Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

Пардон а из чего бы они делали такие печки и электроды к ним?

У кольцевой индукционной печи нет электродов, она работает по принципу трансформатора, где одной из обмоток является расплавленный металл в тигле. А тигель керамический.

[AlexAV]

Патриций так не скажет. Ибо он вряд ли силён в электротехнике, и верит своим глазам. А они видят следующее: ярчайший свет, получаемый из кусочков серебристого лёгкого металла.

Речь о паровой машине. Относительно электрических машин как раз аргументы придумать можно. В конце концов самый очевидный привод для генератора - водяное колесо никаких вопросов не вызовет.

[AlexAV]

Керамический же не означает простой в изготовлении. Полагаю, глиняный горшок бы не очень подошел для тигля...

Керамика из природных огнеупорных глин (каолиновых) имеет огнеупорность до 1850 градусов. Для металлургии железа и меди этого достаточно. Конечно до того из какой глины надо делать тигель дошли бы не с первой попытки, но рано или поздно кто-нибудь наткнулся бы. С бронзой, серебра и золота кстати проще, там пойдёт почти любая керамика. Свинец и олово - тем более.

[AlexAV]

как минимум в плане углеводородов не совсем верный..

Абсолютно верный. Скорость образования нефти в земной коре столь мала, что этим процессом можно пренебречь. Если бы это было не так - это сильно бы сказывалось на балансе кислорода в атмосфере (плюс баланс метана, генерация нефти без параллельного образования метана едва ли возможна), чего не видно. Это ограничивает скорость её образования несколькими миллионами тонн в год на всю планету максимум. Что собственно говоря ни о чём. За год мы выкачиваем столько, сколько образуется в лучшем случае за несколько тысяч лет.

[AlexAV]

Почему-то большинство исследований зациклено на поглощении с помощью амидоксима и его производных.

Больше ни одного адсорбента достаточно эффективного и селективного при столь низких концентрациях урана просто не нашли. Были попытки использовать диоксид титана, но там прокачивать воду через слой надо, сеть не сделаешь, гуминовое вещество, но ёмкость и селективность совсем не те, в общем при всём богатстве выбора выбора по сути и не оказалось. Собственно всё обсуждение добычи урана из морской воды связано с ним с 80-х, когда его кажется впервые с этой целью предложили, ничего другого подходящего подобрать не удалось.

[AlexAV]

По поводу полиэтилена - нуд может быть и такие появились - только режут они с одного конца

Уже появились. Восковой моли он пришёлся вполне по вкусу: https://nplus1.ru/news/2017/04/25/Plastic-mellonella

Я вам посекрету скажу - эксракцию урана ведут с помощью высокомолекулярных полиамидных синтетических смол - ужо наверное лет около 50...

Ну тут я бы не недооценивал возможности бактерий. Одно дело сильнощелочные (при выщелачивание карбонатными растворами) рассолы при выщелачивание горных пород, которые для микроорганизмов вообще крайне неблагоприятны, а совсем другое дело - морская вода кишащая жизнью. То что в последней не появится какой-нибудь твари, которая оценит данный полимер с гастрономической точки зрения тут уже гарантии давать нельзя. ПЭТ жрать уже научились (http://science.sciencemag.org/content/351/6278/1196).

[AlexAV]

Прям таки, даже волокно в проточной соленой воде жрать научаться?

Вполне вероятно. Необязательно непосредственно, могут вступить и в симбиоз с какой-нибудь членистоногой тварью, которая для них материал будет измельчать. Если есть большое количество материала из которого живые организмы потенциально могут извлекать энергию - то рано или поздно кто-нибудь эту нишу освоит. 

[AlexAV]

с законами сохранения у нас что? (я понимаю в этой теме их не любят) но из чего брать это чудо? космческих лучей? и сколько там может оказаться если до сих пор не находили хотя уж эти-то лучи вроль и поперёк просматривали? про ускорители не смешно даже...

Там речь о гипотезе в чём-то близкой гипотезе страпелек, только предполагается, что нечто подобное может состоять из обычных u и d кварков, без странных. Т.е. делается предположение, что существует некая другая форма адронной материи, отличная от ядерной, которая при этом оказывается ещё и более энергетически выгодной. Т.е. материя в этом необычном состояние должна поглощать обычные ядра (превращая их в себя) с выделением энергии.

Другой вопрос, что существования чего-то такого весьма сомнительно вне зависимости от каких-то теоретических аргументов за и против её существования. Попросту если бы такое состояние вещества могло бы существовать - оно неизбежно возникало бы в астрофизических процессах, в которых достигаются экстремальные плотности энергии, скажем при столкновение нейтронных и кварковых звёзд. А значит она присутствовала бы в окружающем нас мире, в том числе и в Солнечной системе (данная материя должна соответствовать более энергетически выгодному состоянию, чем обычная ядерная, и поэтому сама по себе обязаны быть стабильной). Тот факт, что ничего подобного мы не видим можно считать достаточно убедительным аргументом, что существование таких объектов по тем или иным причинам невозможно.

[AlexAV]

Возможно в исследовании этот вопрос также затрагивается, лучше все же прочитать прежде, чем обсуждать.

Вот оно: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.222001

Обсуждение нахождения такого вещества в природе ограничено абзацем:

Neutron stars could possibly convert to ud quark stars.
Due to the potential barrier generated by the surface effects,
the limiting process for the conversion of a neutron star
is the nucleation of a bubble of quark matter initially having
the same local flavor composition as the neutron star, via a
quantum or thermal tunneling process [35]. There is then a
subsequent weak decay to the stable state, SQM or udQM,
as the bubble grows. The barrier for conversion leads to the
possibility that there can coexist both neutron stars and
quark stars [36]. In comparison to SQM, udQM predicts a
smaller ρ  ̄ 1⁄4 4ΔV n given the same ε  ̄ . So ud quark stars
allow a larger maximum mass, which is of interest for
pulsars with M ∼ 2M ⊙ [37,38]. The possible superconduct-
ing nature of quark matter in stars may have interesting
implications, more so for its transport rather than bulk
properties [39].

Предположение о возможности образования такого в нейтронных (в этом случае уже кварковых) звёздах особого возражения не вызывает. Вопросы вызывает другое - почему мы такой материи не наблюдаем в окружающем нас мире, ведь при тех же столкновениях нейтронных и кварковых звёзд их вещество может выбрасываться в пространство (с эти процессом по-видимому связано образование большей части элементов тяжелее свинца, как оказалось при обычных вспышках сверхновых их формирование идёт недостаточно эффективно). А это как раз авторы не затрагивают.

[AlexAV]

Та до сих пор на фотопленки серебра уходит и то больше.

На солнечные батареи в 2016 году уходило 2382 тонн серебра (при этом было произведено 76.1 GW солнечных панелей). Это на самом деле очень большая цифра, около 10% добычи, что уже указывает на предел масштабируемости.

Эти цифры на самом деле значат, что с учётом КИУМ процентов в 15 (это скажем среднее значение для Италии за 2017 год), то для создания системы со среднегодовой мощностью 1 ГВт нужно около 200 тонн серебра, совершенно гигантская цифра. Чтобы оценить масштаб бедствия, стоит сказать что для реактора ВВЭР-1000 нужно около 3250 тонн металла, причём конечно преимущественно стали, т.е. железа с небольшой добавкой легирующих добавок. Т.е. на строительство реактора на самом деле на единицу реальной мощности (с учётом КИУМ) уйдёт меньше никеля и хрома, чем серебра на солнечные батареи, как это не казалось бы удивительным. Т.е. тут речь совсем не об ничтожно малых количествах.

Опять же нужно помнить о почти полной неэластичности предложения серебра (его добыча довольно жестко привязана к добыче меди, цинка и свинца, при этом даже если цена серебра вырастет в 100 раз добыча изменится очень слабо). И то, что это весьма важный в технике металл, у него довольно много приложений, где оно труднозаменимо. Поэтому с масштабируемостью проблемы тут видны уже сейчас. По мере исчерпания сульфидных руд серебро и вовсе начнёт практически исчезать из обращения. Этот металл очень редок в породах земной коры, равно как почти отсутствует в морской воде. Источников откуда его можно будет взять после исчерпания сульфидных руд по сути нет (некоторые геотермальные воды разве что, но это даст несколько десятков тонн в год на всю планету в лучшем случае, с точки зрения техники это будет не так сильно отличаться от полного исчезновения, ну может быть чуть-чуть в военной технике останется, но про массовые солнечные батареи можно будет забыть).

Но если цена на серебро взлетит до небес, то переход на другие материалы не такая уже и фантастика.

А по сути альтернатив не много. Хотя бы теоретически металлизацию внешней поверхности можно делать из серебра, золота, никеля, тантала, платиновых металлов (или многослойную, где нижний слой соприкасающийся с кремнием один из перечисленных). Всё список закончен. Золото и платиноиды (как впрочем и тантал) можно отбросить сразу. Они ничуть не более доступны, чем серебро. Никель в чистом виде имеет высокое сопротивление, что сильно снижает КПД (кажется в 70-х были батареи с таким типом металлизации, КПД, если не ошибаюсь, получался процентов 10, потом все от него отказались), ну и наносить его на поверхность технологически сложнее и дороже. Многослойная металлизация (реально рассматривается структура никель-медь-серебро) - тоже менее технологична, да и серебро всё равно используется (хотя и в меньших количествах).

Вот и получается, что для дешёвых массовых батарей реальных альтернатив серебру и нет. Всё прочее или ещё дороже, или сильно хуже, или намного сложнее в использование (а значит снова дороже).
 

Низкий процент рециклинга (за исключением материалов, которые используются в качестве пленки микронных масштабов) только там, где этот материал пока что еще дешев.

Там зависимость не такая простая. Возьмём рений. Это очень дорогой металл, применяется главным образом в сплавах некоторых деталей турбин и реактивных двигателей. Доля вторичного рения в общем производстве всего около 20%, т.е. возврат при рециклинге невелик, и это несмотря на значительную ценность и дефицитность.Вообще нельзя привести практически ни одного металла, даже очень дорогого и дефицитного, как платиновые металлы, степень рециклинга которого удалось бы поднять существенно выше 70%. Не получается в нашем реальном мире.

Опять же чтобы электромобиль был не просто игрушкой для очень богатых людей - литий должен быть сравнительно дешёвым. Грубо цену отсечения для этой области можно оценить как 100$ за 1 кг карбоната лития. Это кстати уже отличается от текущей цены меньше, чем на один порядок. Сейчас средняя цена 12$/кг, и тут не надо думать, что это очень далеко от обозначенных 100$. В 2003 цена была 1,6$/кг, и всего за 15 лет выросла почти на этот порядок. При этом мы всё ещё разрабатываем самые дешёвые месторождения (рапы богатых литием солёных озёр в основном). Ещё на порядок она может вырасти легко и довольно быстро, по мере выработки самой дешёвой части запасов (которая составляет лишь очень небольшую часть общих ресурсов).

Если лития для смартфоны и ноутбуки действительно хватит надолго, то на столько дешёвый литий, чтобы имело смысл делать электромобили, закончится очень быстро.   

[AlexAV]

В деньгах это только 100млн$, а реактор стоит судя по всему где то 5млрд$.

Сегодня - да, доля стоимости серебра в стоимости СЭС не так велика. Но у серебра нет потолка цены. Начнут исчерпываться сульфидные руды (а это не такое уж отдалённое от нас время, уже через несколько десятилетий проблемы в этом плане появятся) и серебро может подорожать и в 10 раз, и в 100 раз, и больше. Причём при почти полной неэластичности предложения, вот сколько попутно извлекается - столько и будет почти без какой-либо зависимости от цены серебра с долгосрочной перспективой падения до нуля. И всё, приехали. Т.е. солнечная энергетика в современном виде критически зависит от редкого невозобновляемого ресурса с немасштабируемой добычей и перспективой полного исчерпания в достаточно обозримые сроки. А это значит её вообще нельзя относить к возобновляемым. Она ещё мене возобновляемая, чем угольная ТЭС. Угля хватит на больший срок, чем серебра.

С АЭС в этом плане тоже не так все просто, хорошая сталь требует лигатур, но все же не такая безнадёжная. В этом плане АЭС (с ураном из морской воды) с большим правом надо считать ВИЭ (ну или правильнее квазиВИЭ), чем СЭС с современными солнечными батареями.

[AlexAV]

А тут где-то говорилось, я уже не буду искать, что всю таблицу Менделеева, в т.ч. серебро и т.д. - проще простого добывать из океанской воды,

Нет в морской воде серебра в весомых количествах, и кстати большинства других элементов тоже нет. Натрий, калий, магний, хлор, бром, серу оттуда можно добывать. Промежуточное положение занимает бор и стронций (их мало, извлекать сложно и дорого, но теоретически возможно). Возможно также можно извлекать немного лития (очень мало и очень дорого, ни о каких электромобилях с таким литием речи даже не идёт) и рубидия. Ну ещё уран, с котором ситуация особая, он содержит на столько много энергии (при использование в замкнутом цикле с быстрыми реакторами с КВ>1), что способен окупить очень высокие затраты на извлечение. По большей части всё.

То что из морской воды можно извлечь любые элементы - миф. Список того, что оттуда хотя бы потенциально можно получить весьма ограничен. Более менее уверенно на самом деле (есть опыт промышленной добычи) вообще можно говорить только о соли (хлориде натрия), сульфатах (мирабилите) и магнии. Больше ничего в промышленных масштабах из морской воды никогда и никто не извлекал.

[AlexAV]

Есть же архитектуры с алюминиевым или кальциевым электродом.

Алюминий допирует кремний по p-типу (является акцепторной примесью). Поэтому его можно использовать для металлизации только на одной поверхности (обычно используется на тыльной). Для второй нужен другой материал (который допирует по n-типу, или не оказывает влияния на кремний), иначе вообще ничего работать не будет. Одним алюминием обойтись не получается.

Кальций тоже сомнительно, хотя бы по той причине, что силициды кальция (их слой на границе кремний-кальций так или иначе будет образовываться) диэлектрики. Да и коррозии он подвергается очень легко.

Все ожидают, что в ближайшее время очень даже могут прийти аккумуляторы на другой основе. Фуллеренов и другие.

Пытались искать электродные материалы, пригодные для работы натрий-ионного элемента, но успехи в этом деле не очень велики. Ион натрия имеет большой объём в следствие чего в цикле заряда-разряда материалы сильно меняют объём и быстро деградирует. Пока эту проблему преодолеть не удаётся, причём непонятно возможно ли это в принципе.  Ёмкость, которую дают большинство перспективных материалов, также сильно меньше, чем для литий-ионных аккумуляторов, как и возможные скорости разряда/заряда, в силу меньших значений коэффициентов диффузии натрия. Литий в плане ионного радиуса (у магния близкий, но для него вообще кажется не найдено ни одного материала пригодного для электродов гипотетического магний-ионного элемента, т.е. способного его обратимо принимать и отдавать) и коэффициентов диффузии в кристаллических структурах - уникален.

А больше даже и кандидатов по сути нет.

Как раз у лития в автомобильных батареях процент рециклинга должен быть очень высоким.

Для другого аккумуляторного металла - свинца степень возврата не превышает 70%. Не думаю, что у лития будет сильно больше.

[AlexAV]

Я так понимаю, 30%  - это не потери при переработке, а процент недобросовестных людей, которые предпочитают выкинуть токсичный свинец на ближайшей свалке, а не отвести в пункт приема. Стоил бы свинец на порядок дороже и плати за старые аккумуляторы приличные деньги, таких бы стало на порядок меньше.

Ну в Японии допустим так и будет, и Вы соберёте 95%. А в Зимбабве (условно) не будет ни пунктов приёма, ни заводов по переработке, и возвращаться будет величина не сильно отличная от нуля. При этом в условиях открытого рынка стоимость нового изделия в Зимбабве или Японии будет одинакова (с разницей только в стоимости доставки). В результате безалаберность наших условных зимбабвийцев будет вымывать из обращения материал в глобальном масштабе, делая его малодоступным и для (условных) аккуратных японцев.

Социальный фактор потерь - не такая уж простая проблема. В текущей мировой социально-экономической модели с глобальным относительно свободным рынком она вообще едва ли имеет решение. Ты можешь экономить, но от этого будет мало проку, если твой сосед сливает данный материал в канализацию. При открытом рынке это будет не только проблема соседа, но и твоя, но повлиять на него не будет никакой возможности.

Тут какая-то реальная эффективность в глобальном масштабе может быть только в модели, когда каждая страна строит своё чучхе, а международная торговля ограниченна. Но это должен быть уже другой мир и другая цивилизация.

Для лития ситуация значительно проще,

Для лития на текущий момент вообще нет промышленной технологии извлечения из старых аккумуляторов, при их переработке выделяют только материалы катода - никель и кобальт. Поскольку значительная его часть находится в виде интеркалятов в материале электрода, то его полное извлечение от туда не совсем тривиальная задача.

Кое-что предлагается, скажем так: https://quibbll.com/44233-plesen-budut-primenyat-dlya-polucheniya-litiya-iz-staryh-akkumulyatorov/

Но, обратите внимание, что извлечение далеко не полное, литий только на 85%.

Это технические проблемы, к непреодолимым не относятся.

После того как таких технических проблем становится слишком много (а решение каждой из них ведь повышает себестоимость), изделие по причине высокой цены становится никому не интересно.

Опять же те же диэлектрические силициды - потенциально проблема уже не совсем техническая. На границе материала в спае они в любом случае будут образовываться и могут сделать сопротивление спая неприемлемым. На сколько это будет существенная проблемой на практике точно сказать трудно, кажется никто с таким экзотическим материалом для металлизации как кальций никогда не работал, но потенциально из-за этого тут могут быть проблемы.

[AlexAV]

росто в цену изделия закладываем возврат. И вуаля. Типо лимонад за 25$, возврат бутылки 24 $ возращает.

Это можно сделать на внутреннем рынке, но не при международной торговле. Допустим (все страны условные) в Японии и Индонезии есть по аккумуляторному заводу. Завод в Японии закладывает возврат, а завод в Индонезии нет (заставить его у японцев естественно нет никакой возможно). Чью продукцию выберет покупатель допустим той же Зимбабве? При прочих равных -ответ очевиден, у кого дешевле и не обременена какими-то дополнительными обязательствами. И завод в Японии в результате конкурентное проигрывает. При протекционистских мерах и заградительных пошлинах работает только на внутренний рынок, а при их отсутствии просто банкротится.

Эти меры можно сделать в рамках одного государства, но во всемирном масштабе (со множеством разнородных государств) при свободном рынке - нет.

[AlexAV]

Но сам вопрос я не понял.  Ну и что что входит в решетку других металлов? Зато, в отличии от последних, прекрасно также входит в виде иона в воду. Это же щелочной металл! Что-что, а отделить литий от всего другого - это проблем составлять не должно.

Часть лития связывается с дефектами решётки и вот её выковыривать довольно сложно. При обычной реактивами в водном растворе он выходить не будет.  Разве что сжечь графитовый электрод и извлекать из золы, так будет почти полностью. Но это опять же дополнительные технологические операции, которые не бесплатны, да и экологические проблемы полезут (из-за фторсодержащих компонентов электролита).

Конечно, пока есть дешевый литий из доступной рапы, полного извлечения из б/у изделий также никто добиваться не будет.

Да как-то же хоть и дешёвый, но уже не очень. 12$/кг карбоната это ещё немного, но уже нельзя считать пренебрежимо малой цифрой.

[AlexAV]

Подписываем соглашение в ВТО, всех кто не выполняет порем большим финансовым ремнём.

Наша условная Индонезия выходит из ВТО. Что ей с Зимбабве торговать не помешает. И дальше что?

[AlexAV]

Нам все равно придется растворять материал электродов.

Один из электродов - графитовый. А графит - это не тот материал, который легко в чём-то растворить.

[AlexAV]

А дальше пишем, с лицами не входящими в ВТО запрещено торговать 

После чего из ВТО выходят вообще все, т.к. издержки нахождения в нём превышают пользу.  

[AlexAV]

Дык вот с его слов в те былинные времена литий был дешев дальше некуда, ибо был отходом более важной технологической цепочки. Дык вот если восстановить ту самую цепочку - отвального лития-7 будет немерянно...

Если речь об изотопном обогащение, то им занимались под оружейные цели. Отвальный литий-7 при этом естественно отход со всеми вытекающими. Ну и понятно военные для изделий особого назначения себе литий достанут при любой себестоимости. Но это всё же не тот объём, который не то что для электромобилей, но даже для электроники нужен. В 60-х - 70-х у лития было мало областей применения, поэтому даже малые объёмы могли быть избыточны, его потребление стало сильно увеличиваться (после начала широко использования литий-ионных колебаний) только с 90-х.

Да и вообще литий несамый критический  элемент в литиевой батарее

Ну это да. Для высокоёмких с кобальтом проблемы возникнут раньше.