Вести из кратера: как на Курилах учатся добывать сверхценный минерал из вулканических газов

Вулканические фумаролы можно узнать по отвратительному запаху, едкому дыму и буйству ярчайших цветов — лимонно-желтого, пурпурного, оранжевого и зеленоватого. В основе всех этих качеств — вулканические газы, выходящие в этом месте из-под земли. Эти газы богаты серой, и именно яркоокрашенные отложения серы и ее соединений создают вокруг фумарол переливы волшебных цветов.

Фумаролы есть на многих вулканах, они расположены на склонах вулканических конусов или непосредственно в кратерах. Чаще всего они окружены налетами чистой серы, которая осаждается из газов при температуре ниже 250 °C.

Такие отложения есть и на фумаролах вулкана Кудрявый, расположенного на курильском острове Итуруп. Когда остров принадлежал Японии, серу (а возможно, и не только ее) там даже добывали в промышленных количествах. Однако особенность Кудрявого в том, что его фумаролы, занимающие несколько полей, сильно различаются по температуре выходящих газов: она меняется в диапазоне от 150 до 950 °С. Вулканологам было понятно, что, кроме серы, там должно быть много интересного.

И вот в 1992 году, проводя плановые работы на кратере, исследователи обратили внимание на необычный минерал. Это были тонкие пластинчатые полупрозрачные кристаллы с коричнево-красными внутренними рефлексами. Они росли на камнях, окружавших фумаролы.

Необычные образцы отправили на анализ, и его результат оказался сенсацией мирового масштаба. В 1994 году он был вынесен на обложку журнала Nature: обнаружен первый в мире минерал рения ReS₂, позже зарегистрированный Международной минералогической ассоциацией под названием «рениит». Что же сенсационного в рении?

Последний стабильный элемент

Современная промышленность находит применение практически каждому элементу таблицы Менделеева. Есть среди них и такие, что не образуют в земной коре сколько-нибудь заметных скоплений. Они добываются в очень небольших количествах попутно с более распространенными полезными ископаемыми. Один из таких элементов — тугоплавкий металл рений.

Рений был предсказан Менделеевым полтора века назад, но обнаружен только в 1925 году. Он стал последним открытым стабильным элементом, после него открывали уже только радиоактивные. Почти сорок лет после открытия для него не находилось применения, но к началу 1970-х годов все изменилось.

В середине XX века для повышения мощности и КПД автомобильных двигателей к топливу добавляли тетраэтилсвинец, повышая тем самым октановое число бензина. В результате типичный автомобиль стал выбрасывать в окружающую среду несколько граммов свинца на 100 км пробега. Это стало настоящим экологическим бедствием, и с 1960-х годов в США началась борьба за запрет этилированного бензина. Однако просто отказаться от высокооктанового топлива было невозможно — многие двигатели просто не могли работать на другом.

Спасением в этой ситуации неожиданно оказался рений. В сочетании с платиной он становится катализатором для нефтепереработки, позволяющим повышать октановое число без свинцовых присадок.

Платино-рениевые катализаторы были изобретены в 1968 году, и уже с 1970-го их стали внедрять в промышленность. Во многом благодаря им к 1986 году этилированный бензин был выведен из употребления в США. В Евросоюзе и Китае его запретили с 2000 года, в России — с 2002-го. В 2021 году от него отказалась последняя страна мира — Алжир.

Другое не менее важное свойство рения — высокая температура плавления. Она даже немного выше, чем у вольфрама. При этом рениевые сплавы выдерживают температуры 2000 °C и выше, не теряя твердости и других конструкционных качеств. Без таких суперсплавов сегодня фактически невозможно создание ракетных двигателей и сверхзвуковой авиации.

Однако, несмотря на высокий спрос в нефтяной и авиакосмической промышленности, долгое время не было известно ни одного месторождения и даже ни одного минерала рения. Все, что используется в промышленности, — это побочный продукт, получаемый на медно-молибденовых месторождениях, где на тонну руды приходится около десятой доли грамма рения.

Тем не менее за год в мире добывают около 70 тонн рения. Половина этого количества производится в Чили и по долгосрочным контрактам уходит в США. Второе место по добыче рения занимает Казахстан.

Стратегический минерал

В 1991 году в Южно-Сахалинске начал работать один из первых в России частных научно-исследовательских институтов — Институт вулканологии и геодинамики Российской академии естественных наук. Только что учрежденная РАЕН тогда еще не успела обзавестись сомнительной репутацией. В нее вступали многие серьезные ученые, поскольку она позволяла им создавать собственные лаборатории, институты и журналы, что в советскую эпоху было доступно не каждому академику.

Этой возможностью воспользовался известный вулканолог Генрих Штейнберг. Институт, который он организовал со своей командой специалистов, стал заниматься мониторингом и прогнозом извержений вулканов Курильской гряды для нужд Сахалинской области. Именно исследователи института Штейнберга и обнаружили рениит в курильском вулкане.

Выяснилось, что образующий его сульфид рения высаживается, как говорят геофизики, из газовой фазы в твердую возле фумарол с температурой 400–700 °С. В потоке газов на Кудрявом содержится примерно полграмма рения на тонну вулканических газов — как в лучших природных источниках.

В статье ученые писали: «Промышленная технология производства рения основывается на его экстракции из газов, выделяющихся при обработке медного и молибденового сырья. Мы видим, что природа здесь частично воспроизвела промышленный процесс».

По идее, достаточно просто накрыть фумарольное поле колпаком и, отводя газы по трубе, осаждать их, получая рениевый концентрат. Имея в виду эту перспективу, Генрих Штейнберг подал заявку на регистрацию первого в мире месторождения рения, в котором редкоземельный металл будет добываться из вулканических газов. И кстати, рением там дело не ограничивается. В потоке фумарольных газов есть и другие ценные элементы, в частности индий, германий, золото, рубидий.

Не только в России, но даже в мире нет ни одного месторождения, где бы металлы добывались из потока горячих газов. Поэтому на то, чтобы провести необходимые изыскания, оценить запасы и выполнить установленные законодательством требования, ушло более десяти лет.

Было определено, что за год вулкан выбрасывает в атмосферу 20–40 тонн рения, что сопоставимо с его мировой добычей, и где-то до половины этого объема можно было бы извлекать. Месторождение было официально признано, и получена лицензия на его разработку. Теперь предстояло найти инвесторов и создать технологию осаждения рения, пригодную для использования в экстремальных условиях на кратере курильского вулкана.

Поначалу все выглядело довольно радужно. Уникальным месторождением заинтересовались инвесторы из США, готовые вложить в проект миллионы долларов. Но американские горки российского бизнеса выбили их из проекта на первом же крутом повороте. Когда инвестиционный договор готовился к подписанию, правительство России неожиданно объявило рений стратегическим сырьем.

Это означало, что участие в проекте иностранного инвестора вряд ли будет одобрено, и вдобавок такой статус почти исключает продажу добытого рения по свободным рыночным ценам. В то же время проект оказался слишком маленьким и нестандартным для крупных российских горнодобывающих компаний. В результате еще десять лет проект едва удавалось удерживать на плаву — во многом благодаря авторитету Генриха Штейнберга как первооткрывателя месторождения. Постоянный российский инвестор появился лишь в последние годы.

Горячая зона

Тем не менее все это время на вулкане регулярно работали экспедиционные отряды, которые вели измерения, поддерживали хозяйство и, самое главное, испытывали разные варианты технологии извлечения рения.

Несмотря на простоту идеи, добиться эффективного осаждения ценного металла на фильтрах оказалось нелегко. В первых версиях оборудования концентрат получался невпечатляющим — около 200 грамм на тонну. Но с тех пор эффективность опытных установок удалось поднять почти на порядок. Отдельная задача — обеспечить достаточную живучесть оборудования в условиях высокой температуры, агрессивной химии и при частых сильных ветрах.

Маски используются импортные, а вот вместо родных фильтров к ним научились прикреплять шланги с фильтрующими банками от российских военных противогазов. Эти банки вешают за спиной, чтобы при наклоне за образцами или оборудованием они не опускались к земле, где высокая температура быстро выводит фильтры из строя.

Ноги защищают пожарными сапогами или… валенками. И в тех, и в других на самом раскаленном грунте можно простоять секунд пятьдесят. Только пожарные сапоги все это время задерживают тепло, но потом начинают резко нагреваться. А валенки прогреваются постепенно.

Любые операции с датчиками, образцами или установкой оборудования приходится разбивать на множество коротких ходок, за которые можно выполнить одно-два действия. При этом очень важно не потерять ориентацию в условиях задымленности. Поэтому для страховки все такие выходы строго только парные.

Регулярной транспортной связи с экспедиционным лагерем нет, и поэтому полевой сезон определяется сроками навигации — с конца июня по начало октября. Людей и грузы доставляют попутные суда. Они заходят в бухту Медвежью у северо-восточной оконечности острова Итуруп, в 5 км от которой находится вулкан. Пришвартоваться там негде.

Разгрузку производят на плоскодонных лодках кунгасах. Потом вызывают вертолет МЧС, пилотам которого разрешена работа на необорудованных площадках, и он челночными рейсами перебрасывает грузы с берега на кратер — на высоту 950 метров.

За годы экспедиционных работ на Кудрявом удалось наладить быт. Есть электричество и интернет через спутниковую тарелку. Ее, правда, приходится снимать во время тайфунов. Несколько лет назад на кратере смонтировали полусферический жилой дом. Его основу составляет жесткая каркасная конструкция, а окна сделаны из прочного пластика, вроде того, что использует для профессиональных хоккейных коробок.

Поставщик демонстрировал, что его не разбить кувалдой. Однако в прошлом сезоне тайфун со скоростью ветра 65 м/с принес обломок, который вдребезги разнес оконный плексиглас. Спасло двойное остекление, но команде пришлось несколько часов «бороться за живучесть корабля», удерживая второе стекло сначала руками, а потом распорками. Прорвись ветер в окно — всю конструкцию могло разметать, а в такую погоду выжить на вершине без крыши над головой было бы проблематично.

Рассчитывать на помощь с Большой земли даже в чрезвычайных ситуациях можно не всегда из-за частых тайфунов. Новым сотрудникам рассказывают эпизод из середины 1990-х, когда один из участников экспедиции нос к носу столкнулся на тропе с медведем. Оба одинаково испугались и разбежались, но геолог успел получить глубокую рваную рану на плече.

По правилам безопасности, чтобы подобного не случалось, вне лагеря надо постоянно свистеть в свисток, но этим часто пренебрегают. Из-за нелетной погоды зашивать рану пришлось прямо в лагере, дезинфицируя и обезболивая спиртом. Санитарный рейс прилетел только через неделю.

Жизнь на вулкане

Когда заходит речь о добыче полезных ископаемых в кратере действующего вулкана, естественно, встает вопрос: а не опасно ли это? Вдруг прямо во время работы начнется извержение? Серьезное извержение последний раз происходило на Кудрявом в XIX веке.

Современными методами можно заранее узнать о приближении такого события и эвакуироваться. А небольшие извержения, или, скорее, вариации активности вулкана, несколько раз доводилось переживать за время изучения рениевого месторождения. Один из коллег Генриха Штейнберга вулканолог Александр Соловьев считает, что «вулкан Кудрявый в настоящее время находится в состоянии непрерывного парогазового извержения, продолжающегося уже 135 лет».

Однако сын Генриха Штейнберга геофизик Михаил Штейнберг, руководящий сейчас работами на вулкане, говорит:

Куда больше тревог вызывают у него организационные и погодные проблемы. Например, несколько лет назад от нижнего лагеря до кратера построили канатную дорогу, чтобы возить по ней грузы, а в перспективе и рениевый концентрат. Но неожиданный ледяной тайфун вызвал обрыв троса. Пришлось вернуться к вертолетной заброске грузов, а она дорогая и не слишком надежная.

В 2016 году сезон оказался под угрозой срыва из-за того, что все вертолеты были заняты во время наводнения в Приамурье. Или вот свежий повод для беспокойства: в 2021 году медведя неожиданно обнаружили у самого кратера, куда эти животные никогда раньше не заходили. Значит, и в верхнем лагере нужно соблюдать «медвежьи» правила.

Хотя это скорее план, чем шутка. Работая на краю земли, надо, как в космосе, предусматривать все проблемы. Например, промышленную добычу рения планируется вести круглый год. И чтобы продемонстрировать реалистичность этих планов, в прошлом году на вулкан была организована зимняя экспедиция на снегоходах.

К сожалению, Генрих Штейнберг не успел сам наладить добычу рения на открытом им месторождении. Последний раз он почти месяц отработал в экспедиции в 2017 году в возрасте 82 лет. Он скончался в декабре 2020 года и согласно завещанию был похоронен на своем любимом вулкане, где сын продолжает его дело.

_{Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 1, январь-февраль 2022}