Za kovy ve vašem tabletu nebo mobilu není náhrada. Co když nebudou?

aktualizováno 
Dnešní technika se neobejde bez materiálů, které jsou většině z nás neznámé. Pocházejí ze všech koutů světa a za řadu z nich podle všeho nemáme vhodnou náhradu. Spory v zemi na druhém konci světa tak mohou zpomalit naše počítače či letadla.

Čip firmy IBM pro projekt SyNAPSE, který chce vyvinout počítačový systém napodobující biologický mozek.

Víte, z čeho jsou letecké turbíny? Jistě, hlavně z oceli. Ale věděli byste, že v oceli najdete kromě železa ještě titan, hliník, kobalt, molybden, wolfram, niob, hafnium, tantal a rhenium?

Výsledkem jsou "superslitiny", které umožnily v posledních desetiletích postupně zvyšovat pracovní teplotu turbín, účinnost, trvanlivost i spotřebu a další vlastnosti. Jinými slovy, letenky by nebyly tak levné, kdyby nebylo exotických kovů.

Vývoj slitin pro proudové motory v poválečných letech s vyznačeným označením...

Vývoj slitin pro proudové motory v poválečných letech s vyznačeným označením slitin a chemickými zkratkami během doby postupně přidávaných prvků. Na levé ose je pracovní teplota, kterou slitina snese, a která přímo ovlivňuje výkony motoru. Na vodorovné ose je rok zavedení slitiny.

Nejde samozřejmě jen o letenky. Bez příměsi vzácných kovů se neobejde ani moderní elektronika, třeba počítačové čipy, dnes používané už nejen v počítačích, ale i telefonech, televizích atd. V 80. letech byste v počítačových čipech našli 12 prvků, v 90. letech o čtyři více, v prvním desetiletí 21. století kolem šedesáti, uvádí společnosti Intel.

Přidávání dalších a dalších materiálů je při pohledu zvenčí nenápadné, a to už proto, že nevede obvykle k zásadním, přelomovým změnám ve výkonům, ale k drobným, o to však důležitějším vylepšením. Letecké proudové motory se během posledních 80 let zlepšily zcela zásadně, ale hlavně v posledních desetiletích to bylo to plíživě, procento po procentu.

Stejné je to třeba u tepelných elektráren, kde se u nás bouřlivě diskutovalo, zda má mít nový Prunéřov po rekonstrukci účinnost 40 nebo 42 procent. Rozdíl v nákladech mezi dvěma procenty je na pohled malý, znamená ovšem zcela zásadní změnu technologie, nárůst nákladů a v absolutních číslech i velký pokles spotřeby paliva.

Čínské strachy

Svět v roce 2010 vyděsilo čínské oficiálně nevyhlášené, přesto účinné, embargo na vývoz pro mnohé dnešní výrobky nezbytných tzv. kovů vzácných zemin. Tyto prvky se těží (z dobrých důvodů, jak jsme psali) takřka výlučně právě v Číně.

Embargo nakonec nenapáchalo žádné velké škody kromě zvýšení zájmu o toto odvětví, vytvoření nereálných investičních očekávání a z toho plynoucích prodělků. Kovy vzácných zemin se však dále dominantně těží v Číně, kde se většina z nich také spotřebovává, a i když se začalo pracovat na vývoji možných náhrad, ve skutečnosti je naše závislost na nich stejná nebo ještě větší, než byla před třemi lety. A do budoucna to asi nebude lepší.

U procesorů byly možnosti zprvu tak ohromné, že si výrobci vystačili jen s křemíkem a rychlým zmenšováním procesorů, v posledním desetiletí – kdy přibylo nejvíce exotických prvků – už ale zlepšování vyžaduje nové a předtím nepoužívané "triky", protože zmenšovat rozměry jde už obtížně. Výsledkem pak je, že výrobky jsou velmi často závislé na dodávkách surovin prakticky ze všech světadílů jen s výjimkou Antarktidy (alespoň tedy zatím).

Kde jsou náhradníci?

Nemůže hrozit, že těchto vzácných kovů může být málo? To je zajímavá otázka, na kterou se ovšem odpovídá překvapivě těžko. Většina kouzel materiálových inženýrů probíhá především za zavřenými dveřmi vývojových a výrobních firem, které si pak žárlivě střeží své know-how. I když tedy třeba víme, jaké materiály se přesně používají, těžko můžeme zjistit třeba přesné zastoupení jednotlivých prvků a dalších příměsí.

Alespoň poodhalit tajemství téhle otázky se pokusil čtyřčlenný tým Thomase Graedela z univerzity v Yale v časopise PNAS (pdf najdete zde). Ve své práci, která vyšla minulý týden, se soustředili na používání kovů v moderní průmyslové výrobě. Kovy jsou totiž asi nejvzácnější třída materiálů, a tak u nich nejspíše hrozí nějaké zásobovací obtíže. Autoři prošli vědeckou literaturu o využití kovu a zpovídali i odborníky na danou problematiku.

Podle jejich výsledků žádný z 62 kovů nemá zcela plnohodnotnou náhradu z hlediska průmyslového využití. Což není tak hrozné, jak se zdá. Znamená to, že jeden kov – řekněme měď – by se musel nahradit několika různými materiály, a to podle konkrétního využití. U většiny široce využívaných kovů, třeba hliníku či zinku, jsou možné náhrady poměrně pohotově po ruce. U jiných, třeba zmíněné mědi, už je to horší a v některých zařízeních bychom ji dnes nahradit nedokázali. 

Periodická tabulka výkonnosti náhradních kovů podle práce Thomase Graedela a...

Periodická tabulka výkonnosti náhradních kovů podle práce Thomase Graedela a kolegů. Výsledky jsou seřazené od 0 do 100. "Stovka" znamená, že pro žádné významné použití neexistuje vhodná náhrada. Naopak výsledek 0 znamená, že máme náhrady s vhodnými vlastnostmi pro všechny významné způsoby využití daného kovu.

Kovy ve větru

I Greadel upozorňuje, že jeho práce není úplně přesný obraz velmi složité reality: technologické požadavky se mění, stejně jako dostupnost materiálů, vliv má samozřejmě i politika.

Situaci v dodávkách kovů může výrazně ovlivnit rozvoj obnovitelných zdrojů. A mohlo by to platit i naopak: kovy a v menší míře i další materiály by mohly zastavit či hodně zpomalit i jejich rozvoj. V podstatě představují "neobnovitelnou položku" těchto zdrojů.

Může za to především fakt, že obnovitelné zdroje jsou energeticky méně "husté". Zatímco v ropě, uhlí či uranu je z různých důvodů energie v podstatě koncentrovaná, ve větru či slunečním záření je jí "na stejný objem" méně. Takže pokud chcete vyrábět stejně energie, musíte postavit podstatně větší elektrárnu (jak víme i z českých čísel).

Kolik bychom museli vyrobit navíc. Odhad, který pro svou práci vytvořili...

Kolik bychom museli vyrobit navíc. Odhad, který pro svou práci vytvořili Olivier Vidal s kolegy z Grenoblu. Šipka vyznačuje množství materiálu nutného k vybudování kapacit obnovitelných zdrojů takovým tempem, aby se mohl naplnit scénář organice WWF. Ten předpokládal, že v roce 2050 by svět mohl vyrábět 25 tisíc terawatthodin elektrické energie z obnovitelných zdrojů. Na svislé ose je produkce daného materiálu s přerušovanou čárou vyznačující úroveň roku 2010. Prázdné a plné obdélníčky vyznačují rozdíly v nákladnosti výstavby podle typu použitých obnovitelných zdrojů – přece jen každá technologie má poněkud jiné nároky. Samozřejmě jde jen o odhady, a to zřejmě nadsazené, protože vývoj povede nejspíše ke snižování nákladnosti obnovitelných zdrojů energie.

Rozdíl je to markantní: materiálové náklady na obnovitelé zdroje jsou totiž podstatně větší než u klasických zdrojů energie, včetně té nukleární. K vybudování kapacity se stejnou výrobou energie je v případě obnovitelných zdrojů zapotřebí zhruba 90krát více hliníku, 50krát více železa, mědi či skla a 15krát více betonu, odhadla nedávno v časopise Nature Geoscience dvojice vědců z univerzity ve francouzském Grenoblu (článek je dostupný zdarma zde po registraci).

Nejde jen o náklady na samotné zařízení, třeba větrné elektrárny a turbíny, ale ve velké míře především o náklady na vybudování infrastruktury, která by zajistila stabilní zásobování elektřinou. Je zapotřebí více vedení pro případy, kdy v nějaké větší oblasti nefouká či nesvítí. Jiné řešení dnes ve velkém není, protože skladování elektřiny je alespoň zatím příliš drahé, nepraktické nebo neúčinné.

Z údajů autorů zhruba vychází, že pokud by se svět měl elektřinou zásobovat jen z obnovitelných zdrojů (velmi zhruba 20 tisíc TWh ročně), musel by na vybudování infrastruktury obětovat zhruba jedenapůlnásobek své celkové roční produkce oceli či dvojnásobek produkce mědi (něco pod 3 miliardy tun oceli proti necelým dvěma produkovaným a 40 milionů tun mědi proti 16 milionům vyprodukovaným).

Ještě dramatičtější by mohl být v sektoru výroby zelených energetických technologií nárůst spotřeby kovů vzácných zemin a dalších podobných "příměsí", které se používají v menším měřítku, ale pro moderní technologie jsou nezbytné.

A co recyklace?

Masivní spotřeba materiálů pro stavbu obnovitelných zdrojů má i jednu nevýhodu: neumožňuje recyklaci. Kovy či další materiály jsou v nich napevno po celou dobu jejich životnost, což v případě energetické infrastruktury musí být reálně několik málo desítek let. Jenom s úsporami ve spotřebě si tedy při masivním rozvoji obnovitelných zdrojů nemůžeme vystačit.

Přesný nárůst poptávky samozřejmě není možné odhadnout, může být kdekoliv v rozmezí 10 až 230 procent, odhadovala v roce 2011 zpráva pro Evropský parlament v roce 2011 (pdf je zde), ale samozřejmě jde tak trochu o věštění z křišťálové koule. Už třeba proto, že nevíme, jakým směrem se bude vyvíjet technika.

Železo bude

Nedá se předpokládat, že bychom se měli obávat toho, že by některé kovy definitivně došly. Pod zemí jich nepochybně bude stále dost: jen budou hůře dostupné a většina nalezišť bude chudších než ta současná. Bez pokroků v jejich dobývání a úpravě by tedy jejich ceny rostly. Ekonomická teorie tvrdí, že to tak nezbytně bude, protože u nedostatkových surovin poroste cena, a tak i chuť investovat do nových technologií, hledání a rozvoje nalezišť a tak dále. A pokud jeden zdroj dojde, budeme se moci přesunout k jinému.

Z pohledu materiálových vědců si nejsou všechny kovy rovné a některé z nich patrně plnohodnotně nahradit nelze, takže v praxi zmiňovaný ekonomický model beze zbytku platit nemůže. Mohlo by tak docházet k problémům v zásobování hlavně těmi vzácnějšími a hůře dostupnými kovy, které se z různých důvodů (politických, geologických či ekonomických) získávají a upravuji na jednom či jen několika místech světa.

Následky případného výpadku dodávek samozřejmě nebudou tak tragické, aby došlo k nějaké katastrofě, ale podle povahy materiálu může dojít ke snížení výkonů některých výrobků, zvýšení cen nebo k obojímu. V některých případech bychom se museli spokojit s horší technologií, což může být v některých případech vážný problém, obvykle ovšem spíše ne. Dostupnost materiálů tak může v důsledku vést k tomu, že se nevyplatí nebo nebudou v dostatečném množství výrobky, které bychom všichni sice rádi viděli v praxi, protože jsou třeba účinnější, výkonnější nebo třeba ekologičtější než stávající alternativy.

Winston Churchill (1918)

Winston Churchill v roce 1918. Jen pár let poté, co podstatným dílem přispěl k vytvoření ropných států Perském zálivu.

Lepší by bylo se bez výpadků obejít zcela, což není na druhou stranu nic nemožného. Z posledního století máme jasné důkazy, že to jde: například trh s ropou. Zde jsme se přes řadu pokusů (třeba arabské ropné embargo z roku 1973) dopracovali k situaci, kdy v podstatě nehrozí výpadek dodávek. Řešením přitom nejsou technologie, ale nezáživná mezinárodní politika.

Řešení bylo jasné už Winstonu Churchillovi, který těsně před první světovou válkou docílil toho, že britské loďstvo přešlo z pohonu domácím uhlím na spalování ropných paliv z Perského zálivu.

Lodě jezdily lépe a dále, to uznal každý, ale co když ropu "beduíni" přestanou dodávat? "Bezpečnost a jistota v ropě závisí pouze a výhradně na rozmanitosti," řekl Churchill tehdy před parlamentem. Británie nesměla podle něj nikdy být závislá na jediném ložisku, zemi či dopravní tepně. Pokud se nechceme obejít bez leteckých motorů, fotovoltaiky, počítačových čipů a všeho ostatního, co moderní technika nabízí, lepší recept zatím nikdo nevymyslel.

Mohlo by vás zajímat: Černobyl

Černobylská havárie se stala 26. dubna 1986 v černobylské jaderné elektrárně na Ukrajině (tehdy část Sovětského svazu). Vzpomínka na tragédii v těchto dnech oživila televizní minisérie Černobyl.

Téma Černobyl v článcích Technet.cz:
Brzda místo plynu a plyn místo brzdy. To byl Černobyl
Havárie neskončí před rokem 2065. Černobyl polyká tuny vody a miliardy eur
Výbuch roztavil beton a tisícitunový poklop létal vzduchem. Černobyl 1986

Nejčtenější

Neudělejte chybu jako Ovčáček. Ověřovací kód nikdy nikomu neposílejte

Pro bezpečí na internetu je důležité nesdělovat soukromé ověřovací kódy, někdo...

Pokud vám přijde zpráva s potvrzujícím kódem, zacházejte s ní jako s tajemstvím. Nepište ji nikam, kam nepatří. Nikomu...

Jsou neskutečně levné a jedovaté. Čínské tonery do tiskáren obsazují trh

Jak vybrat náplň do tiskárny, aby do ní padla jako ulitá? Ne každá je vhodná a...

Především kvůli nízké ceně lidé riskují zdraví a kupují ultralevné tonery do laserových tiskáren od neznámých výrobců....

„Zapomenutý“ tank z ČKD. Neozbrojený prototyp přišel Němce draho

První prototyp tanku Praga V-8-H

Ve druhé polovině třicátých let vznikl v Československu prototyp středního tanku srovnatelného s německými tanky stejné...

Proč havarovaly Boeingy 737 Max? Firma spěchala a porušila vlastní zásady

Jak vznikly problémy, které vedly k havárii nejnovějších letadel Boeing 737 MAX

Nejnovější letadla Boeing 737 MAX 8 už tři měsíce nelétají. Při dvou jejich nehodách totiž zemřelo 346 lidí. Stopy...

Astronomové po půl století objevili ztracený lunární modul z Apolla 10

Lunární modul Apolla 10 nad Měsícem (foceno z velitelského modulu)

První mise, která přivezla lidi na jiné kosmické těleso, byla ta s označením Apollo 11. Cestu jí však vyšlapaly...

Další z rubriky

Brontosaurovi potvrdili jméno až v roce 2015. Práskal ocasem jako bičem

Stádo brontosaurů na pochodu. Tito obří sauropodi se zřejmě sdružovali do...

Brontosaurus, tedy v doslovném překladu „hřmotný ještěr“, patří k nejznámějším a nejpopulárnějším dinosaurům vůbec....

NASA cvičila astronauty na Měsíc nad sopkou, které je dobré se bát

Krajina centrálního Islandu je nehostinné místo téměř bez života, tvořené...

Okolí islandské sopky Asjki je jedno z nejnehostinnějších míst na Zemi. Což je možná dobře, protože její divoká exploze...

Zkrátil jim život? Vědci mapují dopady šokujícího čínského experimentu

Profesor Che Ťien-kchuej, který údajně změnil genetickou informaci nenarozených...

Vědce celého světa šokoval čínský experiment, ve kterém došlo ke genetické úpravě DNA nejméně dvou dětí. Jak se nyní...

Naděje pro neplodné páry: Česko zavádí novou metodu mrazení vajíček
Naděje pro neplodné páry: Česko zavádí novou metodu mrazení vajíček

Státní ústav pro kontrolu léčiv schválil v nedávné době zcela novou metodu mrazení vajíček. Měla by eliminovat riziko poškození vajíčka při rozmrazení a dát tak ženám, které podstupují umělé oplodnění, větší šanci na úspěch.

Najdete na iDNES.cz