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. 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, 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. 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. 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. 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. 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.

Поэтому сложность не в наличии этих металлов в земной коре, а в том, как их оттуда добыть. Поскольку редкоземельные металлы химически схожи и поэтому встречаются в одних и тех же минералах, это означает, что их трудно изолировать друг от друга и выделить в чистом виде. Еще больше хлопот причиняют предельные концентрации, в которых они встречаются в породах. Многие другие металлы концентрируются в богатых рудах в результате особых геологических процессов, например при возникновении полосчатых железистых формаций и толстых серебряных жил, проходящих через Серро-Рико, к чему мы вернемся в главе 8. Однако химия редкоземельных металлов такова, что они не склонны создавать обогащенные высококачественные руды, а по большей части распределены по породе в небольших концентрациях. Следовательно, в целом их добыча экономически бессмысленна: она обходится дороже, чем стоимость самих металлов. Поэтому географических регионов, где можно вести прибыльную добычу редкоземельных металлов, в мире не так уж много. Сегодня их добывают в небольших количествах в Индии и Южной Африке, но с девяностых годов прошлого века подавляющее большинство мировой добычи сосредоточено в Китае.

Шесть металлов платиновой группы – родий, рутений, палладий, осмий, иридий и платина – собраны в середине таблицы Менделеева и, подобно редкоземельным металлам, химически схожи, что опять же означает, что они обычно встречаются все вместе в одних и тех же минеральных залежах. Однако в отличие от своих редкоземельных собратьев металлы платиновой группы и в самом деле редки и драгоценны. Они принадлежат к самым редким стабильным элементам в земной коре, и некоторые встречаются в миллионы раз реже меди. Платина – один из самых распространенных металлов в этой группе, но ее общемировая добыча составляет всего несколько сотен тонн в год – сравните с 58 миллионами тонн алюминия или миллиардом с лишним тонн чугуна. Иридий особенно редок, в земной коре его всего одна миллиардная часть – в среднем 1000 тонн пород из земной коры содержат не более 1 грамма иридия. Подобно другим металлам платиновой группы (и золоту), иридий – сидерофильный элемент, поэтому почти все их запасы, присутствовавшие на юной Земле, погрузились в ее недра вместе с железом и вошли в состав ядра нашей планеты.

Металлы платиновой группы называют еще и благородными, поскольку они устойчивы к химическому воздействию и коррозии даже при высоких температурах. Поскольку платина редкая и нереактивная, она хорошо подходит для драгоценностей, и примерно треть общего объема этого металла, продаваемого в год, идет на украшение наших тел. Но в отличие от других драгоценных металлов, в том числе золота, которое в наши дни служит в основном для ювелирных украшений и сохранения сбережений, а в промышленности применяется лишь 10 % всего золота, в основном в качестве электрических контактов, у металлов платиновой группы много практических применений: их используют и в турбинных двигателях, и в свечах зажигания, и в компьютерных микросхемах, и в жестких дисках, и в контактах кардиостимуляторов.

Платина идет в основном на каталитические дожигатели выхлопных газов в двигателях внутреннего сгорания, позволяющие снизить выброс вредных газов, и на катализаторы в химической промышленности. Они применяются при очистке бензина и создании лекарств – антибиотиков и витаминов, – а также в производстве пластика и синтетической резины. Однако самую важную роль платина, пожалуй, играет в сельском хозяйстве. Здесь она служит катализатором химического процесса, производящего искусственные удобрения, при котором, в сущности, добывают азот из воздуха. По оценкам, в наши дни этот металл помогает прокормить примерно половину человечества.

Поскольку металлы платиновой группы так редки, их можно добывать только из пород, в которых они содержатся в значительно более высокой концентрации, чем в среднем в земной коре. Это происходит в местах, прошедших довольно хитроумный геологический процесс. Металлы платиновой группы могут обогащать некоторые медные и никелевые руды, поэтому отчасти их добыча – побочный продукт производства этих промышленно значимых металлов. В частности, это происходит в шахтах близ российского города Норильска, где разрабатывают залежи, которые сформировались при извержении лавы, создавшем Сибирские траппы в конце пермского периода, 250 миллионов лет назад, и в кратере Садбери в Канаде. Кратер Садбери – один из крупнейших и старейших кратеров на Земле, оставшихся после падения астероидов. Изначально он достигал 250 километров в диаметре, а образовался 1,85 миллиарда лет назад, когда в нашу планету врезался астероид диаметром более 10 километров. Эта колоссальная дыра в земле наполнилась магмой, содержавшей медь, никель, золото и металлы платиновой группы, а затем она кристаллизовалась в богатые руды. Однако, безусловно, самый изобильный источник металлов платиновой группы – это один-единственный регион в Южной Африке. Около 95 % мировых резервов металлов платиновой группы залегают в так называемом Бушвельдском комплексе.

Бушвельдский комплекс – одно из самых богатых металлами мест в мире. Это огромный округлый, как блюдце, кусок магматической породы, примерно 450 на 350 километров в размерах и толщиной местами до 9 километров. Он возник около 2 миллиардов лет назад, вскоре после того, как в океанах по всему миру образовались полосчатые железистые формации, когда гигантская масса магмы подошла к поверхности всего на несколько километров, а потом медленно остыла под землей. По мере остывания магмы в ней выделялись и отвердевали различные минералы, так что получилось что-то вроде большого слоеного торта. Один из этих слоев был обогащен металлами платиновой группы до уровня около десяти частей на миллион – значительно больше, чем почти все другие породы, но все же это дает лишь около пяти граммов платины и палладия на каждую тонну руды. Какие необычные геологические условия привели к почти тысячекратному увеличению концентрации редких металлов платиновой группы, до сих пор неясно, но так или иначе прошло 2 миллиарда лет, и мы добываем из этого тонкого слоя львиную долю нужных нам металлов этой группы.

Исторически металлы ценились за механическую прочность – из них делали оружие и орудия труда. Сегодня мы по-прежнему применяем широкий ассортимент металлов в строительстве, а высокопрочные славы служат нам верой и правдой в транспорте, промышленности и производстве электроэнергии. Однако мы научились еще и использовать огромное множество металлов в качестве катализаторов для ускорения химических реакций, что, как мы только что узнали, помогает прокормить население Земли, а также в составе электронных компонентов современной техники. Многие такие металлы, ставшие основой современного мира, в отличие от древних металлов вроде меди и железа, не встречаются в виде богатых руд, и Земля снабжает нас ими только в отдельных местах, где сложились уникальные геологические условия. Более того, несколько металлов, о которых мы говорили в этой главе, сегодня считаются исчезающими элементами таблицы Менделеева.