Управляемый термоядерный синтез, революция в волоконно-оптической связи и новое слово в защите банкнот.
Рассматриваем эрбий: свойства, применение, добычу и перспективы.
Свойства
Эрбий (Er) является одним из редкоземельных металлов (РЗМ) или лантаноидов.
Историю его обнаружения неподалёку от шведской деревни Иттербю (в часть которой он и был назван) мы рассказывали здесь.
Металл был открыт в 1843 году, но относительно чистый образец выделили только в 1934-м. Важную роль в современных технологиях он начал играть с 1990-х.
Мягкий, ковкий и тяжёлый металл. Чистый эрбий имеет серебристый цвет, в то время как большинство его соединений (оксид, хлорид, фторид, амид и т. д.) - бледно-розовые.
В отличие от некоторых других РЗМ, эрбий относительно стабилен на воздухе. Температура плавления составляет 1522°С.
Оптоволоконнные усилители
Ключевым направлением использования эрбия является волоконно-оптическая связь, благодаря которой вы сейчас читаете этот текст.
Основной недостаток оптических волокон – рассеяние света в стекле (или пластике) при передаче сигнала на дальние расстояния (80-100 км). Точно также свет рассеивается в атмосферном воздухе, именно поэтому мы видим голубое небо (волны 440-500 нм) и красный закат (волны 625-740 нм).
Своего рода революцию в этом виде связи произвели волоконные усилители, легированные эрбием (EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier), которые обладают свойством усиливать свет и компенсировать рассеивание.
Включение в сети относительно недорогих оптических устройств EDFA позволило осуществлять передачу сигнала на сколь угодно дальние расстояния, значительно снизив стоимость этой самой передачи.
Таким образом, наша коммуникация сегодня напрямую зависит от эрбия.
Другие применения
Также эрбий используется в твердотельных лазерах, которые, в свою очередь, востребованы, например, в дерматологии (удаление шрамов, родинок, растяжек, татуировок). Волны, на которых работают эти лазеры, способны быстро удалять воду из проблемных участков кожи, не перегревая её.
Способность поглощать инфракрасный свет применяется при добавлении Er в стекло (приобретает розовый цвет), в том числе в производстве линз для защиты от лазерных лучей.
Легирование ванадия эрбием улучшает обрабатываемость первого. Включение Er в состав никелевых сплавов увеличивает их устойчивость к сверхнизким температурам. Подобные сплавы используются в криокулерах (холодильниках, работающих с температурой ниже минус 153°С).
Также эрбий добавляется в кубический цирконий при изготовлении бюджетных украшений и в фарфоровые изделия, для придания розового цвета.
Поглощение эрбием нейтронов используется в управляющих стержнях ядерных реакторов и топливных сборках (в последнем случае эрбий полностью «выгорает» в процессе ядерной реакции).
Наконец, способность некоторых соединений эрбия и иттербия преобразовывать инфракрасные лучи в видимый зелёный свет может быть использована для защиты купюр от подделки. Такие банкноты не нужно будет помещать в специальный прибор под ультрафиолетовое излучение.
Добыча
По распространённости в земной коре эрбий занимает 44-место (что, выше, например, урана или олова).
В несвязанном виде в природе не встречается (характерная черта РЗМ).
По крайне приблизительным оценкам, мировая добыча составляет порядка 500 тонн в год.
По данным U.S. Geological Survey, в России доля оксида эрбия составляет 0,8% всех добываемых РЗМ, что соответствует примерно 20 тоннам, в Австралии его доля ещё ниже: 0,06% или 10 тонн.
Почти весь мировой эрбий добывает Китай.
Интересно, что и в 2022-м, и в 2023-м годах (данные по последнему за первые 5 месяцев) экспорт китайского эрбия не осуществлялся ни в каком виде. А потому определить более или менее равновесную мировую оптовую цену весьма затруднительно.
В человеческом организме Er может накапливаться главным образом в костях. По неподтверждённым данным металл может стимулировать обмен веществ.
Управляемый термоядерный синтез
Если задачу извлечения энергии путём деления ядра тяжёлых элементов (урана и плутония) человечество давно решило, то полностью управляемое получение энергии путём слияния (синтеза) лёгких элементов (в первую очередь водорода) и превращения их в более тяжёлые пока невыполнимо (даже несмотря на наличие более 300 токамаков по всему миру).
Одной из самых заинтересованных в этой технологии организаций является НАСА, которое таким образом надеется обеспечивать дальние межпланетные полёты.
Именно под его эгидой проводятся многообещающие исследования, суть которых заключается в насыщении дейтерием (один из изотопов водорода) межатомного пространства эрбия или титана. Облучая дейтерид эрбия гамма-лучами, можно добиться слияния атомов дейтерия в гелий с выделением необходимой энергии.
По сути дела, учёные хотят воспроизвести и взять под контроль реакции термоядерного синтеза, протекающие на Солнце. Предполагается, что эта технология будет достаточно простой, дешёвой и компактной для использования как в длительных космических полётах, так и на Земле.
Результаты исследования (в 2-х частях) опубликованы здесь и здесь.
Стоит добавить, что к холодному термоядерному синтезу эти эксперименты никакого отношения не имеют.
Возможно, Вам также будет интересно:
Если узнали что-то новое, просьба оставить лайк. Если есть что добавить, пишите комментарий. Подпишитесь на канал, и мы обещаем ещё много интересного.