Čtvrtek 1. října 2020, svátek má Igor
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet
  • Čtvrtek 1. října 2020 Igor

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.

  • Nejčtenější

Překvapivé simulace: Roušky a respirátory chrání lépe, než byste řekli

Jak pomáhá ochrana obličeje zastavit šíření epidemie? Lépe, než by se na první pohled zdálo. Lidé totiž často...

KOMENTÁŘ: Za kostku cukru se necháme sledovat, ale z eRoušky se panikaří

Aplikaci eRouška si zatím nainstalovalo přes 400 000 lidí. Je pro mne nepochopitelné, proč to číslo není o nulu delší....

Exponenciální růst mate i experty. Vyzkoušejte si, čím je tak nebezpečný

S nárůstem infekcí covid-19 se v Česku znovu mluví o exponenciálním růstu. A řada lidí – včetně expertů – toto spojení...

Je to taghle zprávňe? Skotská wikipedie má neuvěřitelný problém

Poněkud přeexponovaný vtípek nešťastně snaživého grafomana, nebo rafinovaná ukázka kulturního vandalismu? Případ...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Brzdili, až od motorů létaly plameny. Největší letecký únos všech dob

Pět letadel, více než desítka únosců a jedno pouštní letiště . Před 50 lety členové palestinské teroristické organizace...

Nebezpečná místa Česka: pražské hlavní nádraží. Třicet let zde vládne podsvětí

Premium Reportéři MF DNES mapují místa, která podle statistik nejsou výjimečně nebezpečná. Ve skutečnosti jde o no-go zóny,...

Populární zážehové motory ztrácí na spolehlivosti, problémy začínají u oleje

Premium Po letech převahy dieselů se pozornost obrací k zážehovým motorům, o kterých se říká, že jejich údržba je méně...

Unikátní analýza čtyř tisíc hypoték: zjištění jsou mnohdy překvapivá

Premium Hypoteční trh zlevňuje a trhá rekordy. Jaká je ale realita při poskytování hypotečních úvěrů? Jak rychle je lze získat,...

  • Další z rubriky

Z premianta propadlík. Virus se v Česku šíří rychleji než u sousedů

Česko má v tuto chvíli nejhorší koronavirové statistiky ve střední Evropě. Infekce se zde šíří rychleji než u našich...

STO OBJEVŮ: Cestu od tlakového hrnce k parnímu stroji lemovaly výbuchy

Seriál Byla to dlouhá cesta od Papina k Wattovi, než lidem začal spolehlivě sloužit parní stroj. S čím vším se parní...

Počet úmrtí bude stoupat. Podívejte se, jaké měla křivka zpoždění jinde

Počet úmrtí s nemocí covid-19 u nás poroste. Byť ještě není jasné o kolik. Příklady z jiných zemí jasně ukazují, že...

STO OBJEVŮ: Milovaná podprsenka přinesla revoluci v dámském prádle

Seriál Přinejmenším dvě dámy by se mohly soudit o vynález podprsenky. Vyhrála by Herminie Cadolle s nápadem uvedeným v roce...

Herec Petr Čtvrtníček se nakazil koronavirem, leží v nemocnici na JIP

Herec Petr Čtvrtníček (56) skončil kvůli covidu-19 v nemocnici. Minulý týden měl pozitivní testy, a když se mu...

Herečka Veronika Arichteva je maminkou. Syna rodila patnáct hodin

Herečka Veronika Arichteva (34) se na sociálních sítích pochlubila, že je od úterý maminkou. S režisérem Biserem...

Chci se více věnovat ženě, v plánu je i založení rodiny, říká Adam Vojtěch

Bývalý ministr zdravotnictví Adam Vojtěch (33) se po odchodu z funkce těší na chvilky strávené s přáteli a s manželkou...

Čtvrtníček z nemocnice vtipkuje. Mluví o dýchání i pohlavní nemoci

Herec Petr Čtvrtníček (56) sice kvůli těžšímu průběhu covidu-19 musel do nemocnice, humor ho ovšem neopouští. Svým...

Na Tinderu jsem se nestačila divit, popisuje redaktorka seznamování

Seznamovací aplikace využívá devětapadesát procent Čechů. A to už je dost na to, aby nám dokázaly pěkně zamíchat...