Ученые выяснили, что быстрее — добыть алмаз или синтезировать его
Исследователи из НИУ ВШЭ и Сколтеха проанализировали удельные трудозатраты на производство одного карата алмаза на месторождениях и при синтезе. Оказалось, что традиционный метод добычи алмазов пока требует меньше времени.
Результаты исследования опубликованы в журнале Heliyon. Алмаз — это форма углерода, которая уже сотни лет привлекает внимание благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам: предельной твердости, высочайшей теплопроводности, химической инертности и пр. Алмазы не только востребованы в ювелирной промышленности, но и необходимы для электроники, квантовых проектов, медицины и так далее, что делает вопрос их лабораторного синтеза особенно важным. Некоторые компании, такие как De Beers Group, уже диверсифицировали свой ассортимент продукции, чтобы предложить клиентам как алмазы, добытые в карьерах, так и алмазы, выращенные в лаборатории.
Создатели способов лабораторного производства алмазов во многом подобны средневековым алхимикам, которые совершенствовали практические технологии в поисках философского камня. Синтез алмазов требует фундаментальных знаний в области физики и химии. Технологии постоянно развиваются, так как спрос на алмазы растет.
Расходы на оплату персонала являются основной частью операционных издержек при производстве алмазов и индикатором общей эффективности производства: чем меньше человеко-часов расходуется на производство единицы продукции, тем выше общая инвестиционная привлекательность алмазных проектов.
В исследовании ученые изучили трудозатраты, необходимые для получения одного карата алмаза тремя способами: классическим открытым способом добычи в алмазном месторождении, высокотемпературным синтезом под высоким давлением (HPHT) и химическим осаждением из газовой фазы в микроволновой плазме с частотой 2,45 ГГц (MP CVD).
Технология HPHT симулирует естественный процесс образования алмазов. Мощный гидравлический пресс сжимает специальный контейнер — ростовую ячейку, внутри которой находится смесь железа, графита и аддитивов. При этом в ячейке создается давление до 6 ГПа, поддерживается температура около 1500 °C — в данных условиях атомы углерода, растворенные в железе, начинают кристаллизоваться. Большинство лабораторных алмазов выращиваются именно при помощи технологии HPHT.
Технология MP CVD сильно отличается от HPHT и не воспроизводит естественный процесс возникновения алмаза. В ней используется метано-водородная плазма вместо расплава железа, а процесс проходит в условиях низкого давления внутри специальной камеры-резонатора. Технология химического осаждения из газовой фазы позволяет создавать сложные кристаллические структуры для ювелирных изделий, оптики и электроники и точно контролировать все соответствующие параметры. Это более молодая и многообещающая технология синтезирования алмазов.
В ходе работы были использованы данные из открытых источников: отчетности ведущего производителя алмазов De Beers, а также лабораторных исследований процессов синтеза. Несмотря на бурный рост количества проектов по синтезу алмазов, авторы исследования пришли к выводу, что удельные трудозатраты при добыче на месторождениях Orapa и Jwaneng в Ботсване значительно меньше, чем при синтезе алмазов ювелирного качества, то есть алмазов с низким содержанием примесей и размерами, оптимальными для использования в ювелирной промышленности.
Ученые рассчитали среднее рабочее время, необходимое для производства 1 карата алмаза. Так, шахтер на месторождениях Orapa и Jwaneng тратит в среднем 26 минут на добычу 1 карата алмаза. Операторы HPHT-пресса и реактора MP CVD тратят в среднем 1 час 50 минут и 3 часа 26 минут соответственно на синтез 1 карата алмаза ювелирного качества.
«Алмаз, шире — углерод, — это, безусловно, материал будущего, отсюда академический интерес к экономическим аспектам карбоновых технологий. Как эксперту мне часто приходится давать заключения на те или иные проекты, связанные с высшими фуллеренами, алмазами и прочими аллотропами углерода. В этой статье мы обобщили собственный опыт в части добычи и синтеза алмаза как одного из основных коммерчески применяемых карбоновых аллотропов», — говорит один из авторов исследования, профессор факультета гуманитарных наук НИУ ВШЭ Владислав Жданов.
Как отмечают исследователи, наблюдаются положительные тенденции в совершенствовании процессов изготовления алмазов. Совершенствуются гидравлические прессы, используемые в HPHT, как следствие, растет производительность.
«Инновации в методе CVD также могут снизить трудоемкость. Синтез монокристаллической алмазной пластины диаметром 92 мм немецкими учеными стал одним из самых важных достижений в технологии за последнее десятилетие. Это вопрос времени, когда этот результат будет масштабирован и мы станем свидетелями резкого роста размеров CVD-алмазов, что может привести к переосмыслению их практического использования», — резюмирует Владислав Жданов.
По мнению исследователя, горнодобывающая промышленность также имеет большой потенциал для повышения производительности труда, например автономная карьерная техника, роботизированные обогатительные фабрики и так далее. Существует бесконечное количество инноваций, и многие аспекты могут быть улучшены.
Telegram 
Дзен 
VK Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Биологи нашли особый тип стволовых клеток, которые просыпаются в среднем возрасте и активно производят новый жир на животе. Открытие сделали благодаря масштабным экспериментам на мышах и анализу человеческих тканей. Результат объяснил природу возрастного ожирения и дал новую цель для будущих лекарств.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно