Чтобы электромобиль проезжал 800 км без подзарядки, авиационная турбина выдерживала нагрев до 1600°C, а генератор ветряной электростанции вырабатывал энергию до 7,5 МВт, инженерам не обойтись без редких и редкоземельных металлов. Благодаря своим физическим и химическим свойствам они позволяют создавать материалы, которые отвечают требованиям современной техники.
Ко Всемирному дню науки в интересах мира и развития, отмечаемому 10 ноября, доктор технических наук, заведующий кафедрой цветных металлов и золота НИТУ МИСИС Вадим Тарасов рассказывает, чем уникальны эти металлы, как сделать их производство более экологичным и как в России развиваются собственные технологии переработки.
Почему без редких металлов не обойтись
Редкие металлы — это широкая группа, включающая в себя более 60 элементов, куда входят лёгкие, тугоплавкие, рассеянные, радиоактивные, а также 17 редкоземельных металлов. Их называют «редкими» не потому, что их мало, а потому, что они редко применялись в начале 20 века из-за сложности их извлечения из природного сырья и получения в чистом виде. Они рассредоточены в недрах в виде мелких примесей среди других пород, их трудно извлекать, они имеют небольшие объемы производства. Термин «редкоземельные» появился в конце 18 века, когда химики называли оксиды «землями».
Благодаря этим металлам инженеры могут уменьшать массу и размеры оборудования, повышать его эффективность и добиваться устойчивой работы в сложных условиях. Например, неодим используют для производства сильных постоянных магнитов, которые сохраняют свойства без постоянного расхода электроэнергии на создание магнитного поля. Литий благодаря своим электрохимическим характеристикам стал одним из основных компонентов современных аккумуляторов. Титановые сплавы сочетают прочность с относительно небольшой массой, а вольфрам отличается высокой твёрдостью и устойчивостью к нагреванию, поэтому его используют, в частности, в твёрдых сплавах для режущего инструмента. Ниобий добавляют в стали для производства труб большого диаметра, чтобы повысить их прочность, а соединения церия используют в катализаторах, ускоряющих химические реакции. Соединения гадолиния применяют в некоторых контрастных препаратах для магнитно-резонансной томографии. При этом значение имеет не только вид металла, но и его содержание в материале. Даже небольшая добавка может повлиять на прочность сплава, его устойчивость к нагреванию или другие характеристики. Поэтому учёные подбирают состав материала под конкретную задачу.
От магнитов до аккумуляторов
В энергетике редкие металлы помогают эффективнее вырабатывать, преобразовывать и хранить электричество. Например, в некоторых ветрогенераторах используют постоянные магниты на основе неодима и празеодима. Благодаря высокой магнитной силе такие материалы позволяют создавать компактные генераторы.
Постоянные магниты применяют и в электродвигателях электромобилей. Их магнитное поле взаимодействует с электрическим током в обмотках двигателя и приводит ротор в движение. Подобные двигатели используют также в промышленной робототехнике, где важны компактность и точность управления движением.
В литийионных аккумуляторах при зарядке и разрядке ионы лития перемещаются между электродами. Такой принцип позволяет многократно накапливать и отдавать энергию. Характеристики батареи зависят, в частности, от состава электродов: в одних типах используют никель, кобальт и марганец, в других обходятся без некоторых из этих элементов. Например, в катодном материале литий-железо-фосфатных аккумуляторов нет никеля и кобальта.
В России развивается собственное производство аккумуляторов для электробусов, электромобилей, спецтехники. В декабре 2025 года ГК «Росатом» открыл первую в стране гигафабрику литийионных батарей в г. Немане Калининградской области. Её проектная мощность составляет 4 ГВт/ч в год.
Запуск предприятия — важный этап развития отечественного производства накопителей энергии, но для устойчивого развития отрасли необходимо также продумать, как обращаться с батареями после окончания срока службы. Из отработавших аккумуляторов можно извлекать металлы и другие материалы, пригодные для повторного использования. Это помогает сократить потребность в первичном сырье и уменьшить количество отходов. При этом эффективность переработки зависит от химического состава батареи, состояния её компонентов и затрат на извлечение ценных материалов.
Транспорт и промышленность: материал под конкретную задачу
В авиации и машиностроении материал выбирают с учётом условий, в которых будет работать деталь. Одни детали должны выдерживать большие механические нагрузки при небольшом весе, другие — окисление, третьи — сохранять прочность при нагревании. Например, ниобий добавляют в некоторые стали для повышения прочности, а вольфрам используют в твёрдых сплавах для инструментов, которыми обрабатывают металлические детали. Такие инструменты должны выдерживать трение и высокую температуру, возникающую при разрезании.
Чтобы получить материал с заданными свойствами, необходимо контролировать состав сплава и условия его изготовления. Даже небольшое отклонение от заданной температуры обработки может изменить структуру и повлиять на прочность готовой детали. Поэтому металлурги используют компьютерное моделирование и цифровые системы контроля. Математические модели помогают заранее оценить, как изменение состава сплава или режима обработки повлияет на его структуру и свойства. Затем расчёты проверяют экспериментами. Такой подход позволяет отбирать перспективные варианты до проведения дорогостоящих испытаний и быстрее находить подходящие режимы производства.
От его износостойкости зависит, как часто придётся заменять детали, а значит, сколько сырья и энергии потребуется для производства новых компонентов. Если конструкция позволяет ремонтировать изделие и разбирать его на отдельные части, некоторые компоненты можно использовать дольше. После окончания срока службы оборудования ценные материалы проще извлечь и направить на переработку.
Как в России развиваются собственные технологии переработки
В России есть месторождения редкоземельного сырья и предприятия, работающие с редкими металлами. Однако между добычей руды и выпуском готового изделия лежит несколько технологических этапов: сырьё нужно обогатить, выделить полезные элементы, очистить их от примесей и получить материалы с заданными характеристиками.
Один из ключевых этапов — разделение редкоземельных элементов. Так, в июне 2024 г. было запущено опытное производство по разделению редкоземельных металлов из коллективного концентрата. Технологию разработала компания «Русредмет» по заказу горнорудного дивизиона «Росатома». Она позволяет получать отдельные соединения редкоземельных элементов, в том числе лантана, церия, празеодима и неодима, которые востребованы в высокотехнологичных отраслях.
Кто будет создавать материалы для новых технологий
Развитие таких производств требует инженеров, которые понимают, как состав сырья и условия обработки влияют на свойства готового материала. Они должны уметь выбирать технологии извлечения металлов, рассчитывать расход энергии и химических веществ, контролировать качество продукции и находить способы сократить потери ценных компонентов. Не менее важны навыки компьютерного моделирования и оценки воздействия производственных процессов на окружающую среду.
В НИТУ МИСИС, например, есть программа специализированного высшего образования «Металлы высоких технологий», реализуемая в рамках пилотного проекта по совершенствованию высшего образования. Студенты изучают методы переработки сырья, ресурсо- и энергосбережение, цифровизацию и моделирование металлургических процессов, работают над исследовательскими проектами и проходят практику на профильных предприятиях.
От того, насколько успешно им удастся решить перечисленные выше задачи, во многом зависят технологическое лидерство и устойчивое развитие российской промышленности.
