Современные устройства зависят от редких минералов
Многие современные устройства — от мобильных телефонов и компьютеров до электромобилей и ветряных турбин — используют мощные магниты, изготовленные из минералов, называемых редкоземельными. По мере того как системы и инфраструктура, используемые в повседневной жизни, становятся цифровыми, а Соединённые Штаты переходят к возобновляемым источникам энергии, доступ к этим минералам стал критически важным. Рынки этих элементов стремительно растут.
Редкоземельные магниты в современном обществе
Современное общество использует редкоземельные магниты во всём: от национальной обороны, где системы на основе магнитов являются неотъемлемой частью наведения ракет и самолётов, до перехода к чистой энергетике, который зависит от ветряных турбин и электромобилей.
Влияние новых материалов на общество
Быстрый рост торговли редкими землями и его последствия для общества — не единственный пример такого рода. На протяжении всей истории материалы незаметно формировали траекторию развития человеческой цивилизации. Они формируют инструменты, которые люди используют, здания, в которых они живут, устройства, которые опосредуют их отношения, и системы, которые структурируют экономику.
Наука о материалах
Наука о материалах — это изучение атомной структуры, свойств, обработки и производительности материалов. Во многих отношениях материаловедение — это дисциплина, имеющая огромное социальное значение.
Материалы и технологические изменения
Как учёный-материаловед, я интересуюсь тем, что может произойти, когда станут доступны новые материалы. Стекло, сталь и редкоземельные магниты — все они являются примерами того, как инновации в материаловедении способствовали технологическим изменениям и, как следствие, сформировали глобальные экономики, политику и окружающую среду.
История стеклодувов и их влияние
В начале XIII века, после разграбления Константинополя, некоторые выдающиеся византийские стеклодувы покинули свои дома, чтобы поселиться в Венеции — в то время мощном экономическом и политическом центре. Местная знать приветствовала красивые изделия стеклодувов. Однако, чтобы предотвратить пожары, которые могли вызвать стеклянные печи, знать под страхом смерти сослала стеклодувов на остров Мурано.
Мурано стал центром стекольного мастерства. В XV веке стеклодув Анджело Баровиер экспериментировал с добавлением золы сожжённых растений, которая содержала химическое вещество, называемое поташом, в стекло. Поташ снизил температуру плавления и сделал жидкое стекло более текучим. Это также устранило пузырьки в стекле и улучшило оптическую чёткость.
Развитие оптических устройств
Печатный станок Иоганна Гутенберга, завершённый в 1455 году, сделал чтение более доступным для людей по всей Европе. С ним появилась потребность в очках для чтения, которые стали популярными среди учёных, купцов и духовенства — настолько, что изготовление очков стало признанной профессией.
К началу XVII века стеклянные линзы превратились в составные оптические устройства. Галилео Галилей направил телескоп на небесные тела, в то время как Антони ван Левенгук открыл микробную жизнь с помощью микроскопа.
Эмпирическая наука и современные инструменты
Приборы на основе линз изменили мир. Телескопы переосмыслили устоявшиеся космологические представления. Микроскопы открыли совершенно новые области в биологии и медицине. Эти изменения ознаменовали рассвет эмпирической науки, где наблюдение и измерение определяли создание знаний.
Сталь и промышленная революция
В конце XVIII и XIX веков промышленная революция создала спрос на более прочные и надёжные материалы для машин, железных дорог, кораблей и инфраструктуры. Появившимся материалом стала сталь, которая является прочной, долговечной и дешёвой.
Страны с крупномасштабным производством стали когда-то обладали непропорциональной экономической и политической властью и влиянием на геополитические решения. Например, британский парламент намеревался предотвратить экспорт колониями готовой стали с помощью железного акта 1750 года. Они хотели, чтобы колонии поставляли необработанное железо для их сталелитейной промышленности в Англии.
Развитие сталеплавильного производства
Бенджамин Хантсман изобрёл процесс плавки, используя керамические сосуды высотой три фута, называемые тиглями, в XVIII веке в Шеффилде. Процесс Хантсмана в тиглях производил более качественную сталь для инструментов и оружия.
Сто лет спустя Генри Бессемер разработал процесс выплавки стали с продувкой кислородом, который резко увеличил скорость производства и снизил затраты. В Соединённых Штатах такие фигуры, как Эндрю Карнеги, создали обширную промышленность, основанную на процессе Бессемера.
Влияние стали на общество
Широкая доступность стали изменила то, как общества строили, путешествовали и защищались. Небоскрёбы и транспортные системы из стали позволили городам расти, стальные боевые корабли и танки усилили военные возможности, а автомобили со стальным кузовом стали неотъемлемой частью потребительской жизни.
Редкоземельные элементы и цифровые технологии
В начале XXI века развитие цифровых технологий и переход к экономике, основанной на возобновляемых источниках энергии, создали спрос на редкоземельные элементы. Редкоземельные элементы — это 17 химически очень похожих элементов, включая неодим, диспрозий, самарий и другие. Они встречаются в природе в виде связок и являются ингредиентами, которые делают магниты сверхсильными и полезными. Они необходимы для высокоэффективных электродвигателей, ветряных турбин и электронных устройств.
Из-за их химического сходства разделение и очистка редкоземельных элементов включает сложные и дорогостоящие процессы. Китай контролирует большую часть мировых мощностей по переработке редкоземельных элементов. Политическая напряжённость между странами, особенно в отношении торговых тарифов и стратегической конкуренции, может привести к дефициту или сбоям в цепочке поставок.
Влияние редкоземельных металлов на торговую политику
Случай с редкоземельными металлами иллюстрирует, как одна категория материалов может формировать торговую политику, промышленное планирование и даже дипломатические альянсы. Технологическая трансформация начинается с общественного давления. Новые материалы создают возможности для научных и инженерных прорывов. Как только материал доказывает свою полезность, он быстро становится неотъемлемой частью повседневной жизни и более широких систем. С каждой инновацией материальный мир тонко реорганизует социальный мир — переопределяя то, что возможно, желательно и нормально.
Понимание того, как общества реагируют на новые инновации в материаловедении, может помочь сегодняшним инженерам и учёным решить кризисы в области устойчивого развития и безопасности. Каждое техническое решение в некотором смысле является культурным, и у каждого материала есть история, которая выходит далеко за рамки его молекулярной структуры.