地球上金元素珍貴!掌握這項技術,稀有元素或將「白菜價」

2020-12-03 李論科學

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

「精靈會去矮人不敢去的地下,獲取珍貴的資源。」——《指環王》

地球母親不僅是為我們提供了生存所需要的條件,適合的溫度、大氣、水、食物,以及豐富的生態資源,還為我們提供多樣性的物質成分,例如:你手上的黃金裝飾品、鑽石、手機中普通的銅、銀、鋰、鈷,以及更加珍貴稀有的釔,鋱和鏑。如果沒有這些元素,我們的生活得多麼單調。

元素周期表上的每一種元素都有自己獨特的性質,有自己的一套用途和應用,這都要歸功於其原子核中的質子數,以及周圍的電子與其他原子和分子結合在一起的各種方式。

但是,地球的化學元素,不管是從地域上、還是其豐度上分布非常不均勻。有些元素比其他元素要豐富得多,也更容易獲取,而有些元素雖然用途不那麼廣泛,但卻十分稀有,開採難度也大。

雖然我們在地球上發現的最珍貴的元素不一定是用途最廣、最美麗、或能最有效地解決問題的元素。但是,它們在一些特定的應用和環境上是必不可少的。

事實證明,幾乎所有的元素都有其獨特的應用,沒有任何兩個元素具有完全相同的屬性。因此,最珍貴的元素是我們可以利用的最稀有的、開採難度最大的元素。

那麼為什麼有些元素的含量豐富,而有些元素自然含量特別稀有?以及造成有些元素開採難度大本質原因是什麼?

當然,想要回答這個問題,就必須回到早期太陽系的形成時期。

我們知道太陽系誕生於45億年前的一團原始星雲,說它原始只是相對於太陽系的年齡尺度來說的,而對於宇宙這個138億年的壽命來說,誕生太陽系的這片星雲其實並不是很古老的宇宙級原始星雲。根據我們的估計,在誕生太陽系之前,在同一片空間區域,已經經歷了至少兩代恆星的死亡。

恆星被稱為宇宙元素的加工廠,是它們將最初的只包含大量的氫元素和少量的氦元素、以及微量的鋰元素的宇宙級原始星雲,經過核聚變後,才創造出了元素周期表中所有已知的元素。並在這些前幾代恆星死亡時,將這些合成的重元素拋灑到星際介質中,供下一代恆星、行星,甚至是生命的誕生。

而恆星在聚變的過程中,它所加工的各個元素的豐度並不是均勻的,也就是說它死亡時,所創造的每種元素的含量並不是都一樣,其中氫元素還是最豐富,因為恆星的一生最多只能消耗其自身不到10%的氫元素,剩下的還是會返回到宇宙中。其他比氫更重的元素會在其核心的殼層中一層一層的聚變,直到核心堆積成鐵核,聚變停止,恆星會在超新星的爆發中死亡。

超新星爆發的過程會在慢中子捕獲和快中子捕獲的過程中,形成比鐵更重的元素。但是這個過程效率比較低,形成的比鐵重的元素也比較少。當然原子量越高,形成的也就越少。

總的來說,構成太陽系萬物的元素就是前幾代恆星生存、聚變、死亡的結果,整個太陽系就是在同一片星雲下誕生的,而這片星雲本身輕元素含量就更加豐富,重元素就比較少,越重越少。但還有另外一個原因決定了元素在太陽系、以及單個星球上的分布。

那就是浮力的原理:密度更大、重量更重的元素往往聚集在引力最強的地方,而較輕的元素則漂浮在上面。這個原理在早期的太陽系中也是成立的,因此水星(平均而言)是由比地球密度更大的物質構成的,而我們是由比火星密度更大的物質構成的,而火星比氣態巨星密度更大。

你可能會想,你說這不對啊,太陽明顯密度比水星低啊!確實是這樣的,但是我們要知道的是,太陽是星雲收縮的中心,是首先形成並被點燃核聚變的星球,在太陽形成之前並沒有一個比較顯著的引力會作用於整個星雲,太陽形成以後才有了中心引力讓星雲根據密度的不同開始分層。當然除了引力,更重要的還有太陽風向外輻射的壓力作用,把輕元素吹到太陽系的外層,而更重的元素在內層才得以保留,形成了內太陽系的巖石行星。

然而,在地球上,也會面臨同樣的問題,大部分重元素已經在引力的作用下沉入了地球的最深處!雖然稀有元素在太陽系形成時比例較少,但太陽系的物質基數也大,而且地球作為內太陽系行星其實也很有很多的稀有元素,完全能滿足人類的使用,只不過這些元素在地球表面很稀有。

地球的地核是由鐵、鎳、鈷以及大量的鉛、金、甚至鈾等較重的元素構成的。如果你問地球內部有多少熱量來自引力收縮,有多少來自放射性衰變,其實這兩個百分比大致相等。這就能說明地球內部重元素含量有多麼的豐富。但它們深埋在地下很難開採。

就拿簡單的煤炭資源來說吧,煤炭一般掩埋比較淺,有一百多米的礦井,但隨著資源的日益枯竭,現在目前的煤礦井深度已經達到了1500米深,這就會給開採帶來巨大的風險,包括,衝擊地壓、瓦斯、高溫、透水等自然災害。而更重的元素比如金礦,深度可達4000米,而且金元素更是含量低、開採難度大。

因此我們說,從太陽系誕生的那一刻,就註定了黃金的價值。

地球上的稀有元素開採難度大,但希望就在外太空!

巖石小行星是跟太陽系中的其他星球一起形成的,所以含有豐富的稀有元素。

雖說,去外太空抓一顆小行星回地球比鑽入地球中心要遠得多,但相對來說更容易辦到。事實上,美國國家航空航天局(NASA)提出了一項任務(小行星重定向任務),利用衛星將一個重達數噸的巖石從一顆小行星上帶到一個繞月運行的穩定軌道上。

這將是一項了不起的工程壯舉,未來我們一定會實現小行星採礦的願景,在那裡,地球上的稀有元素將可以被大量收集!

我們在小行星上發現的銥、銣、金和鉑等元素比地球上最豐富的礦藏要豐富得多。根據麻省理工學院的說法:

「一顆500米寬、富含鉑的小行星所含的鉑量是全球鉑年產量的近175倍,是鉑族已知金屬儲量的1.5倍。」

這意味著僅僅花費20億到30億美元來回收一顆直徑約30米的小行星,就能得到價值250億到500億美元的鉑。這將使未來的太空探索有望實現收益,而不僅僅是一個砸錢的無底洞。

我們以前認為小行星對地球是一種威脅,:就像滅絕恐龍一樣。但就獲取地球上難以獲取的稀有元素而言,小行星確實是一個在太陽系取之不竭的東西。

如果我們某天實現了小行星開採,最終會使太空探索事業成為一個自給自足的機構,而不再需要任何的外部資金來為其提供任何資源。也許未來就在我們的指尖。

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