Ветрогенераторы, смартфоны или электромобили немыслимы без высоких технологий. Новые технологии помогают получать желанный металл из отходов производства и снизить тем самым зависимость от Китая.
Катастрофы, как правило, приносят страдания и разочарования. Но иногда они активируют творческие силы и запускают процессы изменения, как это произошло в Японии, когда в 2011 году гигантская волна опустошила побережье.
Цунами затронуло и японские заводы компании Honda. На протяжении многих дней производство простаивало. Но это была не единственная проблема для автопроизводителя. Волна разрушила во всем регионе целые автозаводы. Сотни новых гибридов Honda оказались погребенными под илом. Предприятиям был нанесен миллионный ущерб. Однако это заставило инженеров задуматься.
В это же время в пять раз возросли цены на один из важнейших видов сырья бурно развивающейся высокотехнологичной индустрии – так называемые редкоземельные элементы. Это такие вещества, как неодим, европий, тербий, которые используются для изготовления многих важных продуктов – не только автомобильных аккумуляторов, но и смартфонов, ветрогенераторов, динамиков и систем Hi Fi.
Несмотря на свое необычное название, редкоземельные элементы представляют собой металл с особыми свойствами. Они заставляют лампы светиться, очищают выхлопные газы и придают деталям двигателя магнитные свойства.
Причиной роста цен явилось то, что Китай, ведущий экспортер редкоземельных элементов, снизил поставки. В результате с трудностями столкнулись высокотехнологичные предприятия по всему миру, потому что растущие цены на их рынках являются катастрофой.
Это значит, что предприятия должны научиться обращаться с материалом эффективнее.
Инженеры компании Honda решили научиться возвращать редкоземельные элементы. До них на это никто не решался в подобном объеме. Но эксперты нашли путь для решения вопроса. И вдруг их автомобили, находящиеся буквально на помойке, благодаря редкоземельным элементам в своих аккумуляторах, приобрели стоимость, равную в пересчете практически одному миллиону евро.
Для развития этого метода автопроизводитель начал сотрудничество с химическим концерном Japan Metals&Chemicals в Токио. Вначале инженеры разобрали аккумуляторы, отделили пластиковые и металлические детали и растворили находящееся внутри вещество в кислоте. При помощи электрического метода из этой жидкости можно было выделить 80% редкоземельных элементов. Ранее это не удавалось ни одному автопроизводителю.
Инновационный порыв, который реализовала компания Honda, охватил всю высокотехнологичную индустрию. На свет появилось множество новых идей. Такие технологические концерны, как и Siemens, химический концерн BASF, производитель ламп Osram и автопроизводитель Daimler работают над методами выделения редкоземельных элементов в крупном масштабе.
Редкоземельные элементы развиваются в направлении замкнутой экономики
Высокотехнологическая отрасль редкоземельных элементов развивается в направлении замкнутой экономики, в которой сырье каждый раз перерабатывается и используется вновь.
Около 15 тысяч тонн редкоземельных веществ используются в Европе после переработки этих продуктов. К такому выводу пришел Ален Ролла (Alain Rollat), менеджер по технологиям компании Solvay-Rhodia, единственного европейского производителя желанных металлов со штаб-квартирой в Брюсселе. Предприятие производит благородные вещества, выделяя их из тысяч тонн руды.
Honda с апреля 2012 года возвращает все вышедшие из употребления гибридные автомобили и электромобили и перерабатывает их с целью получения ценных веществ. С этого момента японцам требуется все меньше импорта в этой сфере из Китая.
Цены на 17 различных видов редкоземельных элементов частично снизились с 2012 года на 50%. Но эксперты говорят о новых возможных трудностях. Потребность в некоторых элементах не покроется до 2030 года, говорится в федеральном ведомстве по геологическим наукам и сырью в Ганновере. В 2008 году предприятия по всему миру использовали 124 тысяч тон редкоземельных элементов. В конце десятилетия эта цифра должна увеличиться вдвое. Компания Rhodia говорит о возможном дефиците тербия и диспрозия для магнитов и иттрия для микроволновых приборов и ламп уже в 2014 году.
Потенциал для добычи этих элементов огромен. Ранее предприятия перерабатывали лишь один процент редкоземельных элементов, оценивают эксперты Левенского университета в Бельгии.
По оценкам исследователей, при помощи переработки мировая потребность промышленности может быть покрыта на 20%. Тем самым снизится и зависимость от Китая.
Но это не все. Промышленность рассматривает дорогие виды сырья в своих продуктах как собственность, которую отдают очень неохотно, говорит Гюнтер Маассен (Gunther Maassen) из немецкой компании по продаже металлов Haines&Maassen в Бонне. Но для этого продукты необходимо создавать по-другому – так, чтобы дорогие элементы действительно можно было сохранить. Этому как раз учится Daimler. В одних только двигателях электромобилей и гибридов находится один килограмм редкоземельных элементов в форме магнитов.
Daimler пока не использовал метод переработки, потому что эти элементы довольно труднодоступны. «Это не выгодно с экономической точки зрения», – говорит Тобиас Элверт (Tobias Elwert), эксперт по переработке Технического университета Билефельда.
В этой связи Daimler стремится в будущем строить автомобили с простыми двигателями, стремясь к тому, чтобы их можно было разобрать автоматически. Как это можно достичь – этот вопрос концерн как раз решает в проекте MORE MOtotREcycling. Каждый месяц Daimler направляет вышедшие из строя электродвигатели в университет Эрлангена. Там происходит их разборка.
Сильный удар булавой, жесткие магнитные диски отделяются – их в двигателе от 20 до 400. Потом приближается стальная колодка. Сила притяжения между магнитом и колодкой сильнее, чем между магнитом и двигателем. Таким образом, ценные пластины могут быть отделены в течение нескольких секунд.
В качестве следующего шага исследователи разрабатывают целую фабрику, единственной функцией которой является разборка старых двигателей. Федеральное правительство поддерживает разработку этого метода и направляет на эти цели 5,1 миллиона евро. Этот метод будет реализован и готов для промышленного использования максимум через десять лет.
С разобранными магнитами до недавнего времени существовала одна проблема. Их было два типа – на основе неодима и на основе самария. Оба типа внешне не отличаются друг от друга. Но если их смешать, из итогового материала уже вряд ли получится магнит, потому что сила притяжения у него слишком мала.
Но и здесь, кажется, назревает решение. Это физико-механический способ отделения, который несколько месяцев назад представил химик Маркус Тегель (Markus Tegel) из Института техники и прикладного исследования материалов имени Фраунгофера в Дрездене.
Поскольку Тегель еще не запатентовал свое изобретение, он не раскрывает детали. Но он уверяет, что ежечасно тонны различных магнитов таким образом отделяются друг от друга. В настоящее время он ведет переговоры с различными промышленными партнерами, которые хотят вывести технику на рынок.
В этом случае «чистые» магниты можно будет использовать напрямую в двигателях. Для этого исследователи размалывают магнит до состояния порошка. Под высоким давлением он в результате укладывается в желаемую форму и «выпекается» при температуре 1000 градусов Цельсия. Таким образом, возникает новый магнит – практически в любой желаемой форме.
Это тема широко обсуждается не только такими промышленными гигантами как Siemens или Daimler. Около трети редкоземельных элементов оказываются в магнитах, их используют в разных сферах – от компьютеров, динамиков и электромобилей до электрогенераторов. Всем им для движения необходимы крупные магниты. Неудивительно, что Тегель пришел к выводу, что «практически все предприятия, имеющие дело с электромоторами, занимаются переработкой».
Креативные французы
Что касается переработки редкоземельных элементов, творческий подход в этом вопросе проявили французы. В течение последних нескольких лет европейским потребителям запрещено выбрасывать энергосберегающие лампочки вместе с бытовыми отходами, потому что они содержат ядовитую ртуть. Но не было обращено внимание на то, что белое напыление на стекле тоже содержит несколько граммов редкоземельных элементов.
Solvay-Rhodia превратил отслужившие свой срок лампы в источник сырья и активно инвестирует в новую технику. С 2009 года предприятие вложило в новые методы 15 миллионов евро. Это может стоить того: каждый год предприятия и потребители по всему миру собирают около 80 тысяч тонн использованных ламп, тем самым получая несколько тонн редких веществ.
При использовании старых методов использованные лампы оказывались в своего рода комбайне, где их измельчали и превращали в порошок и белую кашицу. После прохождения различных фильтров отсеивалось стекло и частички металла. В итоге получалось два миллиграмма ртути на лампочку.
Альтернатива использованию редкоземельных элементов
Ранее промышленность не знала, как же использовать оставшееся сырье в белом расвторе. Жидкость заливалась цементом и отправлялась в специальные мусорные свалки, где хоронил тысячи тонн редкоземельных элементов. «Безвозвратно, поскольку из цемента никогда не удастся что-то вновь добыть», – говорит Фредерик Каренкотт (Frederic Carencotte), бизнес-директор Rhodia. «Мы уже пробовали», – отмечает он.
С мая 2012 года французский эксперт Rhodia выделил тысячи тонн белого порошка из люминесцентных и энергосберегающих ламп. Даже из США кораблями завозятся пользующиеся спросом отходы. Французам удается получить из него шесть видов редкоземельных элементов, среди которых дорогие европий и тербий. В прошлом году удалось получить около 500 тонн.
Для Rhodia отходы становятся важным ресурсом. С 2012 года предприятие получает сотни тонн производственных отходов от производителей магнитов и остатки от переработки аккумуляторов, богатые редкоземельными элементами. В первую очередь, привлекательным французский объект по производству редкоземельных элементов делают огромные горы мусора промышленных стран. Между тем, менеджеры размышляют о создании нового завода. «Точно не в Китае, возможно, в Европе», – говорит Ролла. Другие производители редкоземельных элементов, например, американский конкурент Molycorp, хотят достичь уровня французской модели.
Ресурсы Земли ограничены. В компьютерной отрасли и отрасли по производству сотовых телефонов в среднесрочной перспективе ожидаются трудности в снабжении редкоземельными металлами. При этом большие запасы находятся буквально перед нашей дверью. Urban Mining хочет сделать эти резервы пригодными для использования.
Но переработка – это не единственный путь решения сырьевой проблемы. Toyota объявила о планах производства электромобилей без использования этих веществ. Японский производитель электроники Hitachi разработал мотор, не содержащий редкоземельных элементов. Daimler также работает над новой двигательной установки, в которой не будут использованы редкие металлы.
Но, несмотря на все усилия, избежать в производстве 17 элементов в будущем не удастся, отмечает Дорис Шюлер (Doris Schüler), эксперт по редкоземельным элементам из Института по вопросам экологии. Их свойства во многих аспектах уникальны. Новый тренд, который наблюдает компания Maassen, подтверждает эту оценку. Предприятия хотят забронировать редкоземельные элементы, как и золото, в качестве «подушки безопасности», потому что в какой-то момент полезные ископаемые станут той ценностью, которую лучше не выпускать из рук. И тогда все поймут, что переработка ценных веществ в будущем станет неизбежной, как сегодня это происходит со старым золотом.
