Член-корреспондент РАН Сергей Варфоломеев: «Минеральные ресурсы буквально повсюду»

Исчерпаемы ли минеральные ресурсы нашей планеты? На сколько лет их еще хватит? Что делать, если они закончатся? Можно ли продлить этот срок и как это сделать, не нанеся экологического вреда? Об этом рассказывает член-корреспондент РАН С.Д. Варфоломеев, научный руководитель Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, руководитель Института физико-химических основ функционирования сетей нейронов и искусственного интеллекта МГУ.

— Сергей Дмитриевич, помимо большого количества книг, в вашем кабинете есть еще образцы горных пород. Что это такое и почему они лежат на вашем рабочем столе?

— Мы сейчас очень активно занимаемся проблемами, связанными с минеральными образованиями и созданием новых технологий переработки, добычи минералов. Дело в том, что человечество в течение 200 лет живет в значительной степени за счет добычи угля, нефти, газа, железа, марганца и т.д. по всей таблице Менделеева. Без этих конкретных объектов представить себе существование цивилизации невозможно. Мы наблюдаем в настоящее время явление, связанное с тем, что человечество накопило гигантское количество техногенных минеральных отвалов в образованиях хвостохранилищ. Все современные химия и физика, технология добычи минерального сырья основаны на примитивных, разработанных 100 лет назад технологических приемах, позволяющих выделить одно-два-три минеральных состояния, из которых мы научились делать все, что сейчас имеем. А все, что туда не входит, сваливалось, складывалось, и в настоящее время накоплены миллиарды тонн технологических минеральных образований. На Урале, в Донецке отходы добычи золота представляют собой горы этих образований. Мы сейчас пытаемся понять, какие там есть соединения. Все, кто интересуется этой сферой, обнаруживают, что там лежат концентрированные, серьезнейшие минеральные компоненты.

— Почему их не извлекали?

— Во-первых, не знали, что они там есть. Нужно точно понимать, что они собой представляют. Во-вторых, не было и в настоящее время еще нет крупномасштабных технологий. Мы сейчас как раз занимаемся этими задачами. И я с удовольствием констатирую тот факт, что мы работаем в сфере добычи палладия, платины, золота, а также минеральных компонентов редкоземельных элементов. Я приведу пример: все человечество озабочено сейчас тем, что миру не хватает редкоземельных элементов. Мудрые, спокойные и уверенные в себе китайцы 30 лет назад скупили 80% месторождений добычи редкоземельных металлов. Это лантан, весь спектр лантаноидов. А без них в настоящее время не может быть создана электроника.

— И в итоге стали лидерами в этом направлении.

— Да! Если вы возьмете отвалы угольных шахт Донбасса, который стал частью нашей страны, то обнаружите, что там сконцентрировано большое количество лантаноидов. Наша страна лидирует на мировом рынке минеральных удобрений, будучи крупнейшим производителем и поставщиком. Это продукты переработки апатитов, фосфоритов Кольского полуострова, на котором сосредоточены огромные минеральные ресурсы. В подмосковном Воскресенске лежат отвалы порядка нескольких сотен миллионов тонн — отходов, содержащих очень высокие концентрации минеральных веществ.

Это отходы существующих технологических процессов. По сути, гора высотой 150 м, на которую каждый год самосвалами отвозят эти соединения.

— Насколько экологически небезопасно жить рядом с такими отвалами?

— Слово «небезопасно» здесь нельзя употреблять. Это экологически крайне опасно. Есть город Карабаш на Урале. Он признан самым грязным городом мира. Там находится небольшой медеплавильный комбинат, который работал в течение 50–80 лет. В процессе выплавки меди сбрасывали отходы, что привело к формированию системы сернистых соединений. Это очень опасное состояние. Дело в том, что эти минеральные компоненты открыты дождям и снегу — все попадает туда. Бóльшая часть этих компонентов водорастворимая, там содержатся кадмий, ртуть, висмут. Весь спектр металлов, которые биологические системы очень не любят, оказываются в реках, в потоках воды, которые человечество вынуждено потреблять.

— Делают ли с этим что-то местные власти?

— На этот счет нет серьезных решений. Пока не будут найдены способы переработки этих отвалов с получением нужных продуктов, это будет серьезнейшим и опасным материалом. Наша задача, которую мы себе поставили, — создать комплекс технологий, которые перерабатывали бы эти объекты под ноль.

— То есть вообще без отходов?

— Да. Там должны быть новые строительные материалы, системы добычи золота, платины, палладия, редкоземельных металлов, магния, бария.

— Перед вами лежат неприглядные на вид породы. Неужели в этом черном камне есть золото?

— Да.

— Где же оно там спрятано?

— Оно там находится в виде химических соединений.

— А как их можно извлечь?

— Это та задача, которой мы занимаемся. Методов в настоящее время достаточно много. Самое важное — построить основы технологических процессов, научиться превращать их в ценные и полезные соединения.

— Это почти алхимия!

— Во всех этих компонентах содержится довольно большое количество теллуридов золота и палладия. Существуют химические способы их извлечения. Но есть еще один аспект этой задачи — мы стремимся использовать методы биотехнологий, чтобы извлечь нужные компоненты. Надо сказать, что эта задача имеет довольно глубокие корни: современная индустрия добычи золота использует методы биовыщелачивания, чтобы облегчить доступность этих золотых частиц. Они здесь находятся в виде наночастиц, микрокристаллов или химических соединений. В принципе, существуют микробные системы, которые окисляют сернистые соединения, лежащие в этих компонентах. Этим способом можно в десять раз увеличить добычу золота, что и происходит. Но есть еще более удивительное явление. Человечество на это долго не обращало внимания, но растения — это природные аккумуляторы металлов. Есть растения, которые называются гипераккумуляторами.

— Какие именно деревья?

— Практически все. Вот у нас много берез. Каждая береза в сутки выкачивает из почвы 500 л воды. Эта вода насыщена минеральными соединениями, которые представляют собой растворимые металлы либо коллоидные частицы, наночастицы этих металлов. Растение поднимает их наверх, воду частично превращает в кислород, которым мы дышим, а металлы никуда не исчезают. В 1938 г. было показано, что некоторые растения выкачивают, например, никель. Там на тонну биомассы получается 50 кг чистого никеля. И мы сейчас в лабораторных условиях исследуем, каким образом растения умудряются это делать. Очень большие исследования проводятся по добыче золота таким образом. Выращивание растений в зонах наличия рассеянных минеральных компонентов золота, которые невозможно вынуть из почвы, потому что они там находятся в малых количествах, — это очень перспективно. Если та же береза выкачивает 500 л воды в сутки, то, умножив это на количество дней в году —365, — мы получим колоссальную цифру!

— Но ведь эти минеральные вещества наверняка необходимы ей для жизни?

— Ей нужен хлорофилл — поглощающий свет пигмент, содержащий ион магния. Но, помимо ионов магния, из почвы идут металлы, которые береза не использует.

— Если вы их заберете, вреда для березы не будет?

— Нет. Или папоротник, который очень активно и избирательно выкачивает палладий и платину. Мы исследуем это явление в лаборатории. У нас есть установки, фитотроны, которые в контролируемых условиях — с точным содержанием CO₂ и солей — выращивают растения без почвы. Это аэропонная технология культивирования. Мы лидеры в этой области у нас в стране и, я считаю, в мире. Мы располагаем установками, которые распыляют воду, содержащую минералы, в корневую систему. Растение освещается светом и дает соответствующие накопления минеральных компонентов. Это явление называется фитомайнингом, потому что вы добываете посредством растения необходимые вещества.

— Что это может дать в промышленном масштабе?

— Допустим, у вас есть поле для выращивания пшеницы. Человечество потребляет продукты питания. Они скармливаются животным, птицам. После переработки образуются биоотходы, которые накапливаются. Ведь человечество растет численно, концентрированно, потому что города становятся миллионными. Люди потребляют фитопродукты, которые содержат весь спектр необходимых для человека и животных минеральных компонентов: марганец, железо, магний, платину, палладий и золото. После того как мы сделали химический анализ пасты, которая образуется в виде отходов птицеводческих комбинатов, мы нашли там приблизительно столько же золота, сколько его содержится в отвалах золотодобывающих комбинатов.

— В курином помете? С ума сойти!

— Да, в нем много золота.

— Вспоминается басня И.А. Крылова: «Навозну кучу разрывая, Петух нашел жемчужное зерно». Только тут — золото.  

— Это действительно так. Мы сейчас сотрудничаем с компанией, освоившей метод термической обработки биоотходов с обводненностью до 80%. В результате мы имеем золу, в которой золота содержится до 1 г/т. А это — промышленный уровень добычи золота. Золотодобытчики ищут месторождения, где было бы 5–10–15 г/т. А тут — прямо под ногами.

— Оно повсюду.

—Да! Слово, которое вы употребили, перекликается с выражением, которое употребил В.И. Вернадский в 1924 г.: «золото всюдно». И это действительно так, потому что выкачивание минеральных компонентов через растения длится миллиарды лет. Несмотря на кажущуюся незначительность эффектов концентрации, за столь колоссальный период времени происходит существенное накопление. И мы сейчас этим занимаемся. Я считаю, что это очень важное направление. Но главное для современного общества и для нас в том числе — научиться перерабатывать техногенные минеральные образования с полной утилизацией всего сырьевого ресурса. Можно не сомневаться, что это произойдет в ближайшее десятилетие.

— Означает ли все это, что минеральные ресурсы человечества неисчерпаемы?

— Как и наша Земля, они глобально неисчерпаемы. Но человечество в предыдущие столетия перерабатывало эти минеральные компоненты поверхностным образом. 90% добытых минеральных составов превращались в минеральные отвалы. Сейчас это называется техногенными минеральными образованиями. Меня поразили цифры содержания алюминия в золе угольных электростанций. Сейчас в России работают 172 предприятия, добывающих энергию путем сжигания угля. При этом остаются сотни миллионов тонн золы. Что произошло? Уголь — это продукт конверсии биомассы. В процессе переработки биомассы, включая биофарминг и концентрирование, неизбежно остаются минеральные компоненты. Уголь аккумулирует в себе большое количество всех минералов, которые когда-то извлекли растения. Если мы сжигаем этот уголь, мы удаляем углерод, серу, концентрируем металлы. В золе тепловых угольных электростанций содержится 300–400 кг алюминия Al₂O₃ на тонну золы. Это важнейший стратегический металл. Мы сейчас закупаем бокситы с содержанием примерно 40 кг/т. Но нужна технология, методы, которые бы выделяли, очищали эти вещества для алюминиевой промышленности. Да, это бесконечный ресурс. Этих отвалов алюминия хватит по крайней мере на два-три столетия развития страны.

— Но там ведь далеко не только алюминий…

— Да, там же довольно большое количество благородных металлов. Все заводы получения минеральных удобрений в отвалах содержат вполне доступные для промышленной переработки редкоземельные элементы. Еще раз подчеркну, что гигантскую роль тут могут играть биосистемы. Наш институт в этом плане уникален, потому что мы понимаем и знаем, как из этого сделать хороший продукт.

— Получится? Это вызывает интерес у тех людей, которые принимают решения и выделяют деньги?

— Могу сказать, что уже в настоящее время золотодобыча не может работать без биовыщелачивания. А вот фитофарминг — это следующий этап. Мы работаем с одной золотодобывающей компанией, которая с удовольствием использует наши исследовательские достижения. Я считаю, у нас будет фантастический прорыв по сжиганию биоотходов. Это канализационные отходы городов, сельхозпредприятий.

— Иначе говоря, из канализационных отходов городов при сжигании тоже можно извлечь золото?!

— Да, оно там накоплено растениями. Это то самое «золотое зерно». И это непрерывный процесс. Мы удобряем поля минеральными удобрениями. Чтобы получить приличный урожай зерна, в почву нужно внести 50 г суперфосфата. Но там, кроме золота, присутствует еще вся совокупность минералов. Мы сделали анализ этих удобрений — там очень много минералов. У нас есть прекрасные математические модели формирования золотодобычи месторождений, в том числе с помощью фитофарминга и фитомайнинга. Благодаря этим технологиям человечество сможет существовать спокойно по крайней мере еще тысячу лет.

— Выходит, природа создала нашу планету удивительнейшим образом. Она дала людям богатства на очень много лет вперед, надо только научиться пользоваться своим разумом, чтобы все это правильно добывать.

— Наш великий ум академик В.И. Вернадский писал об этом еще в 1930-е гг. Полное собрание его сочинений — 40 томов — недавно переиздано по инициативе моего друга академика Эрика Михайловича Галимова. Это чтение на все времена. Тут еще есть особенность: где некие пределы роста? Известна книга Денниса Медоуза «Пределы роста», написанная им в 1972 г. В ней говорилось о том, что человечество производит огромное количество безобразных отходов, которые, согласно классическим представлениям, должны приводить к его гибели. А если посмотреть на них профессиональным взглядом химика-физика-биолога, то мы обнаружим, что там есть ресурсы существенно более емкие, чем то, что мы наблюдаем сейчас в геологических разработках. Поэтому будущее, безусловно, за такими разработками, и у нас они есть.

Интервью подготовлено при поддержке Российской академии наук