Металлы

Само слово «металл» происходит от греческого слова «искать». Металлы, используемые для орудий и строительства, достигают по массе только 1/6 веса камня, составляющего кору Земли, и почти вся эта шестая часть неочевидна. Наибольшая часть металлов существует в соединении с кремнием и кислородом, или с углеродом и кислородом, или с серой и кислородом, или только с серой, и образует «руды», которые очень похожи на камень по виду и свойствам.

Однако существуют некоторые металлы, которые плохо образуют соединения и могут существовать как самородки. Это — медь, серебро и золото, к ним можно добавить еще небольшое количество метеоритного железа. Такой свободный металл очень редок.

Золото составляет только 1/200 000 000 коры Земли, и это один из очень редких металлов, но из‑за того, что оно почти все существует в чистом виде и нередко в виде самородков, которые имеют изумительный желтый цвет, это, вероятно, был первый открытый людьми металл. Он оказался необыкновенно тяжелым, достаточно блестящим, чтобы служить украшением, и достаточно мягким, чтобы придавать ему интересные формы. И он не изменялся, потому что не ржавел и не портился иным образом.

Люди начали работать с золотом, может быть, еще в середине V века до н. э. Золото и в меньшей степени серебро ценились из‑за их красоты и редкости, и они стали основным средством обмена и удобным способом сохранять богатство. Около 640 года до н. э. лидийцы в Малой Азии изобрели монеты, маленькие кусочки сплава золота и серебра фиксированного веса, проштампованные правительственным знаком, чтобы заверить их подлинность.

Люди вообще‑то ошиблись, посчитав, что золото удобно как средство обмена из‑за его подлинной ценности. Ничто они не искали с такой же страстью и ничто не вызывало у них такого воодушевления, когда они его находили. Несмотря на это, у золота вообще нет крупномасштабного применения. Обнаружение большего количества золота увеличивает его мировой запас и уменьшает одно из его качеств — редкость.

В результате, когда Испания захватила золотые запасы ацтеков и инков, она не стала богатой. Поток золота в Европу снизил его ценность, что означало увеличение цен на все другие товары относительно цены золота, произошла инфляция. Испания, у которой была слабая экономика и которой приходилось многое покупать за границей, обнаружила, что ей приходится обменивать все большее и большее количество золота за меньшее и меньшее количество товаров.

Тем не менее иллюзия богатства, созданная золотом, воодушевила Испанию на то, чтобы приняться за бесчисленные войны на Европейском континенте, за которые она не в состоянии была платить и которые довели ее до банкротства, от которого она так и не оправилась. В то же время другие нации с развивающейся экономикой становились богатыми и без золота В средние века потерпели неудачу настойчивые попытки найти способ превращать в золото другие, менее ценные металлы, но если бы это удалось, произошла бы настоящая трагедия. Золото быстро бы потеряло ценность, и европейская экономика оказалась бы в таком хаосе, что ей пришлось бы долго из него выбираться.

Однако другие металлы, которые имеют настоящую ценность, потому что их можно использовать для изготовления орудий и в строительстве в отличие от золота, все больше и больше приносят пользы по мере того, как они становятся все более и более распространенными. Чем более они доступны и чем меньше их цена по отношению к золоту, тем шире области, в которых они могут быть использованы, тем сильнее экономика, тем выше уровень жизни.

Однако для того, чтобы металлы становились относительно более распространенными, людям недостаточно было самородков, которые они время от времени находили то тут, то там. Нужно было найти методы получения металлов из руд, методы освобождения атомов металлов из соединений с атомами других элементов. Такое развитие «металлургии» произошло примерно в 4000 году до н. э. на Среднем Востоке, и первым металлом, извлеченным из руды, была медь.

Приблизительно в 3000 году до н. э. было установлено, что определенные руды, которые, как оказалось, содержат и медь, и мышьяк, дают сплав меди с мышьяком, который намного прочнее и более упруг, чем просто медь. Это был первый металл, который мог быть использован для чего‑то иного, чем просто украшения, первый металл, из которого можно было делать орудия и оружие, и гораздо лучшие, чем из камня.

Работать с рудами, содержащими мышьяк, небезопасное занятие, и, возможно, отравление мышьяком было первым «профзаболеванием», которое доставило человеку неприятности. Со временем, однако, открыли, что если оловянную руду смешать с медной, то получается медно‑оловянный сплав, или «бронза», который был точно так же хорош, как и сплав меди с мышьяком, только гораздо безопаснее в производстве.

К 2000 году до н. э. разновидности медно‑оловянных сплавов были уже в широком употреблении, и на Среднем Востоке начался «бронзовый век». Наиболее примечательные следы об этом времени остались в гомеровских эпопеях «Илиада» и «Одиссея», где воины в бронзовых доспехах сражались копьями с бронзовыми наконечниками.

Медь — не особенно распространенный металл, и цивилизации, которые использовали бронзу, вскоре обнаружили, что местные запасы истощились, и им пришлось ввозить медь из‑за границы. С оловянной рудой дело обстояло еще хуже. Медь не очень распространенный компонент земной коры, но олово распространено еще меньше. Собственно, олово в 15 раз реже меди. Это означает, что, когда медь еще могла быть добыта в различных местах на Среднем Востоке, местные запасы олова были, по‑видимому, полностью исчерпаны. Так впервые в истории люди столкнулись с истощением природных ресурсов, и не просто с временным истощением, как пищи во время засухи, а с окончательным истощением. Оловянные рудники были пусты и уже никогда больше не могли наполниться.

Если люди не хотели довольствоваться только той бронзой, которая была у них в наличии, надо было искать новые месторождения. Поиск происходил на все более обширной территории, и к 1000 году до н. э. финикийские мореплаватели проложили пути за пределы Средиземного моря и открыли «Оловянные острова». Это, как полагают, были острова Силли к юго‑западу от оконечности Корнуолла.

Между тем, около 1300 года до н. э. в Малой Азии был разработан способ выплавки железа из руды. Железо, связанное в породе с другими элементами, значительно прочнее, чем медь, но выделить его из соединения было труднее. Для этого была необходима высокая температура древесного угля, для разработки получения которого потребовалось много времени.

Метеоритное железо было намного тверже и более упруго, чем бронза, а железо из руды было ломким и совершенно бесполезным. Дело заключалось в том, что метеоритное железо имело примесь кобальта и никеля. Однако и железо из руды иногда оказывалось достаточно твердым и упругим. Это случалось не так уж часто, но заставило металлургов заняться железными сплавами. В конце концов было обнаружено, что добавление древесного угля в железо делает его более твердым. Как бы мы сказали сейчас, легирует его.

К 900 году до н. э. изготовители железа научились делать это намеренно, и начался железный век. Стало больше не важно, что медь встречается редко, а олово — еще реже.

Это — пример того, как человек справлялся с истощением ресурсов на протяжении истории. Во‑первых, был расширен поиск новых запасов[10], во‑вторых, нашли заменители.

В течение истории, со времен открытия металлургии, применение металлов расширялось с постоянно увеличивающейся скоростью. В девятнадцатом веке были разработаны новые методы выплавки стали, были открыты металлы, неизвестные древним, — кобальт, никель, ванадий, ниобий и вольфрам, которые использовались в качестве добавок к стали, чтобы создавать новые металлические сплавы беспримерной твердости или необычных свойств. Были разработаны методы получения алюминия, магния и титана, эти металлы стали широко применяться в различных конструкциях.

Но теперь люди оказались перед лицом истощения источников многих металлов в масштабах мира и столкнулись со многими проблемами нашей технологической цивилизации. Даже старые металлы приобрели новые сферы применения, от которых нам было бы нелегко отказаться. Ни медь, ни серебро не требуются теперь ни для чеканки монет, ни для украшений, но медь до сих пор важна для электрических сетей, поскольку никакое другое вещество не является таким хорошим проводником электричества, а соединения серебра важны для фотографии. (Однако золото до сих пор не находит крупномасштабного применения.) Что мы будем делать, когда истощатся рудники, не просто в том или ином районе, а на всей Земле? Можно было бы подумать, что если не будет больше металлов, то у людей не будет иного выхода, как отказаться от своих технологий, что способно привести цивилизацию к гибели, даже если на Земле будет гуманное планетарное правительство.

Между тем, источники целого ряда важнейших металлов должны истощиться, по некоторым оценкам, в течение четверти века. Сюда входят платина, серебро, золото, олово, цинк, свинец, медь и вольфрам. Означает ли это, что цивилизации грозит гибель?

Возможно, не означает. Существуют пути обхода этого истощения.

На первом месте тут сбережение. Во времена, когда запасы того или иного материала далеки от истощения, он используется на различные второстепенные цели, на всякие мелочи, украшения, предметы моды. Вещь, изготовленную из этого материала, скорее заменят, чем реставрируют или починят. Ее могут заменить, даже если она находится в прекрасном рабочем состоянии, просто потому, что новая более престижна, соответствует более высокому социальному статусу. Намеренные несущественные изменения иногда производятся специально для того, чтобы вызывать замену гораздо скорее, чем это необходимо для практического использования, а просто ради погони за модой.

Американский экономист Торстейн Веблин (1857‑1929) в 1899 году придумал специальный термин для обозначения расточительного, напрасного потребления как знака социального успеха: «престижное потребление». Это престижное потребление было частью человеческих социальных нравов с доисторических времен.

Однако до последнего времени оно было прерогативой тонкого аристократического верхнего слоя населения, и выброшенные предметы могли использоваться бедными слоями. Но в недавние времена, когда в жизнь вошла техника массового производства, оказалось возможно распространить престижное потребление среди всего населения. Конечно, иногда престижное потребление рассматривается как средство, необходимое для стимулирования производства и сохранения благосостояния экономики.

И все же, когда запасы того или иного определенного вида товара истощаются, импульс сбережения будет тем или иным способом укрепляться. Цены неизбежно вырастут быстрее, чем заработки, побуждая таким образом к сбережению не очень богатых и сохраняя прерогативу выбрасывать вещи только за богатыми. Если многочисленные бедные будут роптать, видя расточительство, в котором не могут принять участия, общество может прогрессировать, вводя распределение по карточкам. Это, конечно, тоже создает почву для злоупотребления, но истощающиеся ресурсы все‑таки будут держаться дольше, чем можно было бы предполагать, если судить только по социальным излишкам процветания.

На втором месте — замена. Менее распространенный металл можно заменить более распространенным. Так серебряные монеты были заменены алюминиевыми и никелевыми. Металлы в целом могут быть заменены такими материалами, как пластмасса и стекло.

И вот пример: световой луч вполне возможно использовать для передачи сообщений вместо электрического тока, и это можно делать с гораздо большей эффективностью. Эти световые лучи могут быть посланы по волокнам стекла с человеческий волос толщиной. Тонкие кабели из стекловолокна могли бы заменить неисчислимые тонны меди, которые сейчас используются в электрических коммуникациях, а стекло, получаемое из песка, вряд ли так скоро истощится.

На третьем месте — новые источники. Впрочем, может показаться, что все рудники будут истощены, то есть все известные на Земле рудники. Но могут быть открыты новые рудники, даже при условии, что это становится маловероятным, все более маловероятным со временем, так как все большая часть земной поверхности изучается на наличие руд.

Тогда что же мы имеем в виду под словом «истощены»? Когда мы говорим о руднике, мы говорим о той части земной коры, в которой металл находится в такой концентрации, что его рентабельно добывать. Тем не менее с совершенствованием техники разрабатываются такие методы, благодаря которым определенные металлы могут быть с выгодой добыты, даже если концентрация настолько мала, что никакой практический метод в прошлом не позволил бы этого делать. Другими словами, сейчас существуют рудники, которые не могли быть рудниками ранее.

Этот процесс может иметь продолжение. Определенный металл может истощиться, если рассматривать существующие рудники, но когда мы почувствуем, что в силах справиться с более низкими концентрациями, появятся новые рудники.

Кроме того, мы можем вообще уйти с суши. Есть участки морского дна, которые покрыты толстым слоем рудных конкреций. Считают, что на один квадратный километр дна Тихого океана приходится 11 000 тонн таких конкреций. Эти конкреции различных металлов включают и очень полезные, запасов которых становится все меньше и меньше — медь, кобальт, никель. И вряд ли какие‑нибудь трудности возникнут с их извлечением, как только эти конкреции будут драгированы с морского дна. Операции драгирования на экспериментальной основе сейчас планируются.

Ну, а уж если морское дно, почему бы и не само море? Морская вода содержит все элементы, но обычно в очень низкой концентрации. Дело в том, что дождь, выпадая на сушу, вымывает их по пути обратно в море. Уже сейчас без особых усилий мы можем получить из морской воды магний и бром, так что запасы этих двух элементов вряд ли иссякнут в обозримом будущем.

В конце концов, океан настолько огромен, что общее количество любого определенного металла, растворенного в морской воде, удивительно велико, независимо от того, насколько разбавлен этот раствор. Море содержит 3,5% растворенных пород. Иначе говоря, каждая тонна морской воды содержит 35 килограммов растворенных пород.

Из растворенных в морской воде пород 3,69% составляет магний и 0,19% — бром. Следовательно, тонна морской воды содержит 1,29 кг магния и 66,5 грамма брома (Конечно, ни то, ни другое не содержится в чистом виде, а в форме растворенных содинений.). Учитывая, что на Земле 1 400 000 000 000 000 тонн морской воды, можно себе представить общее количество содержащегося в ней магния и брома (следует принять во внимание, что то, что извлекается, постепенно смывается обратно в море).

Третий элемент — йод — тоже извлекают из морской воды. Йод сравнительно редкий элемент, в тонне воды примерно 50 миллиграммов йода. Этого слишком мало, чтобы экономично добывать обычными химическими методами. Однако существуют некоторые виды морских водорослей, которые способны абсорбировать йод из морской воды и включать его в свои ткани. Из золы этих водорослей можно получить йод.

Но нельзя ли получать из морской воды и другие ценные элементы, если разработать технологию, чтобы концентрировать зачастую очень скудное содержание? Океан содержит все химические элементы без исключения: около 15 миллиардов тонн алюминия, 4,5 миллиарда тонн меди, 4,5 миллиарда тонн урана. В нем также содержится 320 миллионов тонн серебра, 6,3 миллиона тонн золота и даже 45 тонн радия.

Они там. И весь фокус в том, чтобы их получить. Или, наконец, мы можем совсем уйти с Земли. Если не так уж много лет назад идея производить добычу минералов на Луне (или даже на астероидах) могла показаться подходящей только для научной фантастики, то сейчас многие считают это не таким уж неосуществимым. Если финикийцы сумели в свое время добраться до Оловянных островов в поисках металла, запасы которого были очень малы, мы сумеем добраться до Луны. Добыча минералов на Луне для нас, может быть, не труднее, чем некогда добыча олова на Оловянных островах для финикийцев.

И вот, пройдясь по перечню новых источников ресурсов, мы можем даже сказать, что по‑настоящему ни один из них не нужен. 81 элемент, обладающий стабильной атомной формой, неразрушим при обычных обстоятельствах. Люди их не потребляют, они просто переносят их с одного места на другое.

Геологические процессы, происходящие на протяжении миллиардов лет, сконцентрировали тот или иной элемент, включая, конечно, различные металлы, в том или ином районе. А что делают люди? Они со все возрастающей скоростью извлекают эти металлы и другие желательные элементы из этих районов концентрации и распределяют их более широко, более равномерно, более разреженно и перемешанно друг с другом.

Значит, металлы все‑таки тут, однако они могут быть распределены, могут подвергнуться коррозии и быть в соединении с другими элементами. Одним словом, задние дворы человечества являются обширным складом различных элементов, которыми оно попользовалось в той или иной степени и которые списало. При соответствующей технологии их можно снова восстановить и использовать.

Таким образом, различные элементы или, в более широком смысле, вещества теоретически у нас не могут иссякнуть, поскольку все вещества, которые не являются элементами, состоят из элементов.

Но истощение — не единственная судьба, которая грозит ресурсам, которые мы используем, даже жизненно важным ресурсам, от которых зависит вся жизнь, включая жизнь человека. Даже те ресурсы, которые мы не истощаем и которые, вероятно, никогда не истощатся, могут стать непригодными для использования в нашей деятельности. Ресурсы могут иметься, но нам от них не будет никакой пользы.

Дата добавления: 2015-08-18