Смартфоновая металлургия и цена комфорта
Осенью 2005 года я обзавелся первым мобильником и впервые всерьез задумался о прорывной новизне этих устройств. Осознал, что не припоминаю никакой фантастики, тем более — хорошей, где мобильник так лихо проникал бы во все сферы жизни. Винтажная громоздкость спасительных таксофонов из «Матрицы» и всякое отсутствие мобильников в очаровавшем меня тогда «Лабиринте отражений» поначалу не оставляли сомнений, что сотовый — это дорогая игрушка, которая вскоре выйдет из моды, разделив судьбу пейджеров. Прошла еще пара лет, и вся нелепость моих ретрофутурологических построений разбилась об iPhone. Для меня стало настоящим сатори, что в какой-то момент миниатюризация сотовых качнулась назад (айфон заметно подрос по сравнению с эриксоном), а телефон обзавелся накопителем и стал набирать вычислительную мощность.
Но не столь очевидно, что мобильные телефоны, целые поколения которых уже покоятся на свалках, также породили отдельное направление цветной металлургии — и актуализировали такую россыпь клеток в таблице Менделеева (попутно до неузнаваемости изменив социумы по обе стороны сборочной линии), что я хотел бы отдельно об этом поговорить.
Состав смартфона
Смартфон более чем наполовину состоит из редких и рассеянных металлов. Корпус в основном состоит из алюминия с примесью хрома, а многие другие металлы и полуметаллы присутствуют в смартфоне в аптекарских дозах –, но в поразительном разнообразии. Вот краткая характеристика этих составляющих:
Плата 
Батарея 
Светодиоды
Электроника (конденсаторы, резисторы, микрочипы и микропроцессоры)
Корпус
Сенсорный экран
Провода и контакты
Динамик и микрофон
Теперь давайте рассмотрим, как именно эти элементы расположены в таблице Менделеева:
Большинство легких металлов, химически стабильных переходных металлов и многие полуметаллы так или иначе применяются в корпусе и электронике смартфона. Но ключевые роли в функционировании устройства, в особенности — сенсорного экрана и батарей — играют редкоземельные металлы, а также компактно расположившиеся в центре таблицы металлы платиновой группы. Обратите внимание на выраженную вертикальную ориентацию групп в этой таблице (в том числе — на важнейшую триаду скандий-иттрий-лантан). Она подсказывает, как именно периодический закон позволяет подбирать элементы, у которых акцентированы полезные свойства — например, полупроводниковые — впервые найденные у какого-либо элемента в центре таблицы. Например, только в 2020 году во Фраунгоферовском институте стали исследовать экзотический сплав AlScN на подложке из кремния или оксида алюминия.
Скандий — не первый, а пока что последний элемент, который попытались добавить в динамики и микрофон гаджета. Он оптимизирует звукопередачу, уже обеспечиваемую лантановыми и неодимовыми компонентами. Но смартфон интересен именно как полигон, заставляющий методом проб и ошибок выжимать лучшее не из отдельных элементов, а из периодической системы. Более того, эволюция смартфона как прибора происходит почти молниеносно, а залежи использованных смартфонов уже логично расценивать как серьезный источник цветного металла.
Здесь подчеркну, что речь именно об использованных смартфонах. Развитие смартфонов сопровождается их минитюаризацией, а также подбором все более дешевых и эффективных сплавов. Соответственно, содержание ценных металлов в пересчете на одно устройство снижается, а не растет. Так, в 2005 году типичный мобильный телефон весил 113 г (без учета батареи), причем, на 25% устройство состояло из различных металлов. Самыми важными из них (по весу) были медь, железо, никель, серебро и цинк. В меньших количествах там содержались золото, свинец, марганец, палладий, платина, олово. Итак, в обычном телефоне было примерно 16 г меди, 350 мг серебра, 34 мг золота 15 мг палладия.
А вот содержание различных элементов в IPhone 6 по состоянию на 2017 год (с учетом батарей). Он весит 129 г против 116 г у вышеупомянутого старого мобильника Меди стало немного больше (7,89 г против 6 г), золота стало существенно меньше (14 мг против 34 мг), а серебра, платины и палладия в нем нет вообще. Общая стоимость металлического сырья также ничтожна по сравнению со стоимостью смартфона ($199 за указанную модель). Для добычи этих 129 граммов требуется переработать около 34 килограммов различных руд. Кстати, в IPhone 6 меньше золота, чем было в iPhone 5 — вероятно, потому, что уменьшились и улучшились процессоры, и драгоценных металлов в них требуется меньше. Но уменьшение содержания металла в отдельном устройстве компенсируется увеличением количества самих мобильных устройств.
Подробнее остановимся на минералах, из которых добываются ключевые элементы, упомянутые выше.
Начнем с меди, которой в процентном отношении в смартфоне больше всего. Медь бывает самородной, но чаще добывается из халькопирита (CuFeS2)
В дисплее смартфона необходимо прокладывать прозрачные электрические цепи, которые делают из индиево-оловянного оксида. Олово также применяется в качестве припоя на платах. Основным источником олова является касситерит (SnO2), индий встречается очень редко, преимущественно — в самородном виде, а также в составе сфалерита (основная формула — ZnS, сульфид цинка). Светодиоды (подсветка) изготавливаются в основном из галлия, ключевым источником которого является галлит (CuGaS2).
Мышьяк является качественным полупроводником (как и сурьма, расположенная на клетку ниже, он занимает промежуточное положение между неметаллами и полуметаллами), применяется в усилителях радиочастот. Его основным источником является арсенопирит — соединение мышьяка с железом и серой. (FeAsS).
Другая пара элементов, расположенных в таблице Менделеева друг над другом — это ниобий и тантал. Из них, в особенности из тантала, получаются превосходные конденсаторы. Как ниобий, так и тантал, входят в состав колтана (Fe, Mn)(Nb, Ta, Ti)2O6), о котором я подробнее расскажу ниже. Вольфрамит (FeMn)WO4) — источник вольфрама, который служит теплоотводом, а также тем самым массивным компонентом, который обеспечивает вибрацию смартфона.
Наконец, источником почти всех редкоземельных элементов являются всего два минерала — монацит и бастнезит.
Строго говоря, монациты — это семейство близкородственных минералов-фосфатов, основная металлическая составляющая которых отличается:
Цериевый монацит: (Ce, La, Pr, Nd, Th, Y)PO4;
Лантановый монацит: (La, Ce, Nd, Pr)PO4; основная разновидность; содержание лантана — почти 29%;
Неодимовый монацит: (Nd, La, Ce, Pr)(P, Si)O4;
Самариевый монацит: SmPO4; содержание самария — до 13,59%;
Празеодимовый монацит (Pr): (Pr, Nd, Ce, La)PO4.
Монациты были открыты на Урале в начале XIX века немецким изыскателем Иоганном Менге; поначалу он принял их за циркон. Кроме Урала залежи монацитов сегодня разведаны в Бразилии и Боливии. Монацитовые пески также открыты в Индии, США, Австралии, Индонезии, Шри-Ланке, Мозамбике, на Мадагаскаре и в Египте. Кроме лантаноидов более 5% состава монацитов приходится на торий и до 1% на уран (расположенных на период ниже церия и неодима соответственно).
Бастнезит — это фторкарбонат церия, также содержащий лантан и иттрий (Ce, La, Y)CO3F. Крупнейшее известное месторождение бастнезита находится в США (Маунтин-Пасс, штат Калифорния), а также бастнезит обнаружен в Руанде, к востоку от Конго.
Мы рассмотрели в основном сырье для корпуса, проводников, дисплеев и светодиодов. Но еще важнее сырье для батарей, прежде всего — для литий-ионных аккумуляторов. Госпожа @Mishustina написала на Хабре отличную статью о производительности и стоимости таких батарей в смартфонах. Основным источником лития является сподумен LiAl (Si2O6) –, а сам литий идет на изготовление катодов в литий-ионных аккумуляторах. Наряду с литием ключевыми компонентами батарей являются кобальт и тантал. В частности, тантал незаменим в производстве конденсаторов. Кобальт и тантал — весьма токсичные металлы, добываемые порой в адских условиях. Одним из основных источников тантала и ниобия является колтан. В первой таблице этой статьи было также указано, что тантал и ниобий входят в состав плат смартфона, а тантал — в состав контактов. Как кобальт, так и колтан кустарным способом добывают на востоке Конго. В 1998 году там даже разразилась Вторая Конголезская Война, основным камнем преткновения в которой был именно контроль над добычей ниобия и тантала — мобильные устройства как раз переходили в масс-маркет, дешевый источник тантала и ниобия был источником колоссального обогащения. Кроме того, в тех же регионах на востоке Конго добывается вольфрам (в виде вольфрамита, о котором я упоминал выше).
Конголезский кобальт и колтан
Более 60% мировых поставок кобальта идет из «медного пояса», расположенного в юго-восточных провинциях Декмократической Республики Конго (ДРК). В стране есть целое государственное агентство, контролирующее неофициальный, кустарный сектор добычи кобальта. На долю местных «рудокопов» (creuseurs) приходится примерно 20% этой добычи, остальной кобальт в регионе разрабатывается иностранными (прежде всего — китайскими) компаниями, занявшими долю обанкротившегося местного концерна Gécamines. Кроме того, китайцы держат сеть «факторий», скупающих кобальт у добытчиков-одиночек, в том числе, несовершеннолетних. Добычей кобальта занимаются даже дети в возрасте от семи лет. Согласно некоторым оценкам, рабочий день старателя длится 14–16 часов и приносит человеку доход в районе 2 долларов.
Иллюстрация отсюда: https://russiancouncil.ru/analytics-and-comments/analytics/strasti-vokrug-kobalta-v-chikh-rukakh-metall-xxi-veka/? sphrase_id=90468482
Далее китайские специалисты смешивают кобальт, добытый промышленным и кустарным образом, очищают сырье (грязь) до гидроксида кобальта, который везут в порты Дар-эс-Салама (Танзания) и Дурбана (ЮАР), а далее в Китай. Там кобальт проходит дополнительную очистку и поступает на рынок.
Совокупная выручка этих компаний составляет триллионы долларов, притом, что только в период с 2016 по 2018 год рыночная цена кобальта подскочила на 300%. Поэтому иностранные компании способствуют дальнейшей разведке кобальта в горно-лесистых районах поблизости от замбийской границы. Ежегодно фиксируются десятки новых раскопов, но условия труда там остаются нечеловеческими. В кустарной добыче кобальта в Конго занято более 250 000 человек, из них не менее 35 000 человек — дети.
Таким образом, наиболее совершенными технологиями очистки и обогащения кобальта в настоящее время обладает Китай, тогда как на всей китайской территории имеется всего около 2% мировых запасов кобальта. Чтобы занять свои производственные мощности, Китай не имеет иного выхода, кроме как продолжать осваивать конголезские запасы. На территории России кобальта несколько больше — примерно 4% от мировых запасов, но весь он содержится в сложных рудах, в частности, никелевых, и в России (в отличие от Конго) нельзя добывать кобальт «сам по себе» — по крайней мере, это пока не удалось «Норникелю». Никель, как и кобальт, может идти на производство батарей для смартфонов, но кобальтовые батареи значительно лучше, так как дольше держат заряд и не перегреваются. Амбициозный проект по разработке батарей без содержания кобальта ведется в компании Panasonic –, но он далек от завершения, и рассчитаны такие батареи первоначально будут отнюдь не на смартфоны, а на электромобили Tesla, элементы питания для которых производит именно Panasonic.
Ситуация с добычей колтана в Конго даже более одиозна, чем с кобальтом. Колтан в Конго начали добывать еще в начале 1990-х, тогда он считался бросовым побочным продуктом от добычи олова. Первая конголезская война 1996–1997 года была выиграна восточными повстанцами, которых поддержали Уганда и Руанда. В результате был свергнут диктатор Мобуту Сесе Секо, страна переименована из Заира в ДРК, а наводненные оружием экваториальные джунгли фактически не контролировались из столицы. Именно в тот период был оценен коммерческий потенциал колтана, и этот минерал всего за пару лет породил настоящую «танталовую лихорадку». Добыча колтана была быстро поставлена под контроль вооруженными бандами. К 2000 году до 30% детей в Конго не посещали школу, поскольку были заняты добычей колтана. При этом, колтан — не кобальт, а значительно более дорогое сырье; средняя зарплата в ДРК к началу века составляла $10 в месяц, тогда как удачливый старатель колтана в те годы мог намыть металла на 10–50 $ в неделю. Руандийцы устраивали вооруженные рейды за колтаном. Такой грабеж в 2000–2001 году приносил руандийским властям до $1 миллиона в месяц от экспорта колтана. Для сравнения: в тот же период Руанда зарабатывала на экспорте алмазов примерно $200 000 в месяц. В довершение всего продажа колтана в Руанде и Конго облагалась налогами, а людей насильно держали в шахтах под надзором вооруженной охраны, не позволяя покидать прииск до выполнения дневной выработки.
Заключение
Безрадостная картина из этого краткого обзора заставляет по-новому взглянуть на истинную ценность вашего смартфона (кстати, здесь я не затрагивал экологических аспектов, подумав, что хватит и гуманитарных). Согласно этому источнику, срок службы большинства смартфонов и обычных сотовых телефонов составляет около 10 лет, а производство смартфонов растет на фоне падения производства обычных сотовых телефонов, но точка, после которой смартфоны станут преобладать над традиционными сотовыми, еще не достигнута, и может быть пройдена только к концу нынешнего десятилетия:
Таким образом, переработка старых сотовых телефонов приобретает принципиальную важность прямо на наших глазах. Добыча некоторых металлов из смартфонов несравнимо более эффективна, чем из руды. Несколько примеров:
Медь. В старых мобильных телефонах составляет около 14%, а в типичной медной руде — порядка 1,5%.
Кобальт (с учетом батарей) — до 19% массы мобильного телефона, что примерно в 100 раз больше, чем содержание кобальта в руде.
Серебро — в старых мобильных телефонах на него приходится примерно 2800 промилле, тогда как в богатейших серебряных или золото-серебряных рудах на серебро приходятся сотни, чаще — десятки промилле.
Золото — в среднем 270 промилле в мобильном телефоне и несколько промилле в золотых рудах.
Палладий — около 100 промилле в мобильном телефон и 2–3 промилле в платиновых рудах.
Полагаю, майнинг смартфонов ждет своих инвесторов и энтузиастов, а экологическая актуальность этой важнейшей промышленной области никак не меньше, чем гуманитарная. Кроме того, именно такой майнинг сейчас мог бы стать наиболее реальным источником для пополнения запасов редких металлов — и, соответственно, производства новых смартфонов.
