Топ-10 направлений применения редкоземельных металлов
Институт статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ с помощью системы анализа больших данных iFORA определил наиболее перспективные направления применения редкоземельных металлов (РЗМ) в мире в текущем десятилетии.
Справочно: Система интеллектуального анализа больших данных iFORA разработана ИСИЭЗ НИУ ВШЭ с применением передовых технологий искусственного интеллекта и включает более 750 млн документов (научные публикации, патенты, нормативная правовая база, рыночная аналитика, отраслевые медиа, материалы международных организаций, вакансии и другие виды источников). В 2020 г. iFORA отмечена в журнале Nature в качестве эффективного инструмента поддержки принятия решений в интересах бизнеса и органов власти. ОЭСР относит систему к успешным инициативам в области цифровизации науки.
Редкоземельные металлы (к ним относят 17 элементов: скандий, иттрий, лантан и 14 лантаноидов) имеют критическое значение для высокотехнологичного производства — от катализаторов до мобильных телефонов и электротранспорта. Значимость РЗМ определяют прежде всего сложность и дороговизна их добычи: эти металлы не встречаются сами по себе в крупных концентрированных месторождениях, а находятся среди других элементов. В процессе добычи, переработки и плавки РЗМ выделяются токсичные побочные продукты (в некоторых случаях и радиоактивные), для развития индустрии нужны наиболее передовые и безопасные технологии.
Справочно: В эпоху массового распространения электронных устройств, всеобщей цифровизации экономики и общества значимость РЗМ возросла многократно и приобрела геополитический оттенок. Спрос на РЗМ растет во всем мире, прежде всего со стороны КНР — лидера по объемам производства и потребления редкоземельной продукции (Китай — фактически глобальный монополист, занимает около 70% всей добычи РЗМ и 90% переработки). Другой ключевой потребитель — США. РЗМ стали одним из мощных инструментов торгово-экономической конфронтации этих двух стран. С середины 2010-х гг. на мировой рынок РЗМ существенно влияют квоты китайского правительства на их добычу, выплавку и разделение. Доминирование КНР на этом рынке вызвало волну санкций со стороны США. В 2022 г. Конгресс США запретил американским компаниям использовать китайские редкоземельные магниты для целей национальной обороны. Китай на это ответил ограничением экспорта технологий извлечения РЗМ и ужесточением правил передачи технологий на ряд смежных решений.
Редкоземельные металлы и их соединения применяются для двух основных задач — производства магнитов и улучшения свойств различных материалов и компонентов (катализаторы, стеклокерамика, порошки, электроды, сплавы и др.) (табл. 1).
Почти треть всех используемых в мире РЗМ приходится на постоянные магниты (№ 1), и к 2030 г. эта доля может еще вырасти. Такие магниты намного мощнее других видов (керамических, магнитной стали и др.), обладают высокой устойчивостью к размагничиванию и имеют широкий спектр применения — от микроэлектроники до нового транспорта и медицины. Так, без неодимовых магнитов невозможно создать ни один аппарат магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Присутствуя в виде добавок в полупроводниковых материалах (№ 2), магниты на основе РЗМ позволяют улучшать генерацию звука в смартфонах, считывание и записывание данных на жесткие диски; обеспечивают чистоту и целостность готовых устройств.
Постоянные магниты поддерживают технологию бесконтактной левитации в поездах на магнитной подушке, способных развивать скорость до 600 км/ч. РЗМ еще используют для выпуска целого ряда автокомпонентов (№ 9), включая автомобильные двигатели, трансмиссию, нейтрализаторы. В электромобилях и гибридных автомобилях используют никель-металлогидридные аккумуляторные батареи (№ 8) на основе редкоземельного лантана (высокая сложность его отделения от других металлов значительно повышает стоимость конечных решений, в обозримом будущем данный вид аккумуляторов вытеснят более дешевые литий-ионные батареи).
Добавление РЗМ в металлические сплавы (№ 3) в качестве легирующих компонентов позволяет оптимизировать свойства железа, алюминия, кобальта и других металлов и придавать им новые (включая магнетизм, прочность и термостойкость). С помощью РЗМ также легируют различные элементы лазеров (№ 4): лазерные кристаллы, стекла, керамику, твердотельные лазерные усилители. Некоторые РЗМ необходимы для производства обладающих уникальными свойствами фотолюминесценции высокопрочных стекол, которые применяют в лазерах, оптических усилителях, датчиках, а также в кремниевых солнечных элементах. Широко применяют РЗМ (или их оксиды) в стекольной промышленности (№ 5), в частности для производства листового, медицинского стекла, оптических линз, мониторов с плоским экраном и др.
Добавление РЗМ в качестве стабилизаторов и вспомогательных веществ при производстве сверхпроводящих и термостойких керамических изделий (№ 6) улучшает огнеупорные свойства керамики, которая используется, например, для создания топливных элементов, различных термозащитных покрытий, режущих инструментов, а также зубных протезов. РЗМ являются важными компонентами функциональной керамики, из которой, например, изготавливают оборудование для обработки сигналов, датчики, полупроводниковые устройства и др.
Несмотря на растущее значение РЗМ для высокотехнологичных производств, в традиционных отраслях эти металлы также продолжают активно использовать, эксплуатируя такие их качества, как высокая термическая и химическая стабильность и взаимозаменяемость с другими элементами. Значительные объемы РЗМ приходятся на производство катализаторов (№ 7), которые используют в нефтепереработке, фильтрах очистки выхлопных газов и др. Еще они присутствуют в составе полировальных порошков (№ 10), которые, в свою очередь, нужны для производства линз, полупроводниковых материалов и жидкокристаллических экранов.
По мере роста потребления РЗМ актуализируются связанные с их добычей и производством вопросы утилизации радиоактивных отходов и переработки изделий, в которых они содержатся. Сейчас извлекают из готовой продукции и повторно используют только 1% редкоземельных элементов. В первую очередь это касается таких продуктов, как постоянные магниты, никель-металлогидридные аккумуляторы и люминесцентные лампы. Основная причина — отсутствие эффективных технологий переработки и неразвитость соответствующей инфраструктуры.
Свои решения для утилизации и повторного использования РЗМ пытаются создать многие страны. Так, британский производитель приводных систем GKN Automotive работает над модернизацией электродвигателя с использованием переработанных магнитов. Крупные корпорации (Solvay, Hitachi Metals, REEcycle, Jiangsu Huahong Technology, Lynas, GanZhou QianDong Rare Earths) расширяют мощности и постепенно развивают инфраструктуру переработки использованных РЗМ. Параллельно с этим правительства некоторых государств (ЕС, США, Великобритания) финансируют научно-исследовательские проекты, направленные на повторное использование РЗМ из готовых изделий, прежде всего в целях обеспечения устойчивости цепочек поставок и снижения зависимости от ведущих поставщиков. Ценность РЗМ для высокотехнологичных отраслей промышленности, электроники и транспорта многократно возрастает, особенно в условиях геополитической турбулентности и тренда на экономический и технологический суверенитет, поэтому в ближайшие годы стоит ожидать расширения числа государственных и корпоративных инициатив в этой области.
Комментирует
Михаил Комаров
главный научный сотрудник Центра стратегической аналитики и больших данных ИСИЭЗ, профессор департамента бизнес-информатики ВШБ НИУ ВШЭ
Значимость РЗМ для современной экономики крайне высока, и перечень сфер применения редкоземельных элементов с каждым годом расширяется. При этом запасы их в природе ограничены. Чтобы приоритезировать использование РЗМ, необходимо системным образом проводить оценку текущего и перспективного спроса на эту особую группу металлов, отслеживать их востребованность в различных промышленных приложениях. Решить проблему нехватки РЗМ в определенной мере может разработка новых технологий синтеза и искусственного получения этих особо ценных элементов. В нашей стране реализуется комплекс мер по выстраиванию индустрии РЗМ. Это потребует существенных инвестиций, но в долгосрочной перспективе может обеспечить основу для создания широкого круга высокотехнологичной продукции, а также придать стимул развитию экономики регионов, в которых сосредоточены месторождения редкоземельных металлов.
Источники: расчеты на основе системы интеллектуального анализа больших данных iFORA (правообладатель — ИСИЭЗ НИУ ВШЭ); результаты проекта «Экспертно-аналитическое сопровождение деятельности по развитию высокотехнологичных направлений в 2024 г., включая подготовку ежегодного доклада (“белой книги”) о развитии отдельных высокотехнологичных направлений» тематического плана научно-исследовательских работ, предусмотренных Государственным заданием НИУ ВШЭ.
Материал подготовили Николай Марчук и Юлия Туровец
Предыдущий выпуск серии «iFORA-экспресс»: «Топ-20 фронтиров мировой науки»