Происхождение. Как Земля создала нас - Льюис Дартнелл

Практически все железо, которое мы добывали с древности до наших дней, отложилось за 200 миллионов лет Кислородной катастрофы 2,42 миллиарда лет назад в виде полосчатых железистых формаций. В этом смысле сегодняшнее голубое небо, животворящий воздух, который мы вдыхаем полной грудью, и железо, тысячелетиями снабжавшее наши цивилизации орудиями труда, глубоко взаимосвязаны. Но у кислорода есть и другое полезное свойство: он позволяет нам применять огонь.

На протяжении 90 % истории планеты огня на Земле не было. При извержениях вулканов в атмосфере не хватало кислорода на поддержание горения[388]. Таким образом, повышение кислорода не только обеспечило условия для развития сложных форм жизни на Земле, но и подарило человечеству огонь как инструмент. Первоначально мы применяли его, чтобы защититься от ночного холода и затаившихся хищников, готовить еду и расчищать землю. Человечество научилось обращать себе на пользу его преобразующий жар: обжигать глину, чтобы получалась твердая керамика и строительные кирпичи, изготавливать стекло, выплавлять металлы для инструментов. Сегодня мы применяем огонь, чтобы вырабатывать электричество и обеспечивать великое множество промышленных процессов, и заставляем крошечные огненные взрывы служить нам в цилиндрах автомобилей. В наши дни жизнь без огня невозможна в той же мере, что и жизнь наших предков времен палеолита, которые теснились вокруг костра, – просто мы прячем огонь за кулисы современного мира.

В Древнем мире широко применялись лишь некоторые металлы, в том числе медь и цинк в составе бронзовых орудий, железо в стальном оружии и орудиях труда, свинец в водопроводе и драгоценные металлы – золото и серебро – в украшениях, драгоценностях и монетах. Эти металлы сохраняют свою важность и в современном мире, поэтому мы, в сущности, до сих пор живем в железном веке. Железо, в основном сталь, составляет 95 % всего металла, используемого в современной индустриальной цивилизации. Мы не можем обойтись и без других металлов, однако области их применения заметно изменились. Например, медь первоначально служила важным компонентом сплавов, из которых делали орудия труда в бронзовом веке, но с изобретением выплавки железа и с распространением этого более качественного металла медь утратила свое значение и торговля ею пошла на спад. Однако в последние два столетия медь наверстала упущенное как относительно распространенный металл, обеспечивающий проводку для нашего электрифицированного мира. Мы используем все тот же металл из бронзового века, однако теперь задействуем другие его свойства, что отражает научно-технический прогресс с течением истории.

Мы научились применять и новые металлы. Пожалуй, самый очевидный пример – это алюминий, самый распространенный металл в земной коре (около 8 %), но извлечь его из каменистых руд невероятно трудно. Мы сумели наладить дешевое массовое производство алюминия только в конце XIX века, когда пропустили электричество через расплавленную руду. После этого он стал широко применяться как строительный материал и для упаковки пищи. В частности, алюминий очень легок, поэтому заявил о себе с распространением авиации после Первой мировой войны. Однако особенно сильно ассортимент металлов, которые использует наше технологическое общество, расширился в последние десятилетия.

Как вы думаете, сколько разных металлов сейчас при вас? Пять? Десять? Вы не поверите, но сегодня в одном карманном электронном устройстве задействовано больше 60 различных металлов. В это число входят и базовые металлы – медь, никель и олово, – и металлы особого назначения – кобальт, индий и сурьма, – и драгоценные металлы: золото, серебро и палладий[389]. Каждый из них ценится за особые электронные качества или идет на крошечные мощные магниты в динамике и вибрационном моторе. Стабильных (нерадиоактивных) химических элементов 83, и их них около 70 применяются в изготовлении электронных потребительских товаров вроде смартфонов[390], а следовательно, вы носите в кармане около 85 % всех доступных элементов из таблицы Менделеева.

Такой широкий ассортимент металлов идет не только на электронику. Высокоэффективные сплавы, применяющиеся в турбинах электростанции или в двигателе реактивного самолета, состоят более чем из десятка металлов, а катализаторы в химической промышленности, в том числе и участвующие в изготовлении современных лекарств, создаются с участием более 70 различных металлов. Однако большинство из нас о многих важнейших металлах даже и не слышали – это элементы с экзотическими названиями вроде тантала, иттрия и диспрозия.

Расширение диапазона полезных металлов просто поражает. Современные микросхемы могут содержать около 60 разных металлов, а еще в девяностые годы прошлого века их было около 20[391]. Возьмем, к примеру, индий. Этот металл открыли в 1863 году, а во время Второй мировой войны им покрывали детали авиационных двигателей, чтобы защитить от коррозии. Однако широкое применение индия началось только в девяностые годы ХХ века, когда экраны электронных устройств стали покрывать тонкой пленкой оксида индия-олова, поскольку он обладает редким сочетанием полезных свойств: оксид металла, который одновременно и прозрачен, и проводит электричество. Сегодня индий применяется во всем, от телевизоров с плоским экраном до ноутбуков, а особенно в сенсорных экранах современных смартфонов и планшетов[392]. Так же обстоят дела и с галлием – он был открыт через несколько лет после индия, однако нашел широкое применение лишь в эру электроники: сегодня он применяется в интегральных микросхемах, солнечных батареях, голубых светодиодах и лазерных диодах для дисков Blu-ray.

Большинство этих металлов с экзотическими названиями принадлежат к одной из двух групп – редкоземельные металлы и металлы платиновой группы. Металлы из этих групп химически очень схожи, а следовательно, концентрируются в одних и тех же минералах и добываются в ходе сепарационных процессов одновременно. Таких металлов примерно два десятка, и они и в самом деле определяют облик нашей технологической эпохи: свыше 80 % случаев их применения произошли после восьмидесятых годов прошлого века[393]. А если они – главные составляющие нынешней технологической эпохи, тем важнее станет их роль в будущем, когда мы отойдем от нынешней углеродной экономики. Именно они обеспечивают нам компактные, но мощные магниты, необходимые для генераторов в ветряных турбинах и моторов электромобилей, а также аккумуляторные батареи большой емкости.

Семнадцать редкоземельных металлов – это лантаниды, группа элементов из шестой строки таблицы Менделеева, а также химически похожие на них элементы скандий и иттрий. Правда, название «редкоземельные» не вполне удачно – не так уж и редко они встречаются в горных породах нашей планеты, не считая радиоактивного прометия, которого во всей земной коре не больше полкило[394]. Например, лантана на Земле почти столько же, сколько меди и никеля, и в три раза больше свинца. И все редкоземельные металлы распространены по меньшей мере в двести раз больше золота.