Кобальт: «Злой дух» горняков, ставший душой батарей

Кобальт (Co) — это не просто переходный металл; это элемент, чья история началась с проклятий и мифов.

От руд, которые "крали" серебро, до незаменимой роли в зелёной энергетике, Кобальт прошёл путь от "злого духа", варки синего стекла до одного из самых стратегически важных элементов.

Миф и история: «Гном» и «злой дух» горнодобычи

Коболд (Kobold): В немецкой мифологии кобольд — это злобный гном или дух, который обитает в горах и приносит несчастья.

Саксонцы объясняли эти неприятности вмешательством нечистой силы, коварного подземного гнома кобольда.

Средневековые горняки в Саксонии, добывавшие серебро, постоянно натыкались на руды, которые выглядели как ценный металл, но не давали серебра при плавке.

Более того, при обжиге эти руды выделяли токсичный мышьяковистый дым.

Для этого в Германии даже читали в церквах молитвы о спасении горняков от злого духа «кобольда».

Со временем саксонцы научились отличать руду серебра от руды кобальта и стали ее называть «кобольд».

Лишь только в 1735 г. шведский химик Георг Брандт смог выделить из этой из этой «нечистой» руды серый со слабым розоватым оттенком неизвестный металл который назвали «кобальт».

Но на этом история кобальта необычные похождения очень ценного элемента не закончились, а вылились в череду таинственных и крайне опасных ситуаций с его соединением для получения синей краски.

Синяя краска для стекол

Синее стекло было известно еще в древнем Египте, но способы его получения держались в большом секрете и знали об этом только ограниченное количество людей.

Лишь только в средние века  его производство наладили в Венецианской республикой.

Чтобы оградить секреты варки цветных стекол от чужого любопытства, правительство Венеции в XIII в. специальным указом перевело все стекольные фабрики на Уединенный остров Мурано.

Но как и в современном криминальном детективе из такого производства был выкраден рецепт, при этом подмастерье убил своего мастера и спалил его стекольную мастерскую.

Так была открыта тайна синего стекла для других государств.

В 1520 г. Вейденхаммер в Германии нашел способ приготовления краски для синего стекла и по дорогой цене стал продавать ее венецианскому правительству!

Через 20 лет богемский стекольный мастер Шюрер тоже стал делать синюю краску из какой-то руды, известной ему одному.

Лишь через целое столетие этот секрет  подробно описал в своих трудах химик Иоганн Кункель, но не раскрыл из какой именно руды ее делают, где эту руду искать и какая ее составная часть обладает красящим свойством.

То есть загадка так и осталась не отрытой и только после исследования Брандта было выяснено, что сафр, или цаффер,— продукт прокаливания руды, богатой кобальтом, содержит окислы кобальта и множество окислов других металлов.

Сплавленный затем с песком и поташом цаффер образовывал смальту, которая и представляла собой краску для стекла.

Помимо смальты, существуют и другие кобальтовые красители: синяя алюминиево-кобальтовая краска — тенарова синь; зеленая — комбинация окислов кобальта.

Но на этом его таинственная история не закончилась, а лишь продолжилась в фокусах с использованием его солей.

Магия солей кобальта

Таинственная история Кобальта продолжилась благодаря уникальному свойству его солей, способных менять цвет в зависимости от влажности и температуры, что веками использовалось для эффектных фокусов и даже шпионажа.

Чудеса превращения красок известны еще с XVI столетия.

Профессор Базельского университета химик и врач Парацельс показывал написанную им самим картину.

Он демонстрировал красиво написанный зимний пейзаж с с деревьями, пригорками покрытые снегом.

Слегка подогрев ее пейзаж оживал сменялся летним: деревья одевались листвой, на пригорках зеленела трава.

Это свойство в 1737 г. открыл один французский химик, кобальтовые соли окрашивались под действием тепла и использовал их в качестве симпатических чернил.

Что с большим успехом использовалось для тайных посланий.

Сейчас эта особенность солей кобальта имеет практическое значение в лабораторной технике: раствором кобальтовых солей метят фарфоровые тигли.

После прогрева такая метка четко выступает на белой поверхности фарфора.

В настоящее время ранее опасный и коварный с магическими свойствами элемент стал не заменимым и самым востребованным.

Путешествие кобальта в настоящем

Несмотря на токсичность своих руд (за счет мышьяка) и вековое использование в качестве простого красителя, кобальт превратился в один из самых стратегически важных элементов современной цивилизации.

Из него изготовляют известные всем нам литий кобальтовые батареи, которые используются не только в мобильных телефонах но и электромобилей, сделал его стратегическим сырьем, спрос на которое ежегодно растет.

Жаростойкие сплавы: В XX веке было обнаружено, что Кобальт, добавленный в сталь, создает сверхтвердые, износостойкие и, самое главное, жаропрочные сплавы (такие как стеллиты и хастеллои).

Благодаря невероятной стойкости к высоким температурам, эти сплавы стали незаменимы для изготовления лопаток турбин реактивных двигателей, а также для высокоскоростных режущих инструментов и хирургических имплантатов.

Кобальт позволяет металлу сохранять прочность там, где другие сплавы уже плавятся.

Единственный в B12: Кобальт является единственным элементом из переходных металлов, который необходим человеческому организму.

Он входит в состав витамина B12 (кобаламина), который необходим для кроветворения, здоровья нервной системы и ДНК-синтеза.

Однако добыча этих ценных ресурсов сопряжена с серьёзными трудностями. Соляные шахты постоянно находятся под угрозой прорыва подземных вод. Такие затопления остаются проблемой, не теряющей свою актуальность и сегодня. Каждая новая катастрофа, как затопление шахты «Тейбл-Рок» в Канаде в 1975 году, масштабная авария на немецком руднике «Нойштассфурт» в 1986-м или трагедия Березниковского в 2006 году — сопровождается колоссальными материальными убытками и катастрофическими последствиями для экологии региона. Эти события, разделённые десятилетиями и тысячами километров, наглядно доказывают, что проблема затопления является не локальной бедой отдельных предприятий, а глобальным вызовом для всей добывающей отрасли.

Калийные рудники постоянно находятся под угрозой затопления из-за особенностей геологического строения. Соляной массив имеет слоистую структуру: пласты ценной калийной соли отделены от вышележащих водонасыщенных горизонтов защитным слоем плотных водонепроницаемых пород. Целостность этого природного барьера нарушается как по естественным причинам — из-за тектонических процессов и горного давления, так и в результате проходческих и очистных работ.

Ключевая опасность для калийных шахт заключается в способности солей растворяться, образуя при контакте с водой рассол, который заполняет выработки, расширяет трещины и стремительно формирует подземные полости.

Наиболее опасно воздействие рассола на целики — специально оставленные нетронутыми массивы соли, которые выполняют роль несущих колонн, поддерживающих кровлю горных выработок. Их потеря провоцирует масштабное обрушение, которое открывает новые пути для лавинообразного нарастания водного притока. В результате быстро развивающаяся цепная реакция приводит к катастрофическому заполнению выработок грунтовыми водами, которые угрожают людям и оборудованию, а на поверхности могут образоваться обширные провалы.

Для борьбы с затоплением существуют различные методы, но все они имеют серьезные недостатки. Например, технология закачки специальных растворов в породу позволяет создать подземный барьер, но требует много времени на подготовку и не может быть реализована быстро. Другой вариант — автоматические шлюзовые ворота — срабатывают мгновенно, но их установка чрезвычайно дорога и должна проводиться заранее.

Для безопасной эвакуации людей и сохранения инфраструктуры калийной шахты используют гидроизоляционные перемычки. По сути, это герметичные сооружения-затворы сложной геометрической формы (зубчатые, сводчатые или призматоидные), которые встраиваются в породу и сдерживают водный поток. Не менее важна их роль как защиты от потенциальной газовой угрозы — при контакте воды с породой могут высвобождаться токсичные и взрывоопасные газы. Локализуя аварийный участок, перемычки помогают предотвратить затопление и распространение опасной смеси газов. Это создает безопасные условия как для эвакуации, так и для последующих работ по ликвидации аварии, осушению и ремонту поврежденного участка.

Формирование монтажных ниш для гидроизоляционных перемычек осложняется недостатками существующего оборудования. Тяжелые проходческие комбайны мало подвижны из-за массивной ходовой части. Такие машины физически не способны обрабатывать почву выработки и плохо маневрируют в стесненных условиях. Альтернативные подвесные агрегаты с гидромолотом, крепящиеся к кровле выработки, сталкиваются с другой проблемой — их конструкция затрудняет обработку верхней зоны, а ударное воздействие гидромолота неизбежно создает на поверхности породы дефекты в виде трещин и выколов. Для достижения требуемой герметичности приходится прибегать к трудоемкой ручной доработке отбойными молотками и последующей пескоструйной обработке, что увеличивает сроки и стоимость работ.

Для решения этой проблемы ученые ПНИПУ и АО «ВНИИ Галургии» разработали уникальный мобильный породоразрушающий агрегат.

Его основное отличие от существующих решений заключается в новой схеме крепления и технологии разрушения породы. В отличие от традиционных установок, которые подвешиваются к кровле выработки, данный агрегат устанавливается между стенками тоннеля с помощью системы радиально ориентированных гидравлических стоек. Эти стойки расходятся от центра устройства к стенкам выработки подобно спицам раскрывающегося зонта, создавая жесткую распорную раму. Такой тип крепления работает по принципу домкрата — стойки создают постоянное усилие распора, надежно фиксируя оборудование в рабочем положении за счет силы трения и упора в стенки тоннеля.

— Агрегат мобилен, может последовательно обрабатывать весь контур тоннеля. Вместо гидромолота он использует режущую коронку, что меняет качество обработки стенок выработок. Принцип работы основан на движении по пространственной спирали: режущий инструмент, закрепленный на подвижном манипуляторе, одновременно вращается вокруг оси агрегата и перемещается вдоль нее, — отметил Дмитрий Шишлянников, профессор кафедры «Горная электромеханика», доктор технических наук.

Такое движение позволяет формировать ниши заданной сложной геометрии, обеспечивая при этом гладкую поверхность без трещин и выколов, поэтому дальше потребность дорогостоящей и медленной зачистки отпадает.

— Важной частью комплекса является система удаления породы пневмопогрузчиком, проще говоря, мощным промышленным пылесосом, который оперативно убирает раздробленный материал из рабочей зоны. Это позволяет обеспечить практически непрерывный процесс за счет минимизации простоев на погрузку отделенной рудной массы, — комментирует Дмитрий Ситников, аспирант кафедры «Горная электромеханика».

Агрегат ускоряет процесс строительства ниш под водозащитные перемычки: его мобильность и простота монтажа позволяют быстро развернуть работы, а возможность формировать ниши без шероховатостей по всему контуру выработки обеспечивает создание долговечных и герметичных защитных сооружений. В итоге это приводит к повышению производительности и сокращению сроков ведения горных работ.

Российский лесопромышленный комплекс, которому принадлежит пятая часть мировых запасов древесины (при общей площади 894,4 млн гектаров), столкнулся с серьёзным кризисом. Доходы отрасли растут (54,2 млрд рублей в 2024 году), однако за десять месяцев 2025 года объем лесозаготовки сократился на 9%. Основной причиной спада стали логистические проблемы, которые особенно остро проявляются в удаленных регионах, где транспортная инфраструктура исторически развита слабо, а сложные природные условия — от заболоченных территорий до вечной мерзлоты — создают серьезные препятствия для строительства современных дорог.

При этом самые ценные леса с наибольшими запасами древесины находятся как раз в труднодоступных регионах. Это создает порочный круг: богатейшие ресурсы остаются недоступными из-за отсутствия дорог, а их проектирование и возведение в таких условиях требует колоссальных затрат, не окупаемых при традиционных методах.

На протяжении десятилетий лесозаготовки целиком зависели от «зимников» — временных дорог, которые можно использовать только в морозы. Промерзший грунт становился прочным основанием, а реки и болота, скованные льдом, превращались в надежные переправы. Такой подход позволял достигать самых удаленных участков леса, сводя к минимуму затраты на транспортировку.

Однако климатические изменения сделали этот подход ненадежным. Наблюдается сокращение зимнего сезона на 15-20% по сравнению с показателями 30-летней давности. Учащающиеся оттепели и тающая вечная мерзлота в северных регионах делают эксплуатацию «зимников» не только непредсказуемой, но и опасной.

В результате возникла необходимость массово переходить с сезонных «зимников» на всесезонные дороги. Однако слабые заболоченные грунты, характерные для лесных регионов, не выдерживают тяжести лесовозов, быстро образуя глубокие колеи. Это не только ухудшает состояние дорог, но и катастрофически увеличивает стоимость перевозки.

Сегодня для укрепления грунта используют геосинтетику — это прочные материалы из синтетических полимеров, которые не гниют в земле и служат десятилетиями. Чаще всего это сетки или полотна, которые укладывают между слоями дороги. Когда по дороге проезжает тяжелая машина, эта прослойка работает как арматура — они распределяют давление колес на большую площадь, не давая щебню утонуть в мягком грунте и предотвращая образование колеи. Такое решение позволяет создавать устойчивые дорожные конструкции даже на сложных грунтах, что особенно важно в труднодоступных регионах с заболоченными землями или вечной мерзлотой.

Существующие методы расчета прочности и долговечности дорог с геосинтетикой устарели. Они используют формулы и прошлый опыт, но не могут точно предсказать, как будут взаимодействовать современные материалы со сложными грунтами. В результате инженер сталкивается с риском: либо заложить в проект избыточное количество материалов, сделав его неоправданно дорогим, либо, пытаясь сэкономить, спроектировать дорогу, которая не выдержит интенсивных нагрузок и быстро разрушится.

Решение предложили ученые ПНИПУ: они обучили нейронную сеть, которая способна с высокой точностью прогнозировать поведение дорожных конструкций, усиленных геосинтетическими материалами, на слабых грунтах. Эта разработка является уникальной — подобных систем для расчета конструкций дорожного полотна такого типа в мировой практике пока не существует.

На первом этапе исследователи создали подробную базу данных, проведя сотни виртуальных экспериментов с дорожными конструкциями. Для этого использовался метод компьютерного моделирования, который позволяет мысленно разделить дорожную конструкцию на множество мелких частей и точно просчитать ее поведение под колесами тяжелой техники.

Было протестировано множество различных комбинаций параметров — менялись свойства грунта, характеристики дорожных слоев, тип синтетического укрепляющего материала и величина транспортной нагрузки.  После каждого виртуального испытания программа фиксировала два ключевых показателя: величину просадки дорожного покрытия и уровень напряжения в укрепляющем материале.

На втором этапе ученые обучили нейронную сеть, используя накопленные данные виртуальных экспериментов. Она принимает на вход 13 параметров дорожной конструкции и выдает два ключевых показателя: величину просадки полотна и напряжение в геосинтетическом материале.

— Результаты испытаний подтвердили высокую эффективность разработанной нейронной сети. Модель продемонстрировала стабильную точность прогнозирования на уровне 90,76% при погрешности менее 10%, что полностью соответствует требованиям для практического применения в дорожном строительстве. Проведенные тесты показали надежность работы системы - в ходе независимых запусков точность прогнозов сохранялась в диапазоне от 88,27% до 92,06%, — комментирует Владимир Клевеко, доцент кафедры автомобильных дорог и мостов ПНИПУ, кандидат технических наук.

Кроме того, нейросеть показывает, какие именно параметры больше всего влияют на прочность дороги. Оказалось, что ключевым фактором является прочность грунта — именно от него в первую очередь зависит, насколько быстро образуется колея и какая нагрузка ляжет на геосинтетическую сетку. Чтобы предотвратить эту проблему, наиболее важна толщина асфальтового покрытия, а для долговечности самой сетки — ее жесткость.

В будущем ученые планируют запатентовать программное обеспечение, что станет важным шагом для его внедрения в практику проектирования. Разработанная методика позволит значительно ускорить этот процесс — время расчета сокращается, при этом пропадет необходимость в дорогостоящем специализированном программном обеспечении.  Это дает проектировщикам и лесопромышленным компаниям доступный инструмент для создания надежных всесезонных дорог на слабых грунтах. В результате значительно снижается стоимость строительства и повышается рентабельность освоения удаленных лесных массивов. В конечном счете, снижение логистических издержек положительно скажется на себестоимости всей лесной продукции — от строительных материалов до бумаги и мебели.

Гриб имеет черный цвет и называется Cladosporium sphaerospermum. Некоторые ученые полагают, что его темный пигмент – меланин – позволяет использовать ионизирующее излучение, по принципу питания растений от света для фотосинтеза.

Образцы были собраны в областях с очень высоким уровнем радиации.

Исследования показали, что под действием излучения гриб не только выживал, но и рос быстрее. Эта способность не соответствует обычной реакции живых существ, однако может объяснять выживание Cladosporium sphaerospermu в условиях, смертельных для других форм жизни.

Данный процесс получил название радиосинтеза. Отмечается, что точные механизмы его действия остаются неизвестными.

Источник: https://sputnik.by/20251202/novuyu-formu-zhizni-obnaruzhili-...

Автомобильно-транспортная отрасль по всему миру сталкивается с проблемой сезонности, однако в России с ее огромными территориями и продолжительной зимой эта проблема приобретает особую остроту, так как нужно поддерживать сеть дорог длиной в 4,4 млн километров. Основная причина трудностей заключается в самой технологии: большинство трасс строится и ремонтируется с использованием традиционного горячего асфальта, где в качестве связующего вещества используется битум — продукт переработки нефти, который при обычных температурах представляет собой твердое или полутвердое вещество. Этот материал требует разогрева до высоких температур (150-180°C), когда он переходит в жидкое состояние, что физически невозможно обеспечить на асфальтобетонных заводах в зимних условиях.

В результате строительный сезон, длящийся всего несколько теплых месяцев, приводит к авральной работе, резкому удорожанию проектов и систематическому отставанию графика ремонтов. С началом весны дорожные службы вынуждены бороться не с плановым техническим содержанием, а с последствиями зимних разрушений, что формирует порочный круг и не позволяет кардинально улучшить состояние дорожной сети. Это создает колоссальную нагрузку на логистику и бюджеты, приводя к хроническому запаздыванию ремонта и строительства новых транспортных артерий.

Существующие на данный момент технологии не могут полностью решить эту проблему. Даже современные альтернативы — «теплые» и «холодные» асфальтобетоны — имеют серьезные ограничения. Первые можно укладывать при температурах 100–130 °C, что немного продлевает строительный сезон весной и осенью, но не позволяет работать зимой. А вторые хотя и можно использовать при минусовых температурах (до –5°C), обладают двумя ключевыми недостатками: они медленно набирают прочность после укладки, а битумные эмульсии в их составе хранятся не более месяца, что исключает возможность создания долговременных запасов материалов.

Ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из МАДИ, РОСДОРНИИ и Российской академии транспорта разработали принципиально новый материал для всесезонного ремонта дорог — полидисперсную битумную суспензию — и цифровой инструмент для его проверки.

Ключевая особенность заключается в том, что данная суспензия сохраняет свою пластичность и технологические свойства даже в условиях отрицательных температур.

— В ее состав входит 33% известнякового минерального порошка, 34% воды и 33% вязкого битума. Процесс включает последовательное связанное (порционное) дозирование компонентов: сначала в смеситель добавляют холодный минеральный порошок и воду, а затем при непрерывном перемешивании порциями вводят горячий битум с температурой не менее 155°C. Такой резкий перепад приводит к его распаду на микроскопические сферические частицы, которые сразу обволакивались или, иначе говоря, опудривались минеральной взвесью, образуя стабильную суспензию на битумном вяжущем, — рассказал Андрей Кочетков, профессор кафедры «Автомобильные дороги и мосты» ПНИПУ, доктор технических наук. 

Говоря простым языком, мельчайшие капли обычного дорожного битума «запечатываются» в оболочку из минерального порошка, который выполняет роль твердого эмульгатора, не давая частицам слипаться. Это означает, что липкий нефтепродукт превращается в пастообразный материал, похожий на влажный песок или пластилин.

— Когда приходит время ямочного ремонта дорожных покрытий, достаточно просто разбавить необходимое количество состава водой, добавить необходимое количество песка и щебня до требуемого гранулометрического состава — и она готова к использованию. По сути, технология позволяет создавать «консервированный» вяжущий материал, полуфабрикат, или технологический передел, который сохраняет все свойства обычного дорожного битума, но при этом не требует подогрева и специальных условий хранения, — поделился Андрей Кочетков.

Главным вопросом для внедрения этой технологии стал контроль качества материала, а именно – размер частиц битума в его составе. От этого параметра зависит, насколько стабильной будет новая смесь при хранении и как хорошо она будет работать при укладке.

Для решения этой задачи исследователи разработали простой и доступный метод анализа. Они использовали цифровой микроскоп для первоначальной оценки частиц, а затем применили метод седиментации (естественное осаждение элементов под действием силы тяжести) – наблюдали, как фрагменты разного размера оседают в стеклянном цилиндре.

— Мы сфотографировали весь процесс оседания, а затем проанализировали снимки с помощью специально разработанной программы, которая измеряет яркость, контрастность и резкость слоев осадка в цилиндре, определяя, где заканчивается один слой и начинается другой. Это позволило нам точно определить размер элементов и скорость их выпадения, — прокомментировал Андрей Кочетков.

Результаты показали наличие частиц разной величины — от мельчайших (0,4 микрометра) до крупных (100 микрон), что доказывает: состав является полидисперсным и стабильным.

Представьте себе коробку с шарами: если они все одинаковые, между ними остаются пустоты. А если смешать большие, средние и маленькие шары, они плотно заполнят все пространство. Именно этот принцип плотной упаковки лежит в основе полидисперсности. Элементы разного размера формируют в новом составе прочную и однородную структуру.

Следовательно, стабильность подразумевает сохранение однородности при хранении. В отличие от обычных смесей и особенно битумных эмульсий, которые склонны к быстрому расслоению и имеют срок годности не более месяца, в новой суспензии мелкие частицы удерживают крупные, создавая устойчивую структуру. Это позволяет хранить материал десятилетиями (до 40 лет в герметичной упаковке) без потери готовности к использованию и применять его даже при низких температурах, вплоть до –15°C.