Чем геология отличается от геохимии? Каким образом с помощью геохимических методов можно узнать состав, возраст и происхождение метеорита? Как вычислить, где находится крупное месторождение полезных ископаемых? Зачем нужно опреснять морскую воду и как это можно сделать? Об этом рассказывает член-корреспондент РАН Руслан Хажсетович Хамизов, директор Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН.
— Руслан Хажсетович, мы беседуем на фоне глобуса Луны, который, как я понимаю, в этом кабинете находится уже давно. Во всяком случае, во времена директорства Эрика Михайловича Галимова, который увлекался вопросами доставки гелия-3 с Луны, он здесь уже был. Расскажите, пожалуйста, какова история этого артефакта.
— Конечно, этот глобус здесь находится не зря. Многое связывает наш институт с исследованиями Луны. Еще при первом директоре нашего института Иване Павловиче Виноградове наша первая межпланетная станция «Луна-16» привезла первые образцы лунного грунта и доставила их к нам в Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, где была подготовлена специальная приемная камера, а затем начались работы по изучению лунного грунта.
«Луна-16» была уникальным аппаратом, включавшим в себя модуль для забора лунного грунта и ракету, которая стартовала с Луны обратно с этим лунным грунтом. Затем такие же образцы были доставлены станциями «Луна-20» и «Луна-24», и наш институт много занимался этими вопросами. Только в двух местах был такой грунт — у нас и в NASA, где, конечно, было его много больше, тем более после высадки людей, но мы обменивались нашими образцами.
— Какую роль в изучении лунного грунта сыграл ваш институт?
— Наш институт сыграл здесь существенную роль, в частности, по установлению необычных свойств вещества на Луне. Например, железо, доставленное сюда, как выяснилось, существует не в виде оксида, а в виде самородного состояния и не ржавеет, как у нас на Земле золото. У нас есть небольшой музей внеземного вещества, и там хранится в том числе лунный реголит.
Есть и другой интерес к Луне, о котором всегда говорил Эрик Михайлович. Он рассказывал мне такую историю: «Представьте себе, что вы представитель высокоразвитой цивилизации. И вот вы направляетесь в сторону Солнечной системы. Что бы вас больше всего интересовало?» Я говорю: «Земля, тут живут люди». Он отвечает: «Отнюдь нет. Для них мы были бы не очень интересны, поскольку, пусть даже разумны, но на много ступеней ниже их. Нет, их интересовала бы только Луна».
Почему? Потому что на Луне есть гелий-3. А что такое гелий-3? Сейчас многие физики заняты созданием термоядерных реакторов. Впервые в Советском Союзе был предложен принцип таких реакторов — токамак. Сегодня в рамках международной программы создается один из крупнейших термоядерных реакторов. Это все построено на взаимодействии, на слиянии ядер дейтерия и трития. В такой реакции появляется огромное количество нейтронов. Нельзя назвать подобный процесс экологически чистым. Во всяком случае, как ракетное топливо это не годится.
Гелий-3, если взять его вместо трития, позволяет получать в такой же реакции вместо нейтронов поток протонов, которыми можно управлять. Это абсолютно экологически чистая термоядерная реакция. И это бесконечные запасы энергии, которые должны интересовать, конечно, не только воображаемых астронавтов, но и нас с вами.
— Но ведь пока они мало кого заинтересовали?
— Наверное, все-таки наступает пора, когда и американцы, и мы, и китайцы задумываются, как использовать гелий-3, который находится в адсорбированном состоянии в лунном грунте в очень малых концентрациях. Нужны технологии, аппараты, нам еще неизвестные. Но, скажем, один рейс грузового корабля, заполненного десятком килограммов такого груза, равносилен тому, чтобы освещать и отапливать целый город в течение года. Поэтому, конечно, гелий-3 — это, как мне кажется, то, что наиболее важно на Луне для будущего человечества.
— Руслан Хажсетович, однако ваш институт и вы лично занимаетесь не только космохимией, но и земными вещами, которые не менее важны. Каким образом были разработаны процессы для создания новых технологий опреснения и переработки морской воды? Для чего это нужно и где это, может быть, уже применяется?
— В 1983 г. я впервые пришел в ГЕОХИ и попал в лабораторию замечательного ученого Марка Моисеевича Сенявина. Марк Моисеевич — это настоящая легенда. Человек, который участвовал в создании специальных защитных устройств: противогазов и других систем. К сожалению, многое из того, что делалось нашими большими учеными в годы войны, так и осталось засекреченным, в то время как американские разработки были уже опубликованы к 1953 г. Мы, скажем, отдаем приоритет открытия газовой хроматографии американцам, и они же получили Нобелевские премии. Но большие специалисты пишут, что газовую хроматографию, скорее всего, открыла группа, в которую входил М.М. Сенявин.
Так вот, передо мной была поставлена задача, связанная с исследованием возможности извлечения ценных компонентов из морской и океанской воды. Это были по тем временам такие элементы, как уран и литий…
— И тот и другой чрезвычайно важны.
— Да, важны. Уран — это ядерная реакция, литий — термоядерная, а сейчас это все, что мы используем в качестве компактных электрохимических источников энергии. Кроме того, это был рубидий, тоже ценный металл, и другие компоненты, например бром.
В течение какого-то времени, будучи молодым специалистом, я возглавлял экспедиционные отряды. Мы построили установку на Сахалине, во Владивостоке. Мы строили установки рядом с большими энергетическими станциями: ТЭЦ-2 города Владивостока, Сахалинской ГРЭС.
Почему? Потому что это предприятия, использующие морскую воду для охлаждения своих агрегатов. Морская вода, уже поданная на берег, с температурой выше на 8–9º, чем в море, уже имеется, и ее можно использовать для таких процессов.
Многое из того, что было сделано, опубликовано вместе с американскими учеными в коллективной монографии. И до сих пор мне очень интересно, бывая на международных конференциях, встречаться с теми, с кем мы работали в этих экспедициях. Они этим очень гордятся, иногда показывают фотографии.
Через некоторое время пришли 1990-е гг., нам стали давать меньше денег. Интересоваться чрезвычайно далекими перспективами было уже трудно. Урановая проблема была остановлена, потому что все говорили, в том числе в Госкомитете по науке и технике: «Зачем нам уран из морской воды? У нас одних отвалов урановых столько, что на всю жизнь хватит». Жизнь показала, что зря: Советский Союз распался, урана не стало, бóльшая часть его осталась в Казахстане, Узбекистане, на Украине.
— Так и лития ведь тоже у нас не хватает.
— А с литием ситуация такая: много лет назад был остановлен последний завод по производству карбоната лития. Мы имели по литию договоры с тремя латиноамериканскими странами — Чили, Аргентиной, Боливией. И, как я понимаю, начиная с прошлого года Аргентина и Чили перестали нам поставлять литий, а Боливия поставляет уже в меньших количествах.
— То есть это означает, что надо возвращаться к вашей идее?
— Это означает, что надо возвращаться, наверное, не только к морским источникам, но и ко всем гидроминеральным. И это означает, что идеи таких ученых, как М.М. Сенявин и, слава богу, ныне здравствующий Б.Ф. Мясоедов, высказывались не зря, они чувствовали и чувствуют все правильно.
— Перспектива уже не такая далекая?
— Да, близкая. Эти идеи актуальны. Что касается 1990-х гг., то нам приходилось думать над тем, как окупать эти исследования самим. И нам уже надо было думать не только об извлечении микрокомпонентов, но и о процессах переработки морской воды, которые включали бы получение пресной воды. То, что мы разрабатывали, мы стали называть комплексной безотходной переработкой морской воды.
Как сейчас во всем мире добывают пресную воду из морской? Есть разные методы. Это может быть продавливание соленой воды через мембраны с молекулярными порами, через которые проходит только вода. Или термодистилляционные установки, многоступенчатые кастрюли, где идет выпарка, охлаждение. Каким бы образом мы ни получали пресную воду, все равно мы получаем не более чем половину из того, что взяли в виде соленой воды.
— Почему так мало?
— Тому есть много причин, но главная — больше нельзя концентрировать, на этих мембранах или теплопроводящих пучках труб начнет выпадать гипс и мы просто разрушим наши установки. Это называется гипсовый барьер.
Для того чтобы преодолеть этот гипсовый барьер, можно было бы воспользоваться традиционными методами — например, убирать либо кальций, либо сульфат, которые образуют гипс. Но это создавало бы необходимость, помимо этих опреснительных заводов, строить еще более крупные заводы для подготовки.
И мы придумали то, что называется «самоподдерживающимися процессами». Сама идея таких процессов родилась не у нас, она родилась раньше, а мы придумали, как это осуществить.
Представьте себе, что у нас есть некий сорбционный материал, который берет кальций, пока общая концентрация соленой воды не превышает 60–80 г/л, а как только концентрация при том же соотношении компонентов превышает, скажем, 100–150 г/л, его отдает. Мы придумали такой сорбент — и, представьте себе, не привозя никаких реагентов, просто стали ставить впереди опреснительных установок два фильтра. Морская вода проходит через один, кальций забирается, морская вода без кальция уже не опасна, гипс не будет выделяться. Она перерабатывается так, что из нее 80–90% извлекается в виде пресной воды, а полученный рассол возвращается на эту же колонну и обратно извлекает кальций. Потом этот рассол вместе с кальцием идет на переработку солей. Собственно говоря, если у нас работают две такие колонны, то возникает непрерывный безреагентный самоподдерживающийся процесс.
— Где-то удалось это реализовать?
— Мы сделали не очень большую установку, пилотную, и ее повезли в арабские страны. Вначале эта установка была представлена на выставке «WETECH-2008. Вода: экология и технология». Это была единственная установка, которая там работала. Арабские посетители с большим удивлением подходили, пили воду…
— То есть эту воду можно пить? Она не требует дополнительной очистки?
— Да, конечно, можно пить. Они смотрели на получаемые вещества по отдельности. Затем эту установку повезли в штат Аджман, где работает традиционная опреснительная термодистилляционная система и завод выбрасывает рассол с концентрацией 65 г/л обратно в море. Мы брали на свою установку эти 65 г, причем не имели права сами анализировать. С нами работала их команда, каждый день они забирали образцы. Так мы работали месяц.
После этого было принято решение, что арабские специалисты построят первый демонстрационный завод. Они закупили оборудование, некоторое время эти планы выполнялись, потом по каким-то причинам все было остановлено. А в этом году они опять оживились и хотят в будущем году завершить строительство, построив первый в мире завод с большой производительностью. Надеюсь, так и будет.
— Руслан Хажсетович, предлагаю обсудить тему строительства первого в стране завода по производству быстрорастворимых удобрений, которое тоже инициировали вы. Зачем это было нужно, работает ли этот завод?
— Мы, к сожалению, заводов не строим, не от нас это зависит. Но идея была чрезвычайно глубокая, плодотворная, и вот чем она была вызвана. Вы знаете, что наша страна считается одним из главных производителей обычных стандартных удобрений. Производит миллионы тонн. Но в то же самое время наша страна не производит так называемых быстрорастворимых удобрений. И до последних лет она закупала бóльшую часть таких комплексных удобрений в разных странах, начиная с Норвегии и заканчивая Польшей.
— А зачем нужны именно быстрорастворимые?
— Они нужны для того, чтобы переходить на интенсивные методы растениеводства, чтобы, например, вместо обычных яблоневых садов были шпалерные сады, мини-деревья с большими урожаями, чтобы были специальные парники с огромными урожаями овощей, чтобы совмещать капельное орошение с удобрением, — то, что называется ирригацией и фертилизацией. Словом, для перехода к самым современным технологиям интенсивного растениеводства.
В чем особенность быстрорастворимых удобрений? В том, что по компонентам, которые могут образовать осадки, они должны быть химически чистого уровня, при этом их цена должна быть в десятки раз меньше. Для этого требуются специальные технологии. И одна из технологий, которая была разработана в нашей лаборатории сорбционных методов, — это технология так называемого разделения в нанопористых средах. Потом мы ее проверяли вместе с коммерческими компаниями.
Мы обнаружили, что если у нас есть среда с наноразмерными порами, то при фильтрации промышленной, так называемой экстракционной фосфорной кислоты через такую среду кислота задерживается, а все соли проходят. Затем кислоту можно просто вытеснить с помощью воды. Эти циклы можно повторять бесконечное количество раз. И мы создали такую установку с некоторыми коммерческими предприятиями, главным из которых было научно-производственное предприятие «Радий».
— И повезли в Эмираты?
— Нет, в Краснодарский край, на Белореченский завод, где производят фосфорную кислоту. На Белореченском заводе мы сначала сами ее испытывали, затем создали молодежную бригаду, показали, как работает такой метод. После этого компания «ЕвроХим» захотела с нами сотрудничать, и мы со своими представителями в Москве долго с ними работали. Предприятие «Радий» решило на свои средства построить небольшой цех по производству некоторых видов быстрорастворимых удобрений, наиболее важные из которых — так называемые монокалийфосфаты, комплексные удобрения, содержащие и калий, и фосфор.
Цех был построен, но возникли некоторые недоговоренности, и в результате весь этот завод был снят и перемещен в город Невинномысск рядом с заводом химических удобрений. Этот завод уже довольно долго находится на стадии строительства, и он еще не дал никакую продукцию.
— Может быть, сейчас на фоне санкций все осознают, насколько это важно и нужно?
— Я думаю, да. И должны не только осознать, но и помочь этому предприятию, чтобы это строительство закончилось, потому что здание возведено, оборудование лежит, надо смонтировать и запустить.
— Руслан Хажсетович, а что это за новые функциональные материалы, которые создавались под вашим руководством, — неорганические сорбенты, нанокомпозиты и аэрогели?
— Аэрогелями называются очень пористые, легкие материалы, которые по своему удельному весу приближаются к воздуху. Они разрабатываются во многих странах. Очень много с ними работают в Новосибирском научном центре. В свое время американцы использовали наши аэрогели для того, чтобы собирать так называемую космическую пыль. Что же касается наших работ, то аэрогели нам нужны вот для чего: представьте себе, что вы пропускаете воду через конденсатор — две плоские медные пластинки, на которых есть небольшая разность потенциалов. Вы не заметите никаких изменений. Вода как была соленая, так и останется. Хотя на самом деле на анод обязательно сядет какое-то количество отрицательно заряженных ионов, на катод — какое-то количество положительно заряженных ионов.
Почему не заметите? Потому что чрезвычайно маленькая поверхность. А теперь представьте себе: эта поверхность в миллионы раз больше. Тогда у вас возникает замечательный опреснитель, один из самых экономичных, легко управляемый и дешевый. Вот для этого нам нужно создавать такие пространственные структуры, у которых большая пористость, большая поверхность, одновременно электропроводящие и смачиваемые.
— А как их можно сделать?
— Все это можно сделать с помощью гибридов на основе графеновых листов, которые подпираются колоннами из углеродных нанотрубок. Это лучшие, идеальные структуры. После того как они окунаются в воду, это уже не аэрогели, а гидрогели. Они заполняются водой или растворами. Понятно, что главное требование к таким электродам — очень маленький размер пор. Мы с моей аспиранткой сделали такую систему, показали, что она работает, дает пресную воду. Это перспективное направление.
— Где-то в мире такие технологии уже применяют?
— Весь мир обогнали китайцы, которые нашли способ получать такие электроды дешево. Они уже построили первые заводы. И мы пытаемся догнать их. Другое направление использования этого материала — создание так называемых суперконденсаторов. Но важно, что материалы мы уже сделали, они у нас уже есть.
— Знаю, что проблема опреснения соленой воды необычайно актуальна для Крыма. К вам не обращались по этому вопросу руководители крымских предприятий?
— Несколько раз мы разговаривали по этому поводу и даже вели какую-то работу с подразделениями «Росатома». Но до конца ничего не доводилось, потому что в те времена не было принято окончательного решения о том, что будет построено. Сравнивали, что дешевле — тянуть трубопроводы из пресноводных источников, строить гигантские опреснительные заводы для морской воды или, допустим, огромное количество колодезных устройств, опресняющих подземные слабоминерализованные воды. Но мы способны подсказать, как это можно сделать.
— Вашему институту совсем недавно исполнилось 75 лет. Что самого важного удалось сделать за эти годы?
— В первую очередь, это эпоха, связанная с участием в атомном проекте, аналитическое обеспечение производства плутония на урановых реакторах. Такое производство требует очень серьезного сопровождения, потому что необходим был оружейный плутоний-239 высокой чистоты, особенно по легким элементам.
Это участие в геохимических, геологических работах по предсказанию и даже обнаружению и разведке урановых месторождений. Через некоторое время наш институт начал работы, связанные с изучением планет, с космосом. Институт укреплялся, развивался, и возникло огромное количество новых направлений: моделирование геохимических процессов, создание и разработка критериев рудоносности.
Чем отличается геохимия от геологии? В геологии для того, чтобы найти месторождение, надо его найти физически. А в геохимии это месторождение можно предсказать. Геохимия занимается тем, сколько, чего, где лежит, как двигаются разные элементы в земной коре. И не только в земной — на других планетах тоже. Нам удалось предсказать закономерности формирования сверхкрупных месторождений. Наши замечательные ученые провели целый ряд важных работ, посвященных тому, какие процессы происходят в мантии Земли, как там распределяются вещества, как образуются разные фазы. Это все связано с историей образования и будущим нашей планеты.
И мы не собираемся останавливаться на достигнутом — у нас большие планы на будущее, поскольку научные направления, которые разрабатывает институт, с годами не теряют своей актуальности.
