В мире металлов

Мечта номер один

В одном из интервью известному советскому кристаллографу и геохимику академику Н.В.Белову был задан вопрос о его планах и мечтах. "Ну что же, можно и о мечтах, — ответил ученый. — Но уж коли мечтать, так с размахом! Вот мечта номер один. Вы знаете, что алюминий получают из бокситов, не очень богато представленных в природе? В нашей стране есть и другое алюминиевое сырье — нефелины. Но в принципе возможно получение этого металла из обыкновенной глины. Это было бы революцией в цветной металлургии. Хотелось бы, чтобы кристаллографы и кристаллохимики внесли свой вклад в подготовку этой революции. Такова моя в полном смысле слова рабочая мечта. То есть над ней надо работать, и она, надеюсь, осуществится. Ведь каждое открытие — это осуществленная мечта".

Магнитная скала

Сотни блестящих инженерных идей знаменитого Эдисона были претворены в жизнь. Но даже среди его нереализованных проектов немало таких, которые и сейчас поражают своей технической смелостью.

В начале 90-х годов прошлого века изобретатель предложил создать грандиозный исследовательский магнит для регистрации электромагнитных процессов, происходящих на Солнце. Для этого он намеревался использовать отвесную скалу, находившуюся вблизи города Огдена (США, штат Нью-Джерси). Дело в том, что эта скала массой не менее 100 миллионов тонн состояла из магнитного железняка. Если ее обмотать "как следует" проволокой, то она будет играть роль сердечника гигантского электромагнита, характеризующегося огромной индуктивностью. Такой "макси-прибор" достаточно чутко реагировал бы на изменения магнитного состояния Солнца.

В наши дни ученые располагают радиотелескопами и другими совершенными устройствами, позволяющими внимательно следить за небесным светилом, и поэтому нет нужды опутывать скалы проволочными канатами. Но для своего времени проект Эдисона был необычайно интересным и вполне обоснованным.

"Ну, Запсибовна, поехали!"

Практика отечественной металлургии знает немало случаев, когда по тем или иным причинам приходилось передвигать доменную печь с одного места на другое. Но, пожалуй, своеобразной рекордсменкой по таким перемещениям следует признать доменную печь Западно-Сибирского металлургического завода, совершившую в 1976 году стометровую прогулку по заводской территории. Во-первых, сибирячка значительно солидней других "путешественниц" (ее объем 3000 кубометров, масса около 13 тысяч тонн), а во-вторых, ни одна из печей не преодолевала такое расстояние.

Разумеется, не ради рекорда пошли специалисты на этот смелый эксперимент. Реконструкцией Запсиба предусматривалось резкое увеличение производства чугуна. Можно было пойти по обычному пути: сломать старую небольшую печь и на ее месте воздвигнуть новую. Но при этом пришлось бы примириться с немалыми потерями металла. Тогда-то и решили построить печь недалеко от действующей, а потом произвести замену. Пока возводили семидесятиметровую богатырскую домну, ее предшественница не теряла времени даром: она выплавила свыше 700 тысяч тонн чугуна.

И вот настал день, когда могучая домна, опоясанная шутливой надписью "Ну, Запсибовна, поехали!", отправилась в путь на катках из специальной стали по двум широким бетонным полосам, покрытым стальными слябами.

Сотни работников завода с интересом наблюдали, как печь, повинуясь туго натянутым тросам, медленно, но верно двигалась к своему постоянному "местожительству". Каждую минуту она преодолевала 300 миллиметров, а тем временем чуткие тензометры следили за состоянием всех ее конструкций. К вечеру "Запсибовна" прошла значительную часть пути, а утром, в предрассветный час, опередив расчетный график, печь закончила свой маршрут. В начале 1977 года домна-передвижница уже дала первый чугун.

Подобно сказочным гномам

Одно из интересных направлений развития гидрометаллургии — совершенствование микробиологических способов получения различных цветных металлов. Как известно, микроорганизмы играют важную роль в круговороте веществ в природе. Установлено, что именно микробы "виновны" в образовании ряда рудных ископаемых. Еще академик В.И.Вернадский придавал большое значение идеям геомикробиологии. Сегодня они находят уже практическое применение.

Знакомство представителей технического мира с микроорганизмами, проявляющими металлургические "наклонности", состоялось в начале нашего века. В американском штате Юта были закрыты медные рудники: решив, что запасы руды уже исчерпаны, хозяева рудников затопили их водой. Когда спустя два года воду откачали, из нее извлекли 12 тысяч тонн меди. Подобный случай произошел и в Мексике, где из заброшенных рудников, на которые все махнули рукой, только за один год удалось "вычерпать" 10 тысяч тонн меди.

Откуда же берется эта медь? Оказалось, что среди бактерий есть такие, для которых любимым лакомством служат сернистые соединения некоторых металлов. Поскольку медь в природе обычно связана с серой, эти бактерии неравнодушны к медным рудам. Окисляя нерастворимые в воде сульфиды меди, бактерии превращают их в легко растворимые соединения, причем процесс протекает очень быстро.

Исследования, проведенные в Институте микробиологии Академии наук СССР, показали, что"не медью единой" интересуются промышленные бактерии. Их вкусы весьма разнообразны: с их помощью можно извлекать из земных недр железо, цинк, никель, кобальт, титан, алюминий, свинец, висмут и многие другие элементы, в том числе такие ценные, как золото, уран, германий, рений. Несколько лет назад ученые института доказали возможность получения путем бактериального выщелачивания редких металлов — галлия, индия, таллия.

"В ближайшее время, — делится своими мыслями академик А.А.Имшенецкий, — в промышленности начнут широко применяться микробы как активные "производители" ценных металлов . . . Нет сомнения, что использование микробов в гидрометаллургии сделает ее одной из ведущих отраслей промышленности конца нашего столетия. Культуры микробов, окисляющие соединения серы и других элементов, явятся одним из наиболее совершенных и дешевых металлургических "агентов", да к тому же это производство легко полностью автоматизировать".

"Пусть всегда будет солнце!"

Крым славится обилием солнечных дней. Именно поэтому ученые Института проблем материаловедения АН УССР решили соорудить здесь гелиоцентр, строительство которого ведется в поселке Кацивели близ Симеиза.

Уже несколько лет услугами Солнца в Крыму пользуются не только желающие приобрести шоколадный загар: так, гелиоустановка отапливает пятиэтажное здание гостиницы "Спортивная", обеспечивает ее горячей водой. Такая же установка действует и в ялтинском Доме быта. С вводом в строй гелиоцентра небесное светило начнет выполнять новое ответственное задание ученых: с помощью его энергии предполагается получать сверхчистые металлы и сплавы.

Сотни гелиостатов, автоматически поворачивающихся вокруг своей оси вслед за Солнцем, будут ловить его лучи и направлять их на большие параболические зеркала, температура в фокусе которых достигнет 3500°С. Стерильные условия в такой "печи" позволят получать металлические и другие материалы высокой степени чистоты.

По "рецепту" ЭВМ

Сегодня уже никого не удивишь тем, что электронные вычислительные машины рассчитывают траектории космических кораблей, играют в шахматы, переводят тексты с одного языка на другой. А нельзя ли вменить в обязанности ЭВМ создание новых сплавов, обладающих уникальными свойствами? Можно было предположить, что решение подобных задач по плечу ЭВМ, конечно, при условии, что ученые обеспечат машины необходимой "информацией к размышлению".

Такую проблему поставили перед собой несколько лет назад ученые Института металлургии имени А.А.Байкова Академии наук СССР. Прежде всего предстояло найти общий язык с машиной, на котором можно было бы отдавать ей нужные команды. И такой язык — соответствующие алгоритмы — ученым удалось разработать. В память ЭВМ "Минск-22" были введены результаты исследований примерно полутора тысяч различных сплавов и, кроме того, "анкетные данные" металлов — электронное строение их атомов, температуры плавления, типы кристаллических решеток и многие другие сведения, характерные для каждого из металлов. Зная все это, машина должна была предсказать, какие неизвестные ранее соединения могут быть получены, указать их основные свойства, а следовательно, и подобрать им подходящие области применения.

Представьте себе, что такая задача решалась бы, как и прежде, "ручным" способом - путем обычных экспериментов. Это значило бы, что к каждому металлу нужно добавить различные количества другого металла, выбранного по тем или иным соображениям, из полученных сплавов приготовить образцы, затем подвергнуть их физическим и химическим исследованиям и т.д., и т.п. Ну, а если задаться целью изучить все возможные комбинации не двух, а трех, четырех, пяти компонентов? Эта работа заняла бы десятки, а то и сотни лет. К тому же для проведения опытов понадобилось бы огромное количество металлов, многие из которых дороги и дефицитны, Вполне возможно, что земных запасов таких редких элементов, как рений, индий, палладий, на подобные эксперименты попросту бы не хватило.

Вычислительной машине же "пищей для ума" служат цифры, символы, формулы, да и производительность труда у нее повыше: за считанные секунды она в состоянии выдать огромное количество информации.

В результате кропотливой работы удалось сначала предсказать с помощью ЭВМ, а затем и получить в натуре многие интересные сплавы. ЭВМ, в частности, порекомендовала ученым около восьмисот новых сверхпроводящих соединений и почти тысячу сплавов со специальными магнитными свойствами. Кроме того, ЭВМ посоветовала металловедам обратить внимание примерно на пять тысяч соединений редкоземельных металлов, из которых пока известна лишь пятая часть. Ценные указания получены от машины и в отношении трансурановых элементов.

Уран из морских пучин

Все большее внимание ученых привлекает морская вода — неисчерпаемый источник многих ценных элементов. В Японии разработан проект завода по извлечению из морской воды урана. Как полагают авторы проекта, завод, который войдет в строй в начале 90-х годов, будет ежегодно производить до 1000 тонн урана.

Неподалеку от побережья намечено установить систему пропитанных титановой кислотой сетей общей протяженностью свыше восьми километров. Морская вода, пройдя через сети, поступит на завод, где после соответствующей обработки из нее будет извлечена двуокись урана. По мнению японских ученых, стоимость морского урана не превысит стоимости урана, добываемого на суше.

Над проблемой извлечения урана из морской воды работают ученые и других стран.

Магнит для бедных руд

Практическое использование сверхпроводимости — одно из важных направлений развития современной техники. В частности, по мнению ученых Массачусетского технологического института (США), на основе сверхпроводимости возможно создание мощных магнитов, предназначенных для извлечения железа из бедных руд. Как известно, эта техническая проблема становится все более злободневной в связи с постепенным сокращением запасов руд, характеризующихся высоким содержанием железа.

Новое "увлечение" лазера

Еще недавно идея "гиперболоида инженера Гарина" (а точнее, писателя Алексея Толстого) казалась несбыточной фантазией, а сегодня современные "гиперболоиды" — лазеры прочно вошли в жизнь. Круг "интересов" лазерных лучей с каждым годом расширяется. Одним из последних "увлечений" этих чудо-лучей стала термическая обработка металлов. Уже созданы специальные установки для лазерного упрочнения стальных изделий. Такой обработке подвергались режущие кромки инструмента и технологической оснастки (например, штампов) из быстрорежущей и других инструментальных сталей. При облучении происходит скоростная закалка поверхностного слоя (0,07 - 0,2 миллиметра), в результате чего твердость и износостойкость металла повышаются в 2,5 - 3 раза.

На смену лопате

Археологов иногда в шутку называют "историками с лопатой". И действительно, при раскопках не обойтись без лопаты, заступа, кисточки и других немудреных инструментов. Но в наши дни археологические экспедиции оснащены и современными приборами, помогающими ученым вести поиски следов древних культур.

При исследовании вблизи Томска древнего центра металлургического производства, существовавшего три тысячелетия назад, была проведена магнитометрическая съемка территории площадью в две тысячи квадратных метров. При этом удалось обнаружить ряд магнитных аномалий, свидетельствующих о том, что в земле присутствуют заметные количества железа. Раскопки, проведенные в отмеченных местах, позволили найти остатки железоплавильных печей, возле которых оказались запасы древесного угля, куски металла, шлаки. Найдены также склады железных изделий — оружия, инструментов, принадлежностей упряжи.

Аэродром на волнах

В Японии разрабатывается проект гигантского плавучего аэродрома для города Осака. По утверждению авторов проекта, такому аэродрому, длина которого составит пять километров, а ширина — один километр, будут нипочем даже цунами — частые гости побережья японских островов. Любопытно, что на сооружение этого аэродрома (разумеется, если проект будет принят) потребуется 5,5 миллиона тонн стали, т.е. столько, сколько ежегодно расходует вся судостроительная промышленность Японии.

Надежная смена

На металлургических предприятиях ГДР в ближайшие годы намечено "принять на работу" 500 роботов, которые будут трудиться на самых тяжелых производственных участках. Первые 40 металлических тружеников уже "зачислены в штат" Мансфельдского комбината и вскоре приступят к выполнению своих запрограммированных обязанностей.

Во всем виноват молибден

В основе наследственного механизма всех живых существ нашей планеты лежит один и тот же генетический код. По мнению биологов, такое единообразие свидетельствует, что вся жизнь на Земле развилась из одной и той же колонии микроорганизмов. А поскольку непременным спутником биохимических процессов является редко встречающийся на Земле молибден, можно предположить, что эта первородная колония попала к нам с другого небесного тела, богатого молибденом.

Такую гипотезу инопланетного происхождения земной жизни выдвинул известный английский ученый в области молекулярной биологии лауреат Нобелевской премии Ф.Крик совместное профессором Л.Ореллом. Гипотеза весьма любопытна, хотя в ней немало уязвимых мест.

Металл из космоса

Существует немало проектов пополнения земных запасов полезных ископаемых за счет небесных тел. В межпланетном пространстве "разгуливают" десятки тысяч так называемых астероидов, или малых планет, состоящих главным образом из железа и никеля. Орбиты вращения некоторых из них проходят сравнительно недалеко от орбиты Земли, и иногда астероиды оказываются на довольно близком расстоянии от нашей планеты. По мнению ряда ученых, теоретически возможно, используя ракетную технику, доставить астероид на околоземную орбиту, а затем развернуть на нем добычу железа и никеля.

Один из проектов предусматривает засылку на астероид специальных автоматических устройств, которые с помощью солнечных печей будут переплавлять астероидное вещество в слитки весом в миллионы тонн. Ракеты доставят эти слитки на околоземную орбиту и останется лишь благополучно спустить металл на поверхность Земли. Но как? Предлагается, например, расплавлять его на орбите и вводить в него газ, а полученные металлические пеноблоки приводнять затем в океан. Здесь они будут плавать в ожидании транспортных судов, которые доставят их на прибрежные металлургические заводы.

По подсчетам специалистов, один кубический километр астероидного вещества при нынешних нормах потребления обеспечит Землю железом на 15 лет, а никелем - примерно на 1250 лет.

Смелые проекты, не правда ли? Но разве еще совсем недавно визит человека на Луну не воспринимался даже многими учеными лишь как дерзновенный полет фантазии?

"Неплохо, правда?"

Мысль о пополнении земных запасов железа и никеля за счет космических тел довольно часто обсуждается специалистами. Об этом, правда в шутливой форме, говорил и американский ученый Д.Фроман, который до 1962 года был техническим директором ЛосАламосской лаборатории, где ведутся исследования в области использования атомной энергии. Выступая на банкете после конференции по физике плазмы (Колорадо-Спрингс, 1961 год), Фроман сказал: "Поскольку я не очень хорошо разбираюсь в физике плазмы и термоядерном синтезе, я буду говорить не о самих этих явлениях, а об одном их практическом применении в ближайшем будущем.

Представим себе, что нам удалось изобрести космический корабль, который движется за счет того, что выбрасывает продукты реакций дейтерий — дейтерий и дейтерий - тритий. На таком корабле можно стартовать в космос, поймать там несколько астероидов и отбуксировать их на Землю. (Идея, правда, не нова). Если не очень перегружать ракету, то можно было бы доставить на Землю 1000 тонн астероидов, затратив всего около тонны дейтерия. Я, честно говоря, не знаю, из какого вещества состоят астероиды. Однако вполне может оказаться, что наполовину они состоят из никеля. Известно, что 1 фунт никеля стоит 50 центов, а 1 фунт дейтерия - около 100 долларов. Таким образом, на 1 миллион долларов мы могли бы купить 5 тонн дейтерия и, израсходовав их, доставить на Землю 2500 тонн никеля стоимостью в 2,5 миллиона долларов. Неплохо, правда?

Я уже было подумывал, а не организовать ли мне Американскую Компанию по Добыче и Доставке Астероидов (АКДДА) ?. . . Если кто-либо из присутствующих с крупным счетом в банке пожелает войти в число учредителей, пусть подойдет ко мне после банкета".

Заводы на Луне

По мнению многих ученых, постепенное истощение земных недр рано или поздно приведет к необходимости начать разработку минеральных и рудных кладовых космоса. Академик С.П.Королев говорил: "Человечество порой напоминает собой субъекта, который, чтобы натопить печь и обогреться, ломает стены собственного дома вместо того, чтобы съездить в лес и нарубить дров". Разумеется, добытая, например, на Луне и доставленная на нашу планету тонна железной руды обойдется, скажем прямо, недешево. Но ведь и первая тонна угля, полученного в современной шахте, стоит огромных денег, зато тысячная тонна уже намного дешевле, а миллионная и подавно. Так же будет со временем снижаться и себестоимость космической железной руды. Кстати, а обязательно ли доставлять на Землю руду? Нельзя ли извлекать из нее железо непосредственно в космосе?

Еще в 1963 году советский ученый Э.Иодко предложил свою технологию получения лунного железа. Он полагает, что железо на Луне следует не плавить, а возгонять — переводить из твердого состояния в газообразное. При этом пары железа, проходя через шахту с кусками углеродистого материала, превратятся в смесь паров железа, углерода и угарного газа. В конденсаторе железо и углерод, соприкоснувшись с холодной поверхностью бесконечного транспортера, перейдут в твердое состояние и осядут на транспортере, а угарный газ уйдет в лунную "атмосферу". Регулируя температуру в шахте, можно будет повышать или понижать содержание углерода и, следовательно, получать сталь разных марок.

"Производство металла в условиях глубочайшего вакуума Луны и других космических тел — писал Э.Иодко, — позволит готовить действительно неземные по прочности, пластичности и иным свойствам стали и сплавы, не содержащие газов и неметаллических включений. По существу неблагоприятные для металлургии условия мы имеем не на Луне, а на Земле, с ее плотной и насыщенной кислородом атмосферой . . .

Луна и другие небесные тела, лишенные атмосферы, со временем не только смогут обеспечить нужды космических полетов в рядовых и высококачественных металлах, но и станут снабжать своей металлургической продукцией Землю и другие планеты".

"Эфирные поселения"

Человек давно уже рассматривает космическое пространство как место будущих поселений. Разработано множество проектов огромных орбитальных станций, немало космических городов существует на страницах научно-фантастических книг. Создана и теория "эфирных поселений", автором которой является К.Э.Циолковский. Любопытно, что для их сооружения ученый предлагал использовать материалы планет и астероидов.

В 1975 году в США был опубликован проект внеземного поселения, удаленного на расстояние около 400 тысяч километров от Земли и Луны. Этот "эфирный город", насчитывающий 10 тысяч человек, представляет собой цилиндр диаметром 100 метров и длиной один километр. Автор проекта П.Паркер считает, что 98 % материалов, необходимых для этого космического строительства, можно будет добывать на Луне.

Интересный проект орбитальной станции разработан группой принстонских ученых, возглавляемой профессором физики Джерардом О'Нейлом. "Создание новых искусственных поселений, — пишет О'Нейл, — возможно даже при существующей технологии, новые методы, которые могут понадобиться, не выходят за пределы знаний сегодняшнего дня. Ключи к решению проблемы — отношение к области вне Земли не как к пустоте, а как к среде, богатой материей и энергией ... В космосе солнечной энергии много, использовать ее удобно. Луна и астероидный пояс дадут необходимые материалы . . ."

О'Нейл приводит в проекте детальный экономический расчет космического строительства, указывает, где и в каком количестве можно будет брать необходимые материалы. С Земли он не намерен доставлять даже воду: по его мнению, следует транспортировать жидкий водород, а кислород, нужный для синтеза воды, он предлагает получать на Луне. Там же, по мысли ученого, можно будет добыть и основные строительные материалы — алюминий, титан, кремний.

Автор этого проекта придумал даже специальные машины для транспортирования руды по Луне и электрические катапульты для выброса готовых строительных конструкций в открытый космос - к месту, где будет сооружаться далекий от Земли город-спутник.

Что за гранью 2000 года?

Металлургия по сути своей очень земная, очень сегодняшняя область человеческой деятельности, и, видимо, поэтому писатели-фантасты не балуют ее своим вниманием. Что ж, их можно понять: ведь "снарядить" экспедицию к далекому созвездию Кассиопеи гораздо легче и увлекательнее, чем "организовать" экскурсию на металлургический завод будущего.

Ученые, однако, не раз задумывались над вопросом: чем ознаменует металлургическая наука и практика вступление в новое тысячелетие. Любопытны в этом отношении мысли, высказанные выдающимся советским металлургом академиком И.П.Бардиным в интервью для книги "Репортаж из XXI века": "Я думаю, что на первых порах человек станет "конструировать" с помощью радиоактивного воздействия легированные стали требующегося состава, не вводя в них редких и дорогих легирующих добавок, а создавая их прямо в ковше расплавленной стали из атомов железа, углерода, может быть, серы и фосфора, может быть, из атомов распространенного элемента специально для этой цели добавленного в расплав. Это можно представить себе так. Движется наполненный до краев ковш с плещущейся упругими волнами сталью. На несколько десятков секунд он останавливается около какой-то машины, похожей на те, что применяются в медицине для лечения злокачественных опухолей рентгеновскими лучами. Свинцовая груша со скрытым в ней источником радиоактивного излучения требующегося состава склоняется над ковшом, — и в недрах расплава под влиянием потока лучей совершаются сложнейшие ядерные превращения. Через несколько минут сталь разливают по изложницам, но ее состав уже не тот, что был совсем недавно. И еще несколько дней — уже в затвердевшей стали — будет меняться этот состав, будет происходить под влиянием вызванной облучением собственной радиоактивности изменение химического состава металла. Вероятно, этим же способом — 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 более распространенных. Но вряд ли, учитывая всю стремительность технического прогресса, радиационная металлургия разовьется в отрасль промышленности даже к началу XXI века. Это все-таки дело более отдаленного времени".