Камни, которые изменили мир: какие минералы помогают новым технологиям, а какие — угрожают жизни

Богатыри техники

Когда мы слышим слова «алмаз», «топаз» или «сапфир», первое, что приходит на ум — роскошные ювелирные украшения. Однако реальность такова, что до 90% добываемых драгоценных камней никогда не попадают в витрины магазинов. Вместо этого они становятся незаменимыми компонентами высокотехнологичных производств, без которых невозможно представить современную промышленность.

— Алмазы даже называют «богатырями техники». По шкале Мооса их твердость оценивается как 10 из 10. Это абсолютный рекорд среди всех природных минералов. Поэтому прочность и термостойкость позволяет им решать самые сложные промышленные задачи. Например, природные алмазы используются в буровых коронках (специальных наконечниках) для бурения сверхглубоких нефтегазовых скважин. Также они незаменимы в качестве абразивных материалов — алмазные порошки и пасты применяются для шлифовки металлов и зеркал, в том числе для космических телескопов или лазерных систем, где требуется идеальная точность.

Природные алмазы с особыми дефектами служат сверхчувствительными сенсорами, например, такие установлены в некоторых спутниках для мониторинга космической радиации. В электронной промышленности чаще используются синтетические алмазные подложки, которые благодаря своей выдающейся теплопроводности, используются в мощных процессорах и радиодеталях. В оптике без них не обходятся лазерные системы, инфракрасные датчики и даже космические телескопы, где алмазные покрытия делают зеркала более долговечными. Таким образом, лишь 20% добываемых алмазов попадают в ювелирные изделия, тогда как основная часть этих драгоценных камней работает на благо современных технологий и промышленного прогресса, — рассказывает кандидат технических наук, сотрудник кафедры «Нефтегазовые технологии» Андрей Чухлов.

И не только алмазы. Кварцевые резонаторы используются в микросхемах смартфонов, компьютеров и систем спутниковой навигации (GPS/ГЛОНАСС). Внутри них находится кристалл кварца, который вибрирует с определенной частотой, когда через него проходит ток. Эти вибрации работают как эталон времени, заставляя все микросхемы в наших телефонах, компьютерах или навигаторах работать слаженно. Без них техника просто не смогла бы правильно считать информацию, определять время или точно находить наше местоположение.

В оптической промышленности прозрачные кристаллы горного хрусталя используют для специальных линз в УФ-оборудовании и лазерных системах, где требуется высокая термостойкость и прозрачность в ультрафиолетовом спектре. Природный кварц предпочтительнее синтетического в этих применениях, поскольку его естественные дефекты кристаллической решетки обеспечивают стабильность резонансных характеристик, что особенно важно для точной электроники и телекоммуникационного оборудования.

— Добываемый гранат, преимущественно альмандин и пироп, активно используются в абразивной промышленности благодаря идеальному сочетанию твердости и способности дробиться на острые частицы. Основное применение — водоструйная резка металлов и композитных материалов, где гранатовый песок под высоким давлением позволяет делать точные разрезы без термической деформации заготовки. Особенно востребованы природные гранаты в аэрокосмической отрасли для обработки титановых сплавов и в производстве бронестекол, где их естественные примеси железа обеспечивают более эффективное резание по сравнению с синтетическими аналогами, — комментирует эксперт ПНИПУ. 

Также гранат используется в системах водоподготовки благодаря уникальной пористой структуре и химической устойчивости. В фильтрах для очистки от тяжелых металлов (свинец, ртуть, кадмий) гранатовый песок работает как эффективный сорбент — его кристаллы с высоким содержанием железа образуют активные центры, связывающие ионы металлов. Такие фильтры особенно востребованы в горнодобывающей промышленности для очистки сточных вод и в муниципальных системах водоснабжения, где требуется удаление токсинов без использования химических реагентов. По сравнению с синтетическими материалами, природные гранаты демонстрируют более длительный срок службы и способность работать в широком диапазоне pH, что делает их экологически и экономически выгодным решением.

– Природный топаз ценят за способность преобразовывать механические колебания в электрические сигналы — это свойство делает его идеальным материалом для подводной акустики. В военных гидролокаторах и исследовательских сонарах топазовые датчики работают надежнее искусственных аналогов, особенно в соленой морской воде и на больших глубинах. Его природная устойчивость к коррозии и давлению позволяет годами использовать одно и то же оборудование без потери точности измерений, – объясняет эксперт ПНИПУ. 

Особую ценность представляют природные кристаллы с естественными дефектами структуры, которые усиливают акустический отклик при экстремальных давлениях на глубинах свыше 3000 метров. Дополнительно топаз используют в высокоточных датчиках давления для нефтегазового оборудования, где его температурная стабильность (+400°C) превосходит аналоги.

Другой минерал, берилл, стал широко известен благодаря изумруду — его самой ценной и красивой зеленой разновидности.

— Сегодня природный берилл имеет стратегическое значение как основной источник бериллия — сверхлегкого металла с уникальными свойствами. Около 45% добываемого минерала перерабатывают для нужд ядерной промышленности, где бериллиевые отражатели нейтронов критически важны для работы исследовательских и энергетических реакторов. В аэрокосмической отрасли бериллиевые сплавы используют в спутниковых конструкциях и гироскопах благодаря сочетанию легкости, прочности и термостойкости (до 1200°C). Природный берилл предпочтительнее синтетических аналогов для этих задач, так как его кристаллы содержат оптимальные примеси магния и лития, улучшающие качество конечного металла, — рассказывает ученый ПНИПУ. 

Драгоценный кианит сегодня широко используют в производствах, где требуются материалы, выдерживающие сильный нагрев. Его главное свойство — при нагревании он становится прочнее и превращается в особый термостойкий минерал (муллит), способный выдерживать до 1800°C. Благодаря этому кианит идеально подходит для создания защитных внутренних покрытий (футеровки) плавильных печей и форм для литья металлов.

Еще один востребованный в промышленности драгоценный камень — циркон.

Сегодня он активно используется в производстве термостойких покрытий для авиационных и энергетических турбин, где выдерживает температуры до 2500°C благодаря своей исключительной тугоплавкости. В литейном производстве цирконовые пески применяют для изготовления высокоточных форм, обеспечивающих чистую поверхность отливок из стали и титановых сплавов.

Особую ценность представляют природные кристаллы с естественными примесями гафния, которые невозможно полностью воспроизвести искусственно — такие цирконы используют в ядерной энергетике как поглотители нейтронов. Дополнительно цирконовые концентраты служат сырьем для получения диоксида циркония – стратегического материала в стоматологии (керамические коронки) и топливных элементах, – говорит ученый ПНИПУ.

Смертельно опасные сокровища

Не все минералы можно спокойно извлекать и широко применять. Добыча некоторых запрещена ввиду редкости, а других – из-за смертельной опасности для человека и окружающей среды. Одним из самых страшных примеров является крокидолит, известный как голубой асбест — минерал, который не просто вреден, а убивает медленно и неизбежно.

Угроза кроется в его структуре. Если рассматривать под микроскопом, можно увидеть, что он состоит из тончайших иглообразных волокон, которые при вдыхании проникают глубоко в легкие. Эти микроскопические «иглы» настолько малы, что организм не может их вывести — они остаются в тканях на десятилетия, вызывая хроническое воспаление. Со временем это приводит к необратимым последствиям: асбестозу (рубцеванию легких), мезотелиоме (агрессивному раку плевры) и другим онкологическим заболеваниям. При этом симптомы могут проявиться только через 20-40 лет после контакта.

— Раньше крокидолит применялся для изготовления коммерческих и промышленных товаров, включая потолочные плиты, цементные листы и изоляционные материалы. Минерал в основном добывали в Западной Австралии, Боливии и Южной Африке, но производство прекратилось из-за серьезных рисков для здоровья рабочих. В России крокидолит был обнаружен на Урале, но его добыча также остановилась в 1999 году, — объясняет ученый. 

Самый страшный инцидент, связанный с голубым асбестом, произошел в Западной Австралии, где крокидолит добывался между 1943 и 1966 годами, и унес жизни более 1000 шахтеров и местных жителей.

Сегодня добыча минерала запрещена во многих странах мира, однако его до сих пор можно найти в старых постройках. При разрушении таких конструкций волокна снова попадают в воздух, продолжая нести смертельную опасность. Важно понимать: безопасного уровня воздействия крокидолита не существует — даже кратковременный контакт может оказаться фатальным.

Эрионит — природный минерал из группы цеолитов — представляет смертельную опасность, вызывая редкие формы рака легких или брюшной полости. Опасность, как и в случае с голубым асбестом, кроется в игольчатой структуре.

— Канцерогенный минерал обнаружили в вулканическом пепле, который изменился в результате выветривания и подземных вод и вызвал смерть нескольких человек в Турции, где эрионитсодержащие породы использовались в строительстве, — рассказывает эксперт ПНИПУ. 

Геологи обнаружили месторождения эрионита как минимум в 12 штатах США. Хотя его промышленная добыча прекратилась в конце 1980-х годов, риск сохраняется: воздействие смертельного минерала может происходить на этапе производства и добычи других цеолитов, которые до сих пор находятся в коммерческом использовании. Например, они применяются в фильтрах для воды, удобрениях и даже лекарствах.

— Длительное воздействие хризотила, самого распространенного асбеста, приводит к заболеваниям легких, заставляя твердеть легочную ткань. Крупнейшие в мире залежи этого опасного минерала находятся в России — в Свердловской, Оренбургской областях, а также в Сибири. Сразу вспоминаются сказы Бажова – все, кто работал на Медной горе, долго не жили, умирали от «каменной чахотки», вызванной как раз добычей белого асбеста, — объясняет Андрей Чухлов.

Добыча минерала запрещена более чем в 50 странах. Но Россия остается крупнейшей страной-добытчицей хризотила, который экспортируется преимущественно в Китай. Несмотря на запреты, этот минерал до сих пор используется во многих странах, включая США, для производства автомобильных тормозных систем, битумного кровельного покрытия.

Один из самых коварных минералов на Земле — киноварь, или сульфид ртути. Этот ярко-красный или буровато-красный кристалл встречается, как правило, в районах вблизи вулканической активности и горячих источников. Нерастворимый минерал при окислении образует токсичные соединения, такие как метилртуть и диметил-ртуть, вызывающие при вдыхании или проглатывании расстройства нервной системы – тремор, потерю зрения и даже деменцию.  

Киноварь веками использовалась как пигмент — от росписи древнеримских фресок до ритуальных татуировок полинезийцев, не подозревавших, что красота этого минерала несет смерть.

Сейчас добыча осуществляется преимущественно в Испании, Китае, Кыргызстане и Алжире. В России наиболее известные месторождения находятся в Забайкалье, на Алтае и Чукотке.

Исчезающие богатства Земли

Извлечение некоторых видов запрещено или ограничено из-за их редкости. Минералы, как и нефть, — ресурс не возобновляемый, поэтому многие страны стремятся сохранить природную красоту нашей планеты.

— В промышленности существуют такое понятие, как редкоземельные минералы, или же редкоземы. Они являются важным сырьем в производстве, но их применение ограничено, так как они не только редки, но и, следовательно, являются дорогостоящими, – объясняет профессор кафедры «Нефтегазовые технологии», доктор технических наук Инна Пономарева.

Всего таких уникальных минералов 17: скандий, иттрий и 15 видов лантаноидов, которые стали настоящим «золотом XXI века».  По словам эксперта их также называют «витамины промышленности», поскольку они критически важны для высокотехнологичных отраслей. 

В магнитных системах они незаменимы: неодим (лантаноиды), например, является основой сверхмощных магнитов, которые используются в двигателях электромобилей (увеличивая их КПД на 20-30%) и жестких дисках компьютеров. В оптике европий и тербий (тоже лантаноиды) создают яркие люминофоры для энергоэффективных LED-экранов и медицинских лазеров для онкотерапии.

Что касается спутниковой связи, то здесь редкоземы критически важны: иттрий стабилизирует работу волноводов и фильтров, обеспечивая четкий сигнал, а эрбий усиливает световые импульсы в оптоволоконных кабелях, опутывающих океанское дно. Даже обычный смартфон содержит до 8 редкоземов: от диспрозия в вибромоторе до гадолиния в камерных линзах.

При всей их распространенности в технике 95% переработки редкоземов приходится всего на три страны: Китай, Малайзию и США. Россия, в свою очередь, является важным поставщиком сырья: Уральские месторождения обеспечивают до 15% мирового спроса на скандий для авиационных сплавов.

Из драгоценных камней редкими считаются красные алмазы, которые добываются в ограниченных количествах всего в трех уголках на планете: в Австралии, Африке и Бразилии. За последние 20 лет на аукционах появилось всего три знаменитых алмаза, сертифицированных как «Red diamond». Чаще находят с фиолетовым и коричневым оттенками. По словам Инны Пономаревой всего существуют около 20-ти сертифицированных красных бриллиантов.

Единственное месторождение, где можно найти чароит – фиолетовый минерал, находится в России, а именно в Якутии, в Мурунском массиве, в бассейне реки Чара. Это месторождение также известно как «Сиреневый камень». Чароит поистине можно назвать достоянием России и Сибири. Он стал популярным материалом для изготовления различных изделий, таких как ожерелья, плоские вставки в перстни, кулоны и браслеты, однако его добыча строго квотируется 100 тоннами в год — это связано не только с редкостью, но и с содержанием радиоактивного тория в некоторых разновидностях.

Вероятно, самым редким на сегодня минералом на Земле является драгоценный камень темно-оранжевого цвета — кьяутуит. Единственный образец весом 1,61 карата (0,32 грамма) был найден в Мьянме в окрестностях города Могок в 2015 году и сейчас хранится в музее в США. Источник материала и фото: "Naked Science"