Биография самого твердого минерала: алмаз и его роль в энергетике

Алмаз — самый твёрдый минерал на Земле. Что является причиной этого? Какие перспективы это открывает для энергетической отрасли?

Блестит, проводит тепло и сводит с ума

Алмазы обладают невероятной прочностью, блеском и способностью проводить тепло. Эти свойства можно объяснить его структурой. Алмазы состоят из атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя соседними атомами углерода и активно обменивается с ними электронами: эти частицы не прилипают к «своим» атомам, а перемещаются между разными атомами. Именно так атомы образуют самые прочные химические связи — ковалентные связи, которые очень трудно разорвать.

Атом состоит из ядра и атомной оболочки. Ядро атома заряжено положительно и обычно содержит два типа частиц: положительно заряженные частицы (протоны) и нейтральные частицы (нейтроны). Эти оболочки состоят из отрицательно заряженных частиц (электронов). Электроны внешней оболочки отвечают за химические реакции, помогая атомам объединяться в молекулы и превращаясь в электроны, общие для нескольких атомов.

История добычи алмазов началась тысячи лет назад в Индии, когда люди обнаружили алмазы в руслах рек. В XVIII веке Бразилия стала центром добычи алмазов, а после открытия огромных месторождений в Кимберли (ЮАР) Африку охватил алмазный бум.

алмазная лихорадка в Кимберли в конце 19 века. Фото с wikipedia.org

Крупнейшие месторождения алмазов расположены в Ботсване, России, ЮАР, Австралии, Канаде, Анголе и Конго. Россия — страна с крупнейшими запасами алмазов, основные месторождения расположены в Якутии и Архангельской области. Ведущим мировым производителем и добытчиком алмазов является российская компания «АЛРОСА»: на ее долю приходится 30% мировой добычи и 95% российской добычи.

Сокровища из глубин

У ученых есть несколько гипотез о происхождении алмазов. Большинство людей полагает, что эти породы образовались из углерода под огромным давлением на глубине в сотни километров, а затем были вынесены на поверхность магмой. Именно здесь появляются кимберлитовые трубки — основной источник алмазов. До открытия кимберлитовых трубок считалось, что драгоценные камни образуются в реках, где вода переносит камни из глубины в русло реки.

Со временем кимберлитовые трубки заполняются другими породами. Если слой грунта, скрывающий устье, невелик, то добыча ведется открытым способом: над трубой выкапывают карьер и удаляют излишки грунта. Такой подход используют Южная Африка и Россия.

кимберлитовые трубки на алмазном руднике в Якутии. Фото iStock

Если месторождение глубокое, добыча алмазов ведется под землей: бурятся шахты и добывается руда. Его измельчают, просеивают и сортируют.

Обратите внимание: Пётр I: биография в портретах.

На некоторых месторождениях применяется гибридный метод: алмазы сначала добывают в карьерах, а затем глубже в шахтах.

Другим методом добычи алмазов является россыпная добыча. Камни, вымытые течением на поверхность, собираются в русле реки. Этот метод распространён в Африке. Алмазы также добывают в море, используя корабли, которые выкапывают камни со дна моря. Так, например, работают у берегов Намибии.

Синтетический алмаз в руках лаборанта

Алмазы добывают в лабораториях и на фабриках. Там они создали синтетические драгоценные камни, которые по своим свойствам не уступали натуральным, но были более доступны. Существует два способа синтеза алмазов. Первый метод — HPHT (сокращение от «высокое давление, высокая температура»), при котором углерод нагревается до 1500 градусов и давления 50 000 атмосфер, чтобы имитировать естественные условия, в которых образуются алмазы. Второй метод — химическое осаждение из газовой фазы (CVD): для разделения метана на заряженные частицы используется дуговое, микроволновое или лазерное излучение, а затем углерод из метана осаждается на подложку в вакууме, и алмазы растут слой за слоем, как на 3D-принтере.

От добычи нефти до покорения космоса

Инструменты с алмазным покрытием используются для резки и шлифования других твердых материалов. Для рассеивания тепла алмазы используются в качестве компонентов в мощных процессорах, лазерных диодах и транзисторах. Алмазная крошка используется для покрытия буровых инструментов. Этот камень невероятно твёрдый и способен разрушить даже самые крепкие породы, содержащие нефть и газ. Буровые коронки, покрытые синтетическими алмазами, способны увеличить скорость бурения нефтяных скважин для добычи углеводородов. Буровой инструмент алмазное сверло для геологоразведочных работ: полая коронка аккуратно вырезает керн, сохраняя структуру породы для анализа.

Буровые коронки с алмазным покрытием для бурения нефтяных скважин

Поскольку алмазы устойчивы к радиации и химическим воздействиям, их можно использовать в самых экстремальных условиях. Например, при строительстве термоядерного реактора специалисты используют алмазные детекторы излучения и нейтронов, чтобы следить за тем, что происходит внутри. Планируется подавать энергию для нагрева плазмы через алмазные окна в термоядерном реакторе.

Блестящие технологии будущего

Было предложено использовать выращенные в лабораторных условиях алмазы в качестве катализаторов для ускорения реакции между водородом и кислородом в топливных элементах.

Кристаллы алмаза проявляют плазмонные свойства — способность генерировать волны электронов, которые движутся под воздействием света. Некоторые предлагают использовать это свойство для управления электрическими полями и создания нового поколения солнечных элементов.

Свойства алмаза могут помочь в создании солнечных элементов следующего поколения. На снимке: солнечная электростанция Омского НПЗ

Если заменить небольшое количество атомов углерода в алмазе на азот или кремний, то получится материал, пригодный для изготовления компонентов квантовых компьютеров (систем памяти и передачи информации), а также источник сверхбыстрого квантового интернета. Алмаз может стать сверхпроводником при смешивании с бором. Эти новые свойства будут полезны в энергетике, например, при создании эффективных электромагнитов для термоядерных реакторов.

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: Биография самого твердого минерала: алмаз и его роль в энергетике.