инструменты добычи на морском дне (слева) для резки, добычи и сбора материала в поисках ресурсов морского дна. (Кредит: Эмма Критчли/Nautilus Minerals)
Жюль Верн предсказал существование ценных минералов морского дна всего за несколько лет до их фактического открытия. Капитан подводной лодки “Наутилус "Немо говорит:" На дне моря, в двадцати тысячах лье под водой, находятся рудники цинка, железа, серебра и золота, разработка которых, несомненно, осуществима.” 
Три года спустя, в 1873 году, настоящий английский исследовательский корабль HMS Challenger доказал правоту Немо, подняв со дна Тихого океана любопытные черные камни размером с картофелину: так называемые полиметаллические конкреции, богатые марганцем, железом, никелем и кобальтом, среди прочих металлов. В течение следующих 150 лет ученые обнаружили еще два типа богатых металлами ресурсов под волнами: залежи массивных сульфидов морского дна, часто встречающиеся на границах тектонических плит, которые содержат медь, золото и серебро; и кобальтовые корки, которые растут на подводных вулканах, разбросанных по всему миру, в том числе с большим населением в Тихом океане. 
С сокращением запасов высокосортных металлов компании начали строить планы по освоению этих богатых элементами месторождений. В качестве бонуса добыча полезных ископаемых на морском дне сталкивается с меньшим количеством проблем, связанных с наземной добычей полезных ископаемых. Во-первых, морское дно находится на ничьем заднем дворе, поэтому беспокойство сообществ минимально. Океаны также покрывают более 70 процентов поверхности планеты, потенциально скрывая достаточно элементов, чтобы обеспечить все потребности человечества в обозримом будущем. И, возможно, самое главное, в то время как каждая страна сохраняет права на полезные ископаемые в пределах 200 морских миль от своей береговой линии, элементы морского дна в международных водах не принадлежат какой-либо одной стране. 
В настоящее время глубоководная добыча полезных ископаемых не ведется, но компании и страны стремятся это изменить. Австралийская компания Nautilus Minerals намерена начать коммерческую добычу массивных сульфидов морского дна у берегов Папуа-Новой Гвинеи, как только она выпутается из финансовых затруднений. Компания Diamond Fields Resources намерена сделать то же самое у берегов Саудовской Аравии в Красном море. Что касается международных вод, то все внимание сосредоточено на том, чтобы международный орган по морскому дну установил глобальные законы о глубоководной добыче полезных ископаемых в этом году, после того как он закончит оценку потенциального воздействия на окружающую среду. 

“Я весьма оптимистично отношусь к этому процессу, несмотря на его медлительность и бюрократизм”, - говорит биолог Адриан Гловер из Музея естественной истории в Лондоне, который участвует в оценке международного органа по морскому дну. “Это было очень успешно в развивающейся отрасли и заставило людей задуматься об экологических рисках и юридической ответственности задолго до начала отрасли. И это действительно позитивная вещь.”
астероид

Астероиды могут однажды стать источниками платины. Но Сначала мы должны были бы захватить один роботизированный, показанный в рендеринге этого художника из НАСА. (Кредит: НАСА)
До экспедиций НАСА "Аполлон" на Луну мы знали о космических камнях только по метеоритам, упавшим на землю. Теперь мы не только изучили лунные породы, но и собрали образцы непосредственно с астероидов и комет. И оказывается, космос полон полезных материалов. Из примерно 20 000 известных астероидов ближе Марса более 700 являются металлическими, говорит Митч Хантер-Скаллион, основатель и генеральный директор Asteroid Mining Corporation в Великобритании. 
Хотя на самом деле добыча астероидов была бы, ГМ, астрономически дорогой, только один металл мог бы сделать ее стоящей поездки. “Бизнес-кейс определяется ценой платины", - говорит инженер-механик Аманда Хьюз из Ливерпульского университета. В земных рудниках руда, содержащая 5 частей на миллион платины, стоит добычи. Астероид шириной около полумили с содержанием платины не менее 10 ppm может принести прибыль, говорит она. Примерно 50 астероидов соответствуют этому описанию, согласно оценке Хантера-Скаллиона. (Некоторые метеориты были найдены с более чем 120 ppm платины.)
Hunter-Scullion создает обширную базу данных о других потенциальных ресурсах, которые могут быть найдены в этих богатых платиной астероидах, включая неблагородные металлы, такие как железо и никель, а также органический углерод и фосфор, чтобы еще больше увеличить прибыль от добычи. Он также надеется найти воду, которая могла бы поддержать экспансию человечества в космос. 

Добыча астероидов может происходить двумя путями: путем доставки астероида на Землю и извлечения его минералов здесь, или — что более вероятно — путем дробления астероида в космосе и возвращения на Землю с богатыми элементами концентратами. Если добыча астероидов звучит как научная фантастика, то это потому, что это все еще так. Ученые должны были бы выяснить, например, как разбивать и собирать камни в невесомости. Они уже делают первые шаги в этом процессе, ищут богатые платиной астероиды- ведут разведку с расстояния более 100 миллионов миль.

Утилизированные Материалы

шламы

Исследователи в Австралии работают над использованием бактерий для добычи кобальта в старых хвостохранилищах, таких как этот в Квинсленде. (Кредит: Доминик Браун)
Ядовитое цветение водорослей, кислотные потоки и загрязненные металлами почвы имеют одну общую черту: эти экологические бедствия происходят из-за сточных вод, богатых минералами и металлами. Сточные воды традиционно занимали промежуточное положение между тем, чтобы содержать слишком мало элементов для использования в качестве ресурса, но слишком много, чтобы быть здоровыми для окружающей среды. В настоящее время ситуация меняется в связи с растущими экологическими проблемами и растущей стоимостью материалов. 

Целевые элементы столь же разнообразны, как и возможные источники. Сточные воды человека и животных являются хорошим источником азота и фосфора, необходимых ингредиентов для производства удобрений для роста растений. Операции по опреснению, которые превращают соленую воду в безопасную питьевую воду, производят концентрированные рассолы, полные полезных металлов, которые выбрасываются обратно в океан. А 14 миллиардов тонн отходов хвостохранилища — остаточного металлосодержащего шлама из шахт-образуются каждый год и содержат рекультивируемые элементы, в том числе редкоземельные металлы. 
Преимущество разведки в этих пустошах состоит в том, что элементы не попадают в ловушку внутри горных пород. Вместо этого задача состоит в тщательном химическом отделении желаемого от нежелательного на молекулярном уровне. Для этого исследователи разработали так называемые агенты захвата, молекулы и материалы, которые связываются только с нужными веществами. Некоторые из них сконструировали бактерии для выделения белков, которые связываются с определенными элементами, например. 
Такой подход к обработке сточных вод как ресурса уже применяется во всем мире. Водоочистные сооружения в Северной Америке и Европе создали системы рекуперации фосфора для борьбы с вредным цветением водорослей, а некоторые даже продают восстановленные питательные вещества в качестве удобрений. В 2018 году исследователи из Австралии разработали материал, который может извлекать литий из опреснительных рассолов и гидроразрыва сточных вод. А ученый-геоэколог Анита Парбхакар-Фокс из Университета Квинсленда работает над бактериями, которые могут добывать в старых хвостохранилищах кобальт, все более важный элемент для батарей электромобилей. 
- Стоит пойти посмотреть на отходы,” говорит она.
твердый отход

Городская добыча полезных ископаемых звучит впечатляюще, но на самом деле это просто прославленный термин для переработки отходов. Это идея, которая существует на протяжении тысячелетий, говорит промышленный эколог Питер Афиуни, который является исполнительным вице-президентом Urban Mining Co. в Остине, штат Техас. Потрепанное и сломанное оружие железного века переплавлялось и перековывалось в более поздние века, средневековая Британия строила церкви из камня из римских руин, а металлы, такие как олово и алюминий, сегодня перерабатываются в больших количествах. Это здравый смысл-собирать редкие компоненты в сегодняшних отброшенных потребительских товарах, от мобильных телефонов до тракторов, для продуктов завтрашнего дня. И, как бонус, эти “руды” уже находятся в городских районах, где они наиболее необходимы, а не зарыты в шахтах в труднодоступных местах. 
Проблема, однако, в том, что эти элементы действительно распределены. “[Оригинальная] шахта распространяется на тысячи и десятки тысяч домашних хозяйств”, - говорит промышленный инженер Кристиан Хагелюкен из компании материалов Umicore, базирующейся в Брюсселе. Добыча всех этих приборов и электроники сначала требует их сбора в одной области.
Вторая проблема - демонтаж сегодняшних невероятно сложных продуктов. Элементы теперь наполняют технологию, как специи в сложном блюде — айфоны, например, содержат тире Индия, разбрызгивание тербия и намеки на некоторые 70 других элементов. Большинство потребительских товаров никогда не были предназначены для того, чтобы их можно было легко разобрать и переработать, поэтому сокращение этой большой кучи товаров в ее ингредиенты является сложным делом. 
С этой целью компании изобрели различные методы, чтобы лучше восстановить ценные части нашей старой технологии. Urban Mining Co. специализируется на извлечении магнитов неодим-железо-бор из жестких дисков, ветряных турбин и многого другого, превращая их в порошок и делая новые Магниты непосредственно из этого. А печи Umicore могут расплавить и отделить любой из 17 элементов от старых каталитических нейтрализаторов и печатных плат. 
Но хотя эта стратегия привносит в горнодобывающую промышленность подход, основанный на рециркуляции, она создает неотъемлемый конфликт с устойчивостью: добыча устаревших продуктов для материалов работает только в том случае, если первоначальные продукты имеют короткий срок службы. Если наши технические инструменты будут жить так же долго, как мы — цель в любом экологически чистом будущем, — эта шахта будет становиться все более дефицитной.

Газообразные Отходы

Компания Carbon Engineering открыла экспериментальный завод в Британской Колумбии, который ежедневно улавливает около тонны углекислого газа. Он стремится построить завод, показанный в рендеринге художника, чтобы поглощать 2,2 миллиарда фунтов CO2 ежегодно. (Кредит: Carbon Engineering, Ltd.)
Может показаться футуристичным (или нелепым) извлекать ресурсы из воздуха, но мы эффективно делаем это с 1913 года. Процесс Хабера-Бошаобращает атмосферный азот в аммиак, который используется для производства удобрений и взрывчатых веществ. Сегодня ученые хотят вернуть другой элемент, который человечество перемещало в атмосферу на протяжении более чем столетия, с гораздо более высокими ставками: углерод. 
Люди выделяют углерод, погребенный в ископаемом топливе, в виде углекислого газа, что приводит к катастрофическим последствиям. Антропогенное изменение климата связано с таянием ледяных щитов и подъемом уровня моря, которые, по прогнозам, затопят прибрежные города и островные государства. Более сильные штормы и засухи стали нормой. В докладе Межправительственной группы экспертов ООН по изменению климата за 2018 год был сделан вывод о том, что разработка технологий улавливания углерода в настоящее время является необходимостью, если мы хотим предотвратить наихудшие последствия изменения климата. 
Но это не так просто. Одна из самых больших проблем заключается в том, что, хотя уровень углекислого газа высок, газ все еще составляет всего 0,04 процента атмосферы. Чтобы эффективно извлекать это крошечное количество углерода из воздуха, начинающая компания Carbon Engineering в Сквамише, Британская Колумбия, построила устройство, которое заставляет воздух контактировать с щелочным раствором, поглощающим углекислый газ. Внутри устройства щелочной раствор течет вниз, направляемый ребристыми пластиковыми поверхностями, такими как гофрированный картон, расположенный вертикально. Раствор покрывает эти поверхности, создавая обширную область контакта с воздухом, когда он проходит через устройство горизонтально, помогая ему захватывать эти мельчайшие количества углерода в воздухе. 
В настоящее время пилотная установка Carbon Engineering улавливает около тонны углекислого газа в день, и компания планирует полномасштабную установку, которая будет поглощать миллион метрических тонн (или чуть более 2,2 миллиарда фунтов) CO2 ежегодно. 

Но в отличие от углерода в ископаемом топливе, который поставляется упакованным с энергией благодаря атомам водорода, которые он несет, углекислый газ довольно инертен. Поэтому для того, чтобы добытый углерод был вновь использован в качестве топлива, энергия должна быть впрыснута (в виде новых атомов водорода) обратно в углерод. Исландская компания Carbon Recycling International и другие компании добились огромных успехов в этой области, превратив выбросы CO2 от электростанций в топливо, такое как жидкий метанол.
Стратегия углеродной инженерии заключается в том, чтобы объединить установленные химические процессы, чтобы сначала уменьшить углекислый газ до монооксида углерода, а затем преобразовать его в легкую синтетическую сырую нефть. 
В конце концов, мы могли бы буквально вытягивать наше топливо из воздуха. 

Быстрые Факты
Полярный круг определяется как область, где солнце может светить непрерывно в течение 24 часов. Но поскольку наклон земной оси меняется, Полярный круг перемещается на север почти на 50 футов каждый год. Для удобства большинство геологов признают Арктикой район к северу от 60 градусов широты. 
Добыча полезных ископаемых вблизи южного полюса запрещена с 1998 года в рамках протокола по охране окружающей среды к Договору об Антарктике, ратифицированного 28 странами. Договор будет пересмотрен в 2048 году. 
Несмотря на то, что морская вода разбавлена, она содержит значительные запасы металлов. Начиная с 1970-х годов, японские ученые пытались добывать уран из морской воды, разрабатывая высокоабсорбирующие губки, но они были недостаточно эффективны, чтобы выйти на рынок.
Многие металлы называются автостопщиками, потому что они являются побочными продуктами производства других металлов. Некоторые примеры включают кобальт, Индий, теллур и диспрозий; единственный способ добывать их-это очищать их во время очистки других элементов. 
Согласно докладу ООН от января 2019 года, ежегодно в мире производится около 50 миллионов метрических тонн электронных отходов. В нем скрыты ресурсы на общую сумму около 62,5 миллиарда долларов.
Один из самых известных примеров извлечения ресурсов из воздуха, процесс Хабера-Боша для преобразования азота в аммиак, создал синтетические удобрения и успешные культуры, тем самым подпитывая мировое население до более чем 7,5 миллиардов сегодня. Однако, с другой стороны, он отвечает за 1,4 процента глобальных выбросов углерода.

Похожие материалы:

Так же рекомендуем посмотреть:

Неужели мы одни во Вселенной? Скорее всего, нет.


Ученые нашли первую молекулу во Вселенной


Новое исследование обеспечивает комплексную реконструкцию массового вымирания в конце Перми

Категория: Тайны / Новости / Гипотеза / Наука | Просмотров: 142 | Добавил: admin | Теги: международный орган, щелочной раствор, производство удобрений, углекислый газ, окружающая среда, Ископаемое топливо, Морское дно, добыча астероидов, глубоководная добыча | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
avatar