Редкие металлы

Многие редкие металлы, долгое время почти не находившие применения, сейчас широко используются в мире. Они вызвали к жизни  целые новые области современной  промышленности, науки и техники - такие, как солнечная энергетика, сверхскоростной транспорт на магнитной  подушке, инфракрасная оптика, оптоэлектроника, лазеры, ЭВМ последних поколений.  

 Используя низколегированные  стали, содержащие всего 0,03-0,07% ниобия и 0,01-0,1% ванадия, можно  на 30-40% снизить вес конструкций  при строительстве мостов, многоэтажных  зданий, газо- и нефтепроводов, геологоразведочного бурильного оборудования и т. п. При этом срок службы конструкций увеличивается в 2-3 раза.  

 Магниты с использованием  сверхпроводящих материалов на  основе ниобия дали возможность  построить в Японии поезда  на воздушной подушке, развивающие  скорость до 577 км/ч.  

 В рядовом американском  автомобиле используется 100 кг стали  марки HSLA с ниобием, ванадием, редкими землями, 25 деталей из  медно-бериллиевых сплавов, цирконий, иттрий. При этом вес автомобиля  в США (с 1980 по 1990 год) уменьшился  в 1,4 раза. С 1986 года автомобили  начали оснащаться неодимсодержащими магнитами (37 г неодима на один автомобиль).  

 Интенсивно разрабатываются  электромобили с литиевыми аккумуляторами, автомобили на водородном топливе  с нитридом лантана и другие.  

 Американская  фирма "Вестингауз" разработала высокотемпературные топливные элементы на основе оксидов циркония и иттрия, которые повышают кпд тепловых электростанций с 35 до 60%.  

 За счет внедрения  энергоэкономичных осветительных приборов и электронной аппаратуры, сделанной с использованием редких элементов, США предполагают сберегать до 50% электроэнергии из 420 млрд.

кВт/часов, расходуемых  на освещение. В Японии и США созданы  лампы с люминофорами, содержащими  иттрий, европий, тербий, церий. Лампы  мощностью 27 Вт с успехом заменяют 60-75-ваттные лампы накаливания. Расход электроэнергии на освещение снижается  в 2-3 раза.  

 Использование  солнечной энергии невозможно  без галлия. НАСА США планирует  оборудовать космические спутники  солнечными элементами на основе  арсенида галлия.  

 Чрезвычайно высоки  темпы роста потребления редких  металлов в электронике. В 1984 году стоимость мирового сбыта  интегральных схем с использованием  арсенида галлия составляла 30 млн.  долларов, в 1990 году она уже  оценивалась в 1 млрд. долларов.  

 Применение редкоземельных  элементов (редких земель) и редкого  металла рения при крекинге  нефти позволило США резко  снизить использование дорогостоящей  платины, при этом повысить  кпд процесса и увеличить на 15 процентов выход высокооктанового  бензина.  

 В Китае успешно применяются редкие земли в сельском хозяйстве для удобрения риса, пшеницы, кукурузы, сахарного тростника, сахарной свеклы, табака, чая, хлопка, арахиса, фруктов, цветов. Урожай продовольственных культур увеличился на 5-10%, технических - более чем на 10%. Улучшилось качество пшеницы за счет более высокого содержания протеина и лизина, увеличилась сахаристость фруктов, сахарного тростника и свеклы, улучшилась окраска цветов, повысилось качество чая и табака.  

 В Казахстане  по рекомендации российских ученых  была применена разработанная  Ф. В. Сайкиным новая методика  использования редких земель  в сельском хозяйстве. Опыты  провели на больших площадях  и получили великолепный эффект - увеличение урожайности хлопка, пшеницы и других культур на 65%. Столь высокая эффективность  была достигнута , во-первых, благодаря тому, что использовали не смеси всех редких земель одновременно, как это практиковалось в Китае, а только один неодим (поскольку некоторые из лантаноидов не способствуют повышению урожайности, а наоборот - понижают ее). Во-вторых, не проводили, как это делают в Китае, трудоемкого опрыскивания сельскохозяйственных растений в периоды их цветения. Вместо этого только замачивали зерно перед посевом в водном растворе, содержащем неодим. Эта операция много проще и дешевле.  

 До последнего  времени иттрий использовался  в технике чрезвычайно редко,  и добыча его была соответствующей  - исчислялась килограммами. Но вот  оказалось, что иттрий способен  резко увеличивать электропроводность  алюминиевого кабеля и прочность  новых керамических конструкционных  материалов. Это обещает весьма  большой экономический эффект. Интерес  к иттрию и к иттриевым лантаноидам  - самарию, европию, требию значительно вырос.  

 Скандий (его  цена одно время была на  порядок выше цены золота) благодаря  уникальному сочетанию целого  ряда своих свойств теперь  пользуется сверхповышенным интересом в авиационной, ракетной и лазерной технике.

Детальное описание иллюстраций:

 Названия "редкие  металлы", "редкие элементы", "редкоземельные элементы" - не  совсем правильны, потому что эти химические элементы вовсе не такие уж редкие. Их среднее содержание в земной коре сопоставимо или даже выше, чем большинства широко используемых нами в повседневной жизни металлов. Например, таких редких металлов, как скандий, церий, лантан, литий, иттрий, ниобий, галлий, в земной коре содержится примерно столько же, сколько хрома, цинка, никеля, меди, свинца. А стронция, циркония, рубидия - даже на порядок больше. Полвека назад считали, что редкие элементы не способны образовывать крупные месторождения и высокие концентрации в руде. Сейчас мы знаем, что это не так, что учтенные мировые запасы, например, ниобия, лития и цериевых земель не уступают запасам титана, никеля и превышают запасы свинца и олова. В наиболее крупных месторождениях цериевых земель, ниобия, лития, стронция, циркония, ванадия хранятся миллионы тонн этих ценнейших редких металлов. По способности концентрироваться в рудах промышленных месторождений редкие элементы не уступают, а часто даже превосходят цветные и малые металлы. Может быть, правильнее было бы называть эти металлы не редкими, а новыми, как предлагал академик В. И. Смирнов. Ведь все редкие элементы открыты за последние 60-220 лет, а использование их в промышленности по-настоящему началось только 20-40 лет назад. Пирамида наглядно показывает распространенность химических элементов в земной коре. В "шпиле" уместились редкие и некоторые малораспространенные металлы. 

Универсальная ракетно-космическая  транспортная система "Энергия" на космодроме Байконур. В ее состав входят мощная ракета-носитель и орбитальный  корабль многоразового пользования "Буран". Чтобы изготовить сверхлегкие  материалы для этой сложнейшей транспортной системы, были использованы редкие металлы. 

Современные отечественные  автомашины возят в основном сами себя. Например, в "Жигулях" из 1400 кг их общего веса полезный груз составляет менее одной трети. Не лучше соотношение  полезного груза и общего веса у железнодорожных составов, особенно пассажирских, у самолетов, у водных судов. Сплавы на основе легких и редких металлов позволяют исправить столь  несуразное соотношение.