Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

С шлифованием проблем нет?

По идее абразивных материалов на основе корунда (это оксид алюминия) для большинства оптических стекол должно быть достаточно.

[AlexAV]

Не проще ли и дешевле - просто перегнать коричное масло? Даже сырьё тут вроде как дешевле чем горький миндаль.

Проще и дешевле. В этом случае совсем всё просто. Сухая перегонка (при которой коричная кислота разлагается до стирола) и ректификация того что получилось. Т.е. вообще какой-то сложной химии не нужно. Единственно на счёт того как обстоит со стоимостью сырья для производства коричного масла - не знаю.

[AlexAV]

Концентрация меди в нем 0,7%, это на два порядка больше кларка.

Там медь присутствует в виде собственного минерала, т.е. такая руда может быть обогащена относительно простыми физическими методами. При кларковом же содержании медь - изоморфная примесь и обогащение  физическими методами невозможно. Это очень большая разница.

На указанном месторождении меди руду сначала будут обогащать физическими методами до получения концентрата с содержанием меди около 20% и уже только потом извлекать оттуда медь химическими методами. А когда физическое обогащение невозможно - тут уже получается принципиально иная ситуация, гораздо более плохая. Напрямую химически перерабатывать бедное медное сырьё (особенно с высоким содержанием карбонатов) без предварительного обогащения (для пород с кларковым содержанием оно заведомо невозможно) - это безумно дорого. Собственно, такое не обогащаемое сырьё сейчас вообще рудой считать нельзя.   
 

Если в качестве сырья использовать конечный продукт выветривания океанический ил,  и выделять из него не одну мель а комплекс элементов,

Какие элементы? Какими методами? Это бессодержательная болтовня на самом деле. Из бедного необогащаемого сырья медь сейчас вообще не извлекают (и уж тем более содержащего значительное количество карбонатного материала, как донные осадки).

я сомневаюсь что медь когда нибудь подорожает более чем на порядок от текущих цен.

При прочих равных себестоимость растёт обратно-пропорционально концентрации. Т.е. минимум на два порядка должна подорожать. Так как, в отличие от применяемых сейчас руд, породы с кларковым содержанием не содержат обычно собственных минералов меди, и тут для извлечения будут нужны методы сильно более сложные и дорогостоящие, чем применяются сейчас, то намного больше. Минимум на три порядка (если конечно медь не окажется естественным попутным компонентом к чему-то массовому, вроде железа или алюминия, но в этом случае хоть и может быть дешевле, но только в ограниченных количествах, определяемых доступностью основного компонента и соотношением кларков основного компонента и меди).

[AlexAV]

то есть и титан

С титаном сложнее. Его не так чтобы совсем мало, но всё же для извлечения как самостоятельного продукта из пород с кларковым содержанием недостаточно. Соответственно его доступность будет определяться во многом принятой технологией производства алюминия. Если она будет такой, что титан будет получаться в виде более-менее естественно попутного продукта - титан будет относительно доступен. Если нет - с титаном тоже будут проблемы (не такие, как с медью и, уж тем более, серебром, но всё равно его будет очень мало и он будет в этом случае очень дорогим).

Аналогично кстати с марганцем, но тут несколько проще. Марганец - спутник железа и практически всегда может быть довольное естественным образом извлечен совместно с ним. Тут скорее тяжелее придумать схему извлечения железа из очень бедного сырья, которая бы не извлекала бы марганец, чем ту где они довольно естественным образом извлекаются совместно. Плюс главный потребитель марганца - черная металлургия. И тут соотношение потребности в марганце к потребности в железе с соотношением кларков марганца и железа довольно хорошо согласованы (в части потребления сейчас соотношение Fe:Mn = 1:76.5, а соотношение кларков Fe:Mn =1:43, т.е. марганца получаемого попутно должно хватать как минимум для удовлетворения нужд черной металлургии). Т.е. в том случае, если не появится какая-то новая отрасль, которая будет требовать очень много марганца и структура его потребления останется приблизительно похожей на современную, того объёма марганца, который можно получать попутно с железом должно хватать.

[AlexAV]

получением водорода из воды электролизом

Для более менее надежного и производительного электролизера нужен как минимум никель, а лучше платиновые металлы. Из углеродистой стали делать анод можно (в начале 20-го века такие электролизеры были), но срок службы и производительность таких электролизеров получается низкой, обслуживание сложным и дорогим, а получаемый на них водород, соответственно, будет золотым.

[AlexAV]

Марганец - спутник железа и практически всегда может быть довольное естественным образом извлечен совместно с ним.

Если ещё говорить об очень-очень естественных попутных компонентах к железу, то к ним ещё могут относиться ещё три на первый взгляд крайне не очевидных элементов. Правда не при любом способе выделения железа, а только при одном конкретном - восстановительная плавка породы. Это вся IIB подгруппа, т.е. цинк, кадмий и ртуть. Особенность всех трёх металлов состоит в том, что они довольно легко восстанавливаются, а в металлическом состояние довольно летучи. При температуре плавления железа все три этих металла почти количественно из расплава будут уходить в газовую фазу (особенно если через расплав продуть инертный газ), концентрируясь в золе уноса (цинк и кадмий), или (если пропустить отходящий газ через колонку с серной кислотой) в жидкой фазе такого кислотного фильтра (в этом случае задерживаться будут все три металла, включая ртуть). Содержание этих трех металлов в отходах, получаемых при очистке отходящих газов такого производства будет в сотни-тысячи раз выше, чем в исходной породе.

Т.е. при условии что железо из бедного сырья будут получать переплавкой породы с восстановителем (при этом железо практически количествено восстанавливается даже коксом, не говоря уже о более сильных восстановителях вроде карбида или силицида кальция, и получаемое жидкое железо может быть легко отделено от оставшегося расплава породы даже если его получается не очень много), то к условно-доступным элементам (в пределах объёмов определяемых потребностью железа и соотношением кларков элемента к кларку железа) можно будет также отнести цинк, кадмий и ртуть. Причём несмотря на чудовищную редкость ртути из-за удачного сочетания физических и химических свойств (очень летучий и по сути благородный металл) может оказаться более доступна, чем абсолютное большинство других элементов из нижней части таблицы кларков. В общем, возможно, металл алхимиков  для технологии будущее будет играть очень и очень важную роль.

[AlexAV]

Катод для электролизеров поваренной соли..
Ну и рабочее тело градусника медицинского....

Сейчас - небольшая. А вообще из довольно очевидного - легкоплавкие сплавы (сейчас в этой области из-за токсичности ртуть с кадмием не очень популярны, но если олова, висмута и индия нет совсем - тут просто выбора не будет), источники света, потенциально полупроводники (сульфиды кадмия и ртути - довольно интересные по свойствам полупроводники, скажем киноварь - прямозонный полупроводник с довольно широкой запрещенной зоной (2.1 эВ), другая модификация сульфида ртути бета-HgS - тоже прямозонной (но с узкой запрещенной зоной, 0.15 эВ), а прямозонных полупроводников вообще не так уж много, сейчас в этом качестве в основном используют системы InGaN и InGaP, а система СdHgS в принципе потенциально может быть интересна для тех же светодиодов (и других приложений, где важно использование именно прямозонного полупроводника) вместо индий-содержащих полупроводников, так как индий вообще непонятно откуда брать), измерительная аппаратура (прецессионные термопары они вообще-то без платиновых металлов не получаются, а если платиновых не будет, то придется возвращаться к ртутным термометрам, измерение Red/Ox потенциалов (каломельный электрод сравнения)).

Ещё одно важное применение ртути - катализатор в органическом синтезе (та же реакция Кучерова, способ получения ацетальдегида из ацетилена, или производство винилхлорида (присоединением хлороводорода к ацетилену, там тоже используется ртутный катализатор)).

Насколько помню это не очень удачный теплоноситель для быстрых реакторов.

Да. Главная причина - сейчас не найдено хороших конструкционных материалов , пригодных для создания корпуса и оснастки реактора, которые были бы устойчивы к её действию. Как оказалось сталь в условиях реактора она разрушает неприемлемо быстро.

[AlexAV]

Я еще и про лантоноиды вспопнил бы.

Лантаноиды - это скорее попутный компонент при получении алюминия, а не железа (только при его выщелачивании из породы кислотными методами, при его выделение через хлорирующих обжих или большинством пирохимических методов (вроде этого https://ozlib.com/804027/ekologiya/proizvodstvo_alyuminiya_nefelina) лантаноиды выделяться не будут).

[AlexAV]

Кастнер-Кёлльнер процесс.

Хлор потом куда-то девать нужно. Хорошо когда для него есть полезное применение (тогда водород просто можно рассматривать как побочный продукт, получаемый параллельно с хлором). Но водорода для получения азотных удобрений через аммиак будет требоваться столько, что такое количество хлора, которое будет получаться совместно с ним просто некуда будет девать. Его придётся как-то утилизировать, а это та ещё проблема.

анод графит(возьмём пиролитический) или железный(графит вероятно лучше).

В промышленности при электролизе растворов хлоридов раньше использовали графитовые, сейчас практически повсеместно перешли на ОРТА аноды (титан покрытый платиновыми металлами). Графитовые аноды подвержены сильной эрозии и после них остаётся огромное количество отходов в виде хлорированного графита, который непонятно куда девать. Хотя, конечно, в отсутствии платиновых металлов вернутся на графитовые, куда денутся. На безрыбье и рак - рыба. Но получать так водород для связывания 200 млн. тонн аммиака таким способом выглядит как-то не очень реалистично.

Мне на самом деле в указанных условиях больше всего нравится прямое связывание в плазме ВЧ разряде. По энергозатратам получается соизмеримо с получением аммиака из электролизного водорода (с учётом затрат электроэнергии на электролиз), а аппаратное оформление куда проще, как и требование к материалам установки. Единственно тут без хорошей высокочастотной электроники ничего не получится, а на сколько она будет доступна в описываемых условиях - не знаю.

[AlexAV]

А какова вообще роль даного металла?

Да, ещё забыл. Капсюли патронов в качестве инициирующего ВВ чаще всего используют фульминат ртути (есть без ртутные составы, на основе тринитрорезорцината и азида свинца, но гремучая ртуть в этой области и сейчас широко используется). Капсюль теоретически можно сделать и без ртути и свинца, но с фульминатом ртути получается всё ровно проще, лучше и технологичнее.

[AlexAV]

Микроволновка? Получается производство окислов азота(NO,NO2) без электродов?

Да, по сути именно так, без электродов. Чем СВЧ разряд и хорош, т.е. отсутствием электродов и соответственно проблем связанных с их эрозией. Т.е. берем кварцевый резонатор покрытой металлизацией с внешней стороны, помещаем в магнитное поле (высокая эффективность достигается только в режиме электронного циклотронного резонанса), подводим к нему СВЧ поле нужной интенсивности и частоты, и прокачиваем воздух при требуемом давлении (обычно ниже атмосферного). При этом в плазме образующейся в резонаторе идёт реакция N2 + O2 = 2NO.

[AlexAV]

кларк ртути на уровне серебра... юоюсь, что осенлвные меторождения ртути уже исчерпаны

Кларк серебра очень мал. Но это очень летучий благородный металл и это дает некоторые возможности. Если взять условный подмосковный суглинок, смешать с некоторым количеством кокса и переплавить - то в ходе этой процедуры ртуть почти количественно уйдет в газовую фазу откуда её довольно легко сорбировать (скажем пропустить этот газ через серную кислоту с добавкой трехвалентного сульфата железа). Заниматься этим только ради ртути - абсурд, но если всё железо будет получаться таким способом (восстановительной плавкой породы с кларковым содержанием железа), то в качестве побочного продукта теоретически можно получить довольно заметное количество ртути. Где-то 1.2 тонны на каждый 1 млн. тонн выплавляемого железа. Главное такое её попутное извлечение (если мы все равно плавим породу ради извлечения железа) почти ничего не будет стоить (потребуется только поставить фильтры, которые бы могли сорбировать ртуть из отходящего газа).   

[AlexAV]

предлагаемой изобретателями установки очень жесткие требования к охлаждению, даже при небольшой повышении температуры КПД установки резко падает.

В этой части у данного метода только одно существенное требование. Температура нейтральной компоненты плазмы в резонаторе не должна быть выше 1500К (выше начинается термическое существенное разложение NO и энергетическая эффективность падает). Если взять температуру нейтральной компоненты 1200 К (с некоторым запасом), то отводимый тепловой поток при температуре поверхности через которую идет теплообмен 77 К (температура кипения азота) и 373 К (температура кипения воды) будет отличаться всего на 24%. Это отличие не кажется таким большим чтобы можно было говорить о невозможности использования водяного охлаждения здесь.

[AlexAV]

У авиации главный лимит - топливо.

Топливо - это лимит на масштаб использования, а не на возможность технической реализации. Так-то можно и на этиловом спирте летать (дальность сократится по сравнению с керосином из-за несколько меньшей теплоты сгорания, но не критически, где-то на 30%). Мне очень не нравится тут другое. Горячие части турбин делают из жаропрочных суперсплавов, а там состав что-то вроде такого (основа - никель, в таблице указаны все компоненты кроме никеля, содержание никеля соответственно 100% минус сумма содержания компонент приведенных в таблице):



А там все - и кобальт, и молибден, и вольфрам, и ниобий, и рений. Не говоря уж о никеле, который является основным компонентом большинства сплавов. Причём этих суперсплавов в авиационной турбине очень много, процентов  так 40 массы двигателя. И без этого всего реактивный самолёт (да и вообще любой самолет с газотурбинным двигателем) не полетит. Ещё одна проблема - дюралюминий. Для высокопрочных алюминиевых сплавов  - медь одна из незаменимых лигатур (и ещё цинк, но с ним как-то проще).

Что-то летающее построить конечно можно будет, но как бы это что-то не оказалось только бипланом (схема биплана очень сильно позволяет снизить требования на прочность материалов, собственно поэтому большинство ранних самолетов были бипланы, не оттого что не знали как построить моноплан, а от того что не было материалов чтобы сделать такой моноплан, чтобы он не развалился) с поршневым двигателем.

Графит? Отлично, с ним точно проблем не будет.

Материал анода радиолампы не очень критичен. Там и графит пойдет и даже сталь. Куда хуже с катодом. Там материал должен быть достаточно жаростойким и инертным к эмитирующему покрытию (оксиды щелочноземельных металлов или тория), графит тут точно не пойдёт (он при высокой температуре в вакууме становится не очень инертным). Вот тут без или никель, или молибдена, или вольфрама - очень сложно обойтись. Тут впрочем можно попробовать заменить никель железом высокой чистоты (карбонильным). Железо к указанным оксидам при типичной температуре оксидного катода (около 800 градусов) к оксидам щелочных металлов абсолютно инертно. Но тут как минимум техническая сложность изготовления катода сильно вырастит (никель довольно устойчив к окислению, а сделать не окисленный слой губчатого железа не загрязненного оксидами железа - нужно очень постараться).

С ториевыми катодами, кстати, в плане материалов катода всё сильно хуже. Там рабочая температура 1800 – 1900 К - выше температуры плавления и никеля и железа. И тут вообще разумных альтернатив кроме молибдена и вольфрама нет.

бария, стронция и кальция (их оксидов).

Нет, одним кальцием тут не обойдешься, без бария оксидный катод не работает.

В ториевом в покрытии кроме оксида тория ничего не нудно, но там температуры высокие и материал основы катода, соответственно, должен быть тугоплавким.

Не удалось найти, из чего делают управляющую сетку.

Управляющую можно делать из чего угодно, в принципе даже из той же стали.

В лампах есть ещё один довольно сложный узел - герметичный стык стекло металл (нужно пропаивать через стеклянную колбу контакты так чтобы при температурных перепадах всё это не растрескалось и не пропускало воздух). А тут по сути два варианта. Или нужен металл с таким же коэффициентом теплового расширения, как стекло (и тут выбор не очень большой, на практике в основном используют платинит - сплав никеля и железа). Или делать ртутный жидкий уплотнитель.

[AlexAV]

И тут вообще разумных альтернатив кроме молибдена и вольфрама нет.

Технеций, кстати, подойдет. Но это если с ядерной энергетикой и без радиофонии.

[AlexAV]

Гесаборид лантана

Это покрытие. Рабочая температура 1650 градусов, значит и металл основы должен быть тугоплавким. Т.е. вольфрам или молибден. Хотя гексахорд лантана сам по себе имеет металлическую проводимость, что позволяет использовать его не как покрытие, а делать электрод полностью из него. Но это не очень технологично, материал хрупкий, и потребует большого расхода лантана. А лантан - тоже редкий элемент, который будет довольно малодоступным.

[AlexAV]

Да с доступностью всё хорошо, кларк лантана лишь вдвое меньше кларка цинка.

32 ppm - это довольно мало, не радикально больше, чем у галлия и скандия (18 и 16 ppm соответственно). Скандий,у которого хороших руд практически нет, извлекают всего около 15 тонн на всю планету, а его фактическая недоступность очень сильно ограничивает возможность его технического применения, хотя металл потенциально очень ценный, скажем легирование скандием алюминиевых сплавов может довольно существенно улучшать их механические свойства. Причём и эти 15 тонн - в основном получают как попутный компонент к РЗЭ при извлечении их из некоторых руд, а не как самостоятельный продукт из пород с кларковым содержанием. Пример скандия хорошо иллюстрирует на сколько "доступны" элементы с кларками масштаба 10 - 40 ppm когда концентрированных руд нет. Практически совсем недоступными они в этом случае получаются.

Если лантан не окажется удачным попутным компонентом в железу или алюминию из бедного сырья - после исчерпания руд редкоземельных металлов будет практически недоступен.

[AlexAV]

Для катализа должно хватить элементов, добываемых попутно, там же всё тонкие напыления используют.

На самом деле не так уж и мало, для более-менее массовых процессов собственно каталитические материалы расходуются десятками, сотнями, а то и тысячами тонн. Даже по очень дорогим каталитическим материалам вроде родия, который очень сильно экономят, расход по сумме получается очень существенный (конкретно около 80% всего добываемого родия расходуется на катализаторы, а это около 24 тонн, для такого редкого элемента - это много).

Что касается того, что можно получить при попутной добычи - тут смотря чего. Несколько сотен тонн оксида цинка или хрома так наковырять можно и на катализаторы этого хватит. А вот платиновые металлы (а они как катализаторы органического синтеза играют исключительно большую роль) вы даже в количестве единиц - десятков тонн ниоткуда не возьмете. Их вообще после исчерпания месторождения хоть в каких-то количествах брать неясно где. Их просто не будет. И тут особого выбора не останется - придётся искать такие цепочки синтеза, чтобы ни на одной стадии катализаторы из практически недоступных элементов были не нужны. Для органического синтеза это создаст на самом деле очень серьёзную проблему.

Кстати поэтому мне идея с азотнокислым выщелачиванием не особо нравится. Сейчас неизвестен ни один достаточно хороший (пригодный для промышленного применения) катализатор окисления аммиака в оксиды азота, кроме платино-родиевого. И это может создать очень серьёзные проблемы с её производством (обходные пути придумать можно, но это будут те ещё пляски с бубном и такая кислота будет очень дорогой, это если связывать азот через аммиак).

[AlexAV]

Это вообще не проблема: можно использовать титан, сталь, углепластик, стеклопластик.

Ну в принципе да. Дюраль можно заменить ВТ5 (сплав титана и алюминия без дополнительных компонентов), у него удельная прочность приблизительно такая же как у дюрали, ну и можно шире использовать в конструкции самолета углепластики и стеклопластики. Но все это куда менее удобно и технологично при производстве, соответственно стоимость конструкции самолета довольно серьёзно вырастет.

Углеродистая сталь - точно нет, по удельной прочности она проигрывает дюрали в разы, экономические параметры самолета из такого материала, если он вообще взлетит, будут совсем ужасны. Сложнолегированные же стали требуют для своего производства много никеля, хрома, а часто и молибдена с ванадием. По удельной прочности могут существенно превышать углеродистую сталь, но рассматривать их в данном контексте из-за проблем с доступностью лигатур смысла не имеет.

[AlexAV]

Снимаем и отвозим на переработку.

Вот с катализаторами так очень не всегда получается. В том смысле, что там часто наблюдается очень существенный унос активного вещества, которое необратимо теряется с производимым продуктом. Переработка отработанного катализатора из-за наличия таких потерь полностью вернуть активное вещество, затраченное на его производство, в результате не позволяет.

Если удастся добиться хотя бы 50% рециклинга /а все химические предприятия будут крупными, т.к. будут привязаны к относительно немногочисленным источникам дешёвой энергии и организовать централизованный сбор и пререработку катализаторов будет относительно просто/, то потребное количество родия снижается до 12 т. Так же может быть и с другими элементами.

Отработанный родий-содержащий катализатор и так никто не выбрасывает. Родий вообще-то и сейчас очень дорогой металл. Так что в этой цифре потребления максимально технически возможная степень рециклинга уже заложена. За счёт этого тут далее уже ничего не улучшишь.