W wieku 27 lat w układzie okresowym pojawia się kobalt, niezbędny pierwiastek w akumulatorach i silnikach odrzutowych. W 2018 roku Departament Spraw Wewnętrznych USA opublikował listę 35 minerałów o krytycznym znaczeniu , bez których gospodarka USA nie może się obejść, w tym kobaltu. Kobalt jest nawet uważany za zagrożenie dla bezpieczeństwa narodowego, ponieważ większość jest wydobywana w politycznie niestabilnym regionie Afryki i rafinowana w Chinach.
Dowiedzmy się więcej o tym wszechstronnym metalu, który został po raz pierwszy doceniony za zdolność do tworzenia żywej niebieskiej ceramiki, a teraz jest kluczem do przyszłości samochodów elektrycznych. Zaczniemy od odrobiny folkloru.
Kobalt ma swoją nazwę od gnomów
Wieki temu górnicy w górach Schneeberg we współczesnych Niemczech napotkali problem. Wyrzeźbili w zboczu góry w poszukiwaniu rudy bogatej w metale, w szczególności srebra i niklu. Ale kiedy próbowali przetopić rudę na cenne składniki metalowe, pewne zanieczyszczenia psuły cały proces.
W średniowieczu górnicy obwiniali za problemy z wytopem kłopotliwe kopie lub kopoldy , co jest średniowiecznym niemieckim słowem oznaczającym „gnoma” lub „goblina”. Według legendy kopoldowie mieszkali w kopalniach Schneeberg i lubili robić psikusy ludziom, zastępując srebro i nikiel w ich rudzie paskudnym minerałem, który wydzielał trujące opary podczas procesu wytapiania. Obwiniano ich także o zawalenia.
Jak w przypadku wszystkich dobrych starożytnych legend , historia o gnomach zawierała w sobie ziarno prawdy. Proces wytapiania srebra i niklu komplikował wysoki poziom naturalnie występującego kobaltu w skale Schneeberg. A minerał zwany kobaltytem zawiera arsen i siarkę, które mogą być śmiertelne, jeśli zostaną uwolnione w szczelnym szybie kopalni.
Kobalt, pierwiastek metalowy, został po raz pierwszy wyizolowany i nazwany w 1735 roku przez szwedzkiego chemika Georga Brandta , wczesnego krytyka alchemii i prawdopodobnie nie fana gnomów.
Starożytni Egipcjanie i Chińczycy uwielbiali błękit kobaltowy
Chociaż kobalt otrzymał swoją nazwę dopiero w XVIII wieku, pigmenty i barwniki na bazie kobaltu były cenione od tysiącleci ze względu na ich bogaty niebieski odcień.
Kobalt Instytut twierdzi, że zawierające glazury bazie kobaltu ceramiki i szkła zostały odzyskane z egipskich grobowcach sięga co najmniej 2600 roku. A słynna niebieska chińska porcelana z dynastii Tang (600-900 n.e.) i Ming (1350-1650 n.e.) była również glazurowana minerałami na bazie kobaltu.
Czysty kobalt ma lśniący szary kolor, ale można go przekształcić w jasnoniebieski proszek, biorąc tlenki kobaltu i poddając je procesowi zwanemu kalcynacją, który wystawia minerały bogate w kobalt na temperatury przekraczające 2 012 stopni F (1100 stopni C). Uderzający kolor znany jako błękit kobaltowy uzyskuje się przez ogrzewanie tlenku kobaltu (Co 3 O 4 ) z krzemianami glinu w temperaturze 2192 stopni F (1200 stopni C).
Wiele innych odcieni — mazarynowy, wierzbowy, niebiesko-czarny — można uzyskać, łącząc tlenek kobaltu z innymi minerałami. Niewielkie ilości niebieskich odcieni kobaltu są również używane jako „odbarwiacz”, aby wyeliminować żółtawe ślady w szkle przed zanieczyszczeniem żelazem.
Kobalt był używany prawie wyłącznie jako składnik pigmentów i farb aż do XX wieku. Według Instytutu Kobaltu w 1916 roku ponad 70 procent całego kobaltu wydobywanego i rafinowanego na świecie, który wynosił tylko 440 ton (400 ton metrycznych), zostało użytych jako tlenki do barwników .
Połowa światowego kobaltu jest wykorzystywana do akumulatorów
Akumulatory litowo-jonowe w smartfonie, tablecie i pojeździe elektrycznym są przynajmniej częściowo zasilane kobaltem. Kobalt jest jednym z kluczowych składników, wraz z innymi metalami, takimi jak lit, nikiel i mangan, w tych szybko ładujących się, długotrwałych bateriach, które napędzają nasze cyfrowe życie. Około 50 procent kobaltu produkowanego na całym świecie jest wykorzystywane do akumulatorów.
Kobalt znajduje się w katodzie (elektrodzie naładowanej dodatnio) akumulatorów litowo-jonowych. Podczas ładowania akumulatora litowo-jonowego jony litu przepływają z katody do ujemnie naładowanej anody, gdzie są przechowywane. Gdy bateria jest rozładowana, jony wracają do katody, a elektrony są uwalniane do zasilania telefonu lub silnika elektrycznego.
Kobalt ma dwie wrodzone właściwości, które czynią go idealnym do zastosowań akumulatorowych: stabilność termiczną i wysoką gęstość energii. Katody wykonane z kobaltu nie będą się łatwo przegrzewać ani zapalać, co jest poważnym problemem bezpieczeństwa, a także będą w stanie magazynować i przenosić więcej energii. Kobalt znajduje się nie tylko w katodach akumulatorów litowo-jonowych, ale także w innych popularnych akumulatorach, takich jak akumulatory niklowo-kadmowe i niklowo-metalowo-wodorkowe.
Ponieważ kobalt stanowi obecnie od 10 do 33 procent katod wielokrotnego ładowania, przemysł motoryzacyjny będzie potrzebował znacznie więcej kobaltu, aby zasilić przyszłość pojazdów elektrycznych. Jedna z analiz przewiduje, że zapotrzebowanie na kobalt ze strony samych samochodów osobowych wzrośnie czterokrotnie z ponad 27 500 ton (25 000 ton metrycznych) w 2020 r. do ponad 110 231 ton (100 000 ton metrycznych) do 2025 r.
Jest super użyteczny w superstopach
Kiedy inżynierowie z branży lotniczej potrzebują materiału, który wytrzyma wysokie temperatury wewnątrz silnika odrzutowego lub rakietowego, sięgają po „superstopy” wykonane z kobaltu.
Superstopy to wysokowydajne metale, które zyskały swoją krzykliwą nazwę dzięki wyjątkowo wysokiej odporności na zużycie i ciepło. Superstopy na bazie niklu przewyższają stopy kobaltu pod względem odporności na naprężenia w temperaturach dochodzących do 1706 stopni F ( 930 stopni C ). Poza tą ekstremalną temperaturą superstopy na bazie kobaltu naprawdę pokazują swoje właściwości.
Kobalt ma wyższą temperaturę topnienia niż superstopy niklu, a superstopy kobaltu są bardziej odporne na korozję cieplną. Dlatego w stacjonarnych żebrach silników turbin gazowych znajdują się nadstopy kobaltu, które przyjmują ciężar intensywnego ciepła wytwarzanego przez silniki odrzutowe bez zużywania się i awarii.
Jest głównie wydobywany w jednym niespokojnym kraju
Jednym z głównych powodów, dla których kobalt znalazł się na liście „minerałów krytycznych” dla bezpieczeństwa narodowego Departamentu Spraw Wewnętrznych USA, jest to, że połowa światowego kobaltu jest wydobywana w Demokratycznej Republice Konga (DRK). Jak wyjaśnia raport US Geological Survey, DRK ma słabą historię korupcji w rządzie, naruszeń praw człowieka i szkód w środowisku związanych z wydobyciem kobaltu .
Nie tylko organizacje zajmujące się prawami człowieka, takie jak Amnesty International , są zaniepokojone niebezpiecznymi i nieetycznymi praktykami pracy związanymi z nieuregulowanym „rzemieślniczym” wydobyciem kobaltu w DRK. Niestabilność polityczna i środowiskowa DRK oznacza, że duża część łańcucha dostaw kobaltu jest podatna na zakłócenia. Jeśli zaawansowana technologicznie gospodarka opiera się na stałych dostawach kobaltu, głównie do wykorzystania w akumulatorach, kłopoty w DRK mogą spowolnić wzrost gospodarczy na całym świecie.
Raport USGS zauważa również, że Chiny są główną rafinerią kobaltu i jednym z największych sponsorów finansowych dużych operacji wydobywczych kobaltu w DRK. W obecnej sytuacji amerykański sektor technologiczny jest w ogromnym stopniu zależny od niestabilnego źródła w DRK i kontrowersyjnego partnera handlowego w Chinach w zakresie dostaw kobaltu. Co wyjaśnia ostatni fakt z naszej listy.
USA wkraczają w wydobycie kobaltu
Według danych z 2015 roku Stany Zjednoczone zużywały 10 procent światowego kobaltu, wytwarzając mniej niż 1 procent globalnej podaży kobaltu.
Kobalt nie jest wszędzie, ale nie jest też szczególnie rzadkim minerałem – pod względem liczebności zajmuje 32. miejsce w skorupie ziemskiej. Tylko dwie kopalnie w Kanadzie i Maroku mogą wydobywać czystą rudę kobaltu, podczas gdy większość jest wydobywana jako produkt uboczny wydobycia miedzi i niklu. Jedno z najbogatszych na świecie złóż kobaltu znajduje się w Środkowoafrykańskim Pasie Miedziowym w DRK.
Stany Zjednoczone nie są jednak pobłogosławione dużą ilością wysokogatunkowych złóż kobaltu, co utrudnia opłacalną eksploatację. Przemysł wydobywczy również skarżył się na powolny proces wydawania pozwoleń, aby umożliwić poszukiwanie minerałów, zarówno na lądzie, jak i na morzu. . Administracja Trumpa poleciła Departamentowi Spraw Wewnętrznych przyspieszenie procesu wydawania pozwoleń, aby zmniejszyć zależność Ameryki od zagranicznych źródeł kluczowych minerałów, takich jak kobalt.
Pomimo zezwoleń i przeszkód geologicznych nastąpił pewien postęp w wydobyciu kobaltu w USA. W 2014 roku kopalnia Eagle Mine na Górnym Półwyspie Michigan rozpoczęła wydobycie niklu i miedzi z kobaltem i innymi minerałami jako produktem ubocznym. A pierwsza amerykańska kopalnia poświęcona kobaltowi przygotowuje się do rozpoczęcia produkcji w 2020 roku w Idaho.
Teraz to jest fajne
Kobalt jest niezbędnym mikroelementem w diecie zwierząt i ludzi. Przeżuwacze, takie jak krowy, przekształcają kobalt w kobalaminę, znaną również jako witamina B12. Pokarmem o najwyższej zawartości kobaltu jest czekolada!
