Шахты или скважины?

Это было на металлургическом заводе, вырабатывавшем металлическую сурьму.

В цехе стояли горячие металлические чаны, похожие на башни. В них булькала и рокотала жидкость. Там происходил важнейший в металлургии сурьмы процесс выщелачивания, а проще – растворения соединений сурьмы из руды. Затем этот раствор поступал, как нам показали, в электролизные ванны, где из него выделялась сурьма.

Перед этим мы только что посетили сурьмяновый рудник, ходили по темным подземным коридорам – штрекам, по которым проложены рельсы электровоза, спускались к забоям, где ровно стучали перфораторы и отбойные молотки, поднимались на подземном лифте на другие этажи подземного города. На несколько километров ушли в глубь гор его улицы в погоне за узкой жилой руды. Сколько же тяжелого, а порой и опасного труда в черных подземельях приходится затрачивать, чтобы получить на‑гора поблескивающую светло‑серыми гранями кристаллов руду!

И там мне вспомнилась вечная мечта горняков: не строить всех этих очень дорогих шахт, а добывать металлы из недр Земли так же, как добывают нефть и воду – просто пробурив скважину.

– Утопия! Фантастика! – скажете вы.

Нет, и не утопия и не фантастика. Научно обоснованная мечта, осуществление которой все приближается.

– Но ведь нефть жидкая, вода – тем более, – возразите вы, – а здесь речь идет о твердых металлах, о камнях руды. Как же выкачивать их по узким скважинам?

А точно так же, как насосы перекачивают по трубам, куда более узким, чем любая скважина, раствор, содержащий сурьму, из чанов для выщелачивания в ванны для электролиза, – отбросить всю добычу руды сурьмы, а процесс выщелачивания, растворения, перенести в недра Земли.

Не каждому удается получить билет в «первый класс».

Для этого надо, конечно, пробурить к залежи сурьмы две скважины. Соединить их под землей третьей, горизонтальной. Может быть, опустить под землю какие‑то управляемые сверху механизмы, которые бы размельчали руду в горизонтальной скважине, перемещаясь по ее сечению. В одну вертикальную скважину накачивать под землю под давлением соответствующую жидкость. Через другую выкачивать из‑под земли раствор сурьмы. И прямо направлять на электролиз.

Он найдет путь!

Да разве для одной сурьмы возможно применение этого метода? Гидрометаллургия – растворение того или иного вещества из руды с последующим выделением его для дальнейшей переработки – применяется в металлургии меди, кадмия, серебра, марганца, галлия, молибдена, кобальта и некоторых других. Кстати, такое подземное выщелачивание меди из руд давно уже применяется у нас на Урале. Почему же нельзя развить этот метод и широко внедрить его? Конечно, можно!

Кстати, подобным методом в Италии добывают серу. А ведь она тоже твердая, да к тому же почти ни в каких жидкостях не растворяется. Что же сделали? Спустили в скважину до месторождения серы трубу и подали по ней сжатый пар. Сера начала плавиться, и ее, жидкую, расплавленную, просто выкачивают насосами.

Аналогичным способом кое‑где получают и пищевую соль: в скважину закачивают горячую воду, а выкачивают насыщенный раствор.

Вероятно, по этому пути пойдет будущее развитие горного дела. Причем, отказаться от шахт придется еще и потому, что они не могут обеспечить достаточно большой глубины добычи полезных ископаемых: ведь их глубина не может быть очень большой из‑за повышения температуры с углублением в землю. В предельных существующих сегодня «глубинных» шахтах «Ист Рэнд» в Трансваале и «Чемпион Риф» в Индии– глубина этих шахт приближается к 3500 метрам – работать можно только при очень интенсивном искусственном охлаждении. А скважины не имеют пределов глубины (ведь в них работают только механизмы, без людей), и поэтому уже сегодня они вдвое превысили предельную глубину шахт.

Будущей металлургии понадобится спускаться под землю все глубже и глубже. Нет, несомненно, завоевание больших глубин земной коры осуществят буровые скважины, а не шахты.

И, конечно, верной спутницей этих скважин будет то, что мы сегодня называем гидрометаллургией.

Цветники металлов

Особой совершенно проблемой является добыча рассеянных элементов. Так называют те элементы, которые не образуют рудных скоплений, не имеют собственных минералов, а находятся в виде ничтожных примесей во многих горных породах. Их атомы разбросаны в кристаллических решетках кристаллов, образованных другими веществами. В число их входят металлы скандий, галлий, рубидий, таллий, ниобий, индий, цезий, тантал, германий, селен, теллур, гафний, рений.

Да, правда, большинство из перечисленных здесь названий встречается только в периодической системе элементов Менделеева. Иные начали применяться лишь в последние годы и десятилетия. Так, между 1930 и 1940 годом нашли впервые применение индий и ниобий, а между 1940 и 1950 – галлий и германий. Некоторые – среди них иттрий, рубидий – не нашли и до сего времени применения ни в чистом виде, ни в виде сплавов или химических соединений. Но это вовсе не значит, что они не могут быть полезны человеку. Очень часто просто незнание тех или иных свойств элемента делало его бесполезным. Так было с титаном, который долгое время считали хрупким и непрочным. Так не находил применения германий – основа современной техники полупроводников. И для техники будущего, может быть, самый неизвестный из сегодняшних металлов окажется наиболее важным.

Сегодня рассеянные элементы получают из руд других металлов, в которые они входят, как правило, в ничтожном количестве. Но человеческая мысль непрерывно бьется в поисках иных, более обильных источников этих элементов. И тут внимание человека начинают привлекать бескрайные просторы зыбящегося волнами мирового океана.

Морская вода содержит в себе в растворенном виде почти все металлы, в том числе и редкие. Конечно, концентрация их очень невелика. Если натрия в ней содержится более одного процента по весу, то уже магния – второго по количеству металла – в ней имеется всего 0,14 процента. Еще меньше кальция и калия – по 0,04 процента. И, конечно, еще меньше рассеянных элементов. Но все же их не так уж мало. Рубидия, например, в ней содержится 0,0002 процента, лития – 0,00015, селена – 0,000 004, цезия – 0,000 002, германия – 0,000 001. Значительно меньше в морской воде скандия – 0,000 000 04 и радия – 0,000 000 000 000 1 процента. Ну, а если перейти с языка процентов на язык точных цифр, то это означает, что в каждом кубическом кубометре воды содержится 2 г рубидия, 1,5 г лития, 0,04 г селена, 0,01 г германия.

Обычно в подтверждение того, насколько велики запасы металлов, содержащихся в воде, приводят цифры из общего содержания в мировом океане. Получаются головокружительные величины. Оказывается, что в морской воде содержится 5,5 млрд. тонн скандия, еще большие количества германия, цезия, селена. Но…

Но ведь чтобы добыть этот скандий, надо пропустить сквозь какие‑то фильтрующие аппараты всю воду океанов земного шара. Несбыточная, фантастическая даже в перспективе ряда ближайших столетий задача! И все‑таки отказываться от сокровищ, содержащихся в морской воде, не следует. Надо найти способ концентрации этих металлов в отдельных местах.

Но как это сделать? Каким способом «заманить», например, атомы растворенного в воде золота из всего мирового океана в одно Азовское море? Или весь германий – в воды Финского залива?

Нечто подобное (конечно, в значительно меньших масштабах) можно сделать с помощью морских животных и растений; ведь металлы входят в состав и живых организмов, причем нередко играют там очень важную роль.

Так, железо является важнейшей составной частью гемоглобина крови. Благодаря ему имеет красный, ржавый, цвет наша кровь. Лет полтораста назад, когда определили химический состав крови, один влюбленный юноша решил подарить своей невесте обручальное кольцо, сделанное не из золота, а из железа, добытого из собственной крови. Трогательная история не имеет конца: во всем организме человека вряд ли найдется столько железа, чтобы из него можно было сделать обручальное кольцо. Его там всего несколько граммов.

В человеческом организме имеются цинк, медь, кобальт. Считают, например, что наличие никеля в человеческих волосах делает их светлыми, титан придает им золотистый оттенок, молибден делает их ярко‑красными, рыжими. Даже такие редкие металлы, как уран и радий, входят в состав человеческого организма.

Металлы входят и в состав животных, насекомых, растений, водорослей, одноклеточных организмов. Причем, самое интересное, многие растения и водоросли могут концентрировать в своем организме те или иные металлы. Так, в теле асцидий Кольского залива содержится до 0,5 процента ванадия, хотя содержание его в морской воде составляет всего 0,000 005 процента.

Один из видов болотного хвоща накапливает в своем организме золото. Даже при концентрации его в почве всего в 0,1 г на тонну зола хвоща имела его свыше 600 г на тонну.

В морских растениях сосредоточено примерно в 100 раз больше радия, чем в воде.

Не отстают и сухопутные растения. Так, в одном грамме сухого вещества гриба‑дождевика содержится до 0,25 г цинка. Зола некоторых растений, живущих на богатой цинком почве, содержит в каждом килограмме до 294 г этого металла. Это уже настоящий концентрат цинка, могущий пойти без дальнейшего обогащения прямо на переплавку.

Зола некоторых трав и листьев содержит до 0,001 процента германия, хотя его среднее содержание в почве не превышает 0,000 000 7 процента.

В золе одного из видов лавров обнаружено до 15 процентов марганца.

Что ж, геохимики знают, что эта удивительная способность живых организмов концентрировать в себе те или другие элементы не раз была причиной образования мощных залежей ископаемых. «Железные, марганцевые, алюминиевые руды в очень большой, может быть главной, части связаны с явлениями жизни, – писал основатель интереснейшей новой науки, биогеохимии, академик В. И. Вернадский. – Она дает начало фосфорным отложениям, селитрам, самородной сере. По‑видимому, с нею связано образование некоторых рудных отложений: меди, ванадия, серебра, свинца…» Живое вещество – самый стремительный, в геологическом смысле слова, концентратор тех или иных веществ.

Так почему не воспользоваться этой удивительной способностью живых организмов концентрировать в себе те или иные вещества для их добычи? В первую очередь, видимо, для их добычи из вод океана.

Человек много столетий занимался «усовершенствованием» яблони– и из лесного дичка с кислыми, почти несъедобными, величиной с орех плодами вывел он десятки сортов с плодами самых разнообразных свойств: сладкими, мягкими, способными долго не портиться, кислыми, твердыми и т. д. Человек занялся пшеницей – и еще сегодня ученые как следует не представляют, кто является ее диким предком, так сильно изменила она свой характер. А как непохожи приземистая такса или скуластый бульдог на своего прародителя – волка. Все это – вмешательство человека.

Но никогда ни один генетик не ставил перед собой задачи вырастить сорт капусты, в листьях которой содержалось бы предельно возможное количество германия или лития, вывести породу свиней, в костях которых концентрировался бы теллур или актиний. А, наверное, такая задача вполне осуществима.

По всей вероятности, для такой цели наиболее подходящи простейшие одноклеточные организмы – бактерии разных видов, водоросли и грибки. Они наиболее быстро размножаются, наиболее легко изменяют свою природу под действием различных искусственных воздействий, которыми располагает современная генетика. Так, исходный грибок пенициллина имел активность всего 40–80 условных единиц. Ученые взялись за его «воспитание». Они облучали его рентгеновскими и ультрафиолетовыми лучами, отбирали лучшие экземпляры, и сегодня продуктивность этого грибка превышает 1000 единиц. Вероятно, также в сотни раз можно будет поднять за короткий срок и способность простейших организмов концентрировать редкие элементы. Интересно отметить, что в СССР, США, Канаде и в Англии ведутся работы по использованию бактерий для переработки руд, например сульфидов меди, путем окисления и перевода их в растворимое состояние.

В 1934 году чехословацкие химики Бабичка и Неман обнаружили, что зола некоторых растений, выросших в окрестностях города Ослани, содержит на каждую тонну до 10 г золота. Почвы в этой местности имели в своем составе не более 0,2 г золота на тонну породы.

«Ну, а не происходит ли дальнейшей концентрации этого металла в живых существах, питающихся этими „золотоносными растениями“?» – задали они себе вопрос.

Ответ оказался положительным. В золе майских жуков оказалось – в пересчете ка тонну – до 25 г золота!

Возможно, что и искусственную концентрацию тех или иных веществ надо будет осуществлять в два приема. Первую ступень будут осуществлять растения или бактерии, вторую – насекомые или рыбы.

И еще об одном интересном открытии нельзя не упомянуть здесь.

Началось все с сообщения об опытах жившего в первой половине XIX века химика Фогеля. Он высевал семена салата в стеклянную крошку, не содержащую серы ни в чистом виде, ни в виде соединений. Поливал он эти растения дистиллированной водой, закрывал стеклянным колпаком, чтобы соединения серы не попали к растению с воздухом. Затем он сжег растение и определил, что в золе его содержится серы вдвое больше, чем было ее в семенах растения. Откуда взялся этот избыток серы?

В 1876–1883 годах эти опыты повторил один берлинский биолог. Он расширил рамки опыта, стараясь определить приходно‑расходный баланс растения не только по сере, но и по калию, фосфору, кальцию, натрию, магнию. И оказалось, что в этом балансе концы никак не сходятся с концами. «Приход» элементов к растению никак не соответствовал наличию их в золе после сжигания.

Французский профессор Беранже совсем недавно проверил еще раз опыты Фогеля. Используя все достижения тончайшей экспериментальной техники середины XX века, принимая все предосторожности, ведя опыт с абсолютной точностью и повторив его достаточно большое количество раз, он подтвердил еще раз: да, приходно‑расходный баланс растений по ряду веществ не сходится.

Ученый сделал из этого смелый вывод, что в глубинах зеленого листа растения вершатся превращения одних элементов в другие. То, что с огромным трудом удается совершить в ничтожных масштабах в гигантских циклотронах, осуществляется растениями без видимого усилия и, конечно, в несравненно больших масштабах.

Трудно, очень трудно поверить в гипотезу Беранже. Нам кажется, что его опыты подтверждают другое: удивительное умение растений выискивать и ассимилировать мельчайшие количества нужных ему для роста веществ. И это еще раз подтверждает необходимость и целесообразность применения их для концентрации рассеянных элементов.

…На календаре – год, который мы сегодня считаем в отдаленном будущем. Мы – в этом году. И наш электромобиль, уже давно заменивший бензиновые неудобные автомобили, плавно скользит по пластмассовому шоссе. Кругом – поля, расцветшие прекрасными голубыми цветами, формой напоминающими маки.

Не ищите этого растения в ботаническом атласе. Оно было выведено совсем недавно. И не красотой цветка, не крепкими нитями волокон, не вкусом и питательностью плода важно оно для людей. Нет, здесь другое. Это растение – концентратор рения – металла, приобретшего в последние годы чрезвычайно большое значение для техники полупроводников.

А на противоположной стороне дороги, по которой медленно едет наш электромобиль, растет виноград. Нет, он тоже необычный. В его тяжелых оранжевых ягодах, кистями которых щедро покрыты ветви, содержится другой редкий металл – рубидий – в концентрациях, в десять тысяч раз превышающих содержание его в местной почве. Сорт это‑то винограда, который не подают к столу и не используют для изготовления вина, также искусственно выведен генетиками. Из каких тайников набирает странный виноград сотни килограммов редкого металла с каждого гектара земли – его тайна. Да нам она сейчас и не важна…

Урожаи этих металлоносных растений поступают не на пищевые фабрики, а на металлургический завод. Голубые маки и оранжевый виноград – по существу руда для этого завода. Руда, искусственно выращиваемая в поле. Живая руда.

А может быть, будет по‑другому. Может быть, подъехав по шоссе к берегу моря, мы увидим гигантский завод. Главный инженер расскажет нам о его устройстве. Это окажется биохимико‑металлургический завод по производству еще какого‑нибудь очень важного и очень рассеянного металла. Мощные насосы засасывают морскую воду и пропускают ее через гигантские башни. В них живут и размножаются микроскопические грибки, обладающие способностью извлекать из воды ее сокровища. А уже из этих грибков, как из руды, выплавляют в электропечах драгоценные металлы.

Может быть, нам здесь же покажут засеянные водорослями‑концентраторами подводные луга и весь процесс извлечения из их золы не только йода, как это делается и сегодня, но и других редких элементов…

Но это уже детали. Не в них главное. Главное в том, что биологические концентраторы несомненно будут использоваться человеком для добычи редких металлов И время их близко.

Искусственная руда

Впрочем, возможно, что на помощь металлургам, ищущим руды рассеянных элементов, придут не биологи и генетики, а физики‑атомщики.

Алхимиков в средние века мучили две проблемы. Они искали, во‑первых, философский камень, обеспечивавший его владельцу вечную молодость, во‑вторых, рецепт превращения простых металлов в драгоценное золото. А рядом средневековые механики изобретали вечный двигатель.

Сколько труда, бессонных ночей, страстей, сердец, жизней было отдано этим химерическим задачам! И как разны взгляды сегодняшней науки на эти три проблемы.

– Вечный двигатель невозможен, – утверждают физики, ссылаясь на закон сохранения энергии. Поиски вечного двигателя стали символом бесполезной затраты труда, вроде возни крыловской мартышки с бревном.

– Трудно сказать, возможна ли вечная молодость, вечная жизнь, – отвечают биологи и врачи. – По всей вероятности, человеческая жизнь может длиться и двести и триста лет. Пока мы не знаем никаких причин, которые делают невозможной мечту о вечной молодости. Но решение этой задачи еще не найдено. Нужен длительный труд, который, вероятно, займет несколько поколений ученых, прежде чем будут найдены способы борьбы с механизмом старения или открыт закон природы, который установит непреодолимую границу продолжительности жизни.

– Бесспорно, превращение одних элементов в другие возможно, – радостно сообщают физики. – Мало того, мы осуществляем уже эти превращения. Мы в промышленных масштабах вырабатываем металл плутоний, которого нет в природе, но который нужен энергетикам. В Москве недавно открыт магазин, в котором продаются изотопы элементов, в том числе и такие, которые «живут» несколько часов, несколько дней или недель. Мы изготовляем все эти изотопы, их также нет в природе. Изготовляем мы и золото. Не только такое, какое встречается в природе, но и восемь его разновидностей, отличающихся от обычного весом ядра, но подобных по всем химическим свойствам.

Да, то, что было не по плечу средневековым алхимикам, под силу сегодняшней физике. Правда, искусственное золото пока еще стоит значительно дороже, чем добытое на Лене или в Клондайке. Правда, что изотопы еще очень дороги. Но ведь был бешено дорогим и первый алюминий. Дорого стоил и первый титан. И первый сверхчистый кремний. А теперь алюминий общераспространенный бытовой металл, титан грозится вытеснить железо, а для изготовления кремниевых солнечных батарей построена автоматическая линия, демонстрировавшаяся в 1959 году на Выставке достижений народного хозяйства СССР.

Превращения элементов осуществляются путем ядерных реакций. Они в огромном большинстве уже четко прослежены физиками. Они могут заранее предсказать, каков будет ход ядерной реакции в результате такого‑то и такого‑то взаимодействия, четко предвидеть все последствия того или иного ядерного эксперимента. А значит, они могут осуществлять превращения элементов не вслепую, что‑де получится, а твердо по плану.

И однажды известный металлург академик И. П. Бардин развернул в беседе удивительную перспективу будущей металлургии.

– Мы живем в атомный век, – сказал он. – Человек уже овладел не слабыми ненадежными временными связями атомов в веществе, а несравненно более важными и глубокими связями элементарных частиц атомного ядра. И, конечно, это принципиальное достижение ученых нашего времени должно найти применение и в металлургии…

Строгий ученый рисует удивительную картину металлургического завода будущего. Из печи льется в кристаллизатор непрерывной разливки сталь. С обеих сторон к струе приближаются какие‑то темные груши.

Оказывается, это излучатели. Под действием их излучения в глубине огненной струи взрываются ядра вредных для металла элементов – серы и фосфора и ядра другого дешевого элемента, который специально добавлен в эту сталь. Этот элемент подобран таким образом, что при облучении он превращается в металл, добавка которого как раз нужна этой марке сплава.

Сталь льется в кристаллизатор, и через несколько секунд из него выходит алая колбаса пышущего жаром металла. А ведь его химический состав уже не тот, что был у металла, изливавшегося в кристаллизатор. И еще несколько дней будет изменяться состав: это время, в течение которого распадутся все образовавшиеся в результате облучения коротко живущие элементы. После этого он пойдет в дело – добротный металл, в составе которого немало созданных человеком, а не взятых у природы химических элементов.

Вероятно, этим же способом, – продолжает ученый, – изменением структуры атомных ядер, искусственным превращением элементов, можно будет получать руды редких и рассеянных элементов. Возможно, появится целая отрасль промышленности – радиационная металлургия, которая будет заниматься изготовлением редких химических элементов из распространенных…

Удивительную картину нарисовал ученый. И трудно сказать сегодня, кто первым решит задачу обеспечения человечества рассеянными металлами– генетики ли выведут интенсивных живых концентраторов, физики ли разработают экономически целесообразные технологические процессы изготовления редких ядер элементов из широко распространенных в природе.

Разные пути ведут в будущее. Наука, техника, а за ними и промышленность пойдут по тому, который окажется легче и короче. Ведь всем хочется поскорее в это удивительное будущее.