Минулого тижня світ надрокористування обговорював резонансну угоду на американському ринку: Graphite One Inc., компанія що проводить техніко-економічне обґрунтування найбільшого родовища графіту в Північній Америці на Алясці, та Lucid Group Inc., виробник електромобілів преміум-класу уклали договір. Цікаво, що угода отримала рідкісну для теперішніх часів двопартійну підтримку у Конгресі та Сенаті США, враховуючи діаметрально різні погляди республіканців та демократів на «зелений енергоперехід». Зокрема анонс угоди відбувся в рамках засідання комітету з питань збройних сил в умовах особливого режиму конфіденційності та супроводжувався низкою різких політичних заяв від сенаторів. Враховуючи зростаючий рівень напруги у дипломатичних відносинах в Азійсько-Тихоокеанському регіоні та посилення поки що незбройного військового протистояння (як то спільні російсько-китайські патрулювання повітряного простору біля Аляски), можна з впевненістю констатувати: видобуток графіту стає важливим фактором національної безпеки та геополітики. Звісно ж, справа тут не в олівцях.
Контекст
Світова економіка переживає складний етап, який деякі вчені вже охарактеризували як «часткова деглобалізація». Це означає, що як і століття тому, доступ до певних технологій або ресурсів буде визначатися не тільки об’єктивними ринковими складовими, але й буде мати яскраво виражений політичний контекст. І в першу чергу це пов’язано із військовою компонентою – хто володіє інноваціями, той володіє перевагою на полі битви. Одним з таких стратегічних кластерів, що буде визначати майбутнє, є графітова промисловість, а саме її роль у секторі оборони та національної безпеки.
На цьому моменті варто розказати про таке юридичне поняття, як «критична сировина». Перше офіційне визнання «критичності» певних матеріалів відбулося під час Першої світової війни. Справа в тому, що і раніше люди вели війну за певні корисні копалини та ресурси, однак саме масштаб світової війни та тогочасний розвиток економіки підштовхнули уряд США до законодавчого регулювання обігу таких матеріалів та визнання неможливості військової перемоги без них. Під час Першої світової війни гостра нестача матеріалів (вольфраму, олова, хроміту, оптичного скла та манільського волокна для мотузок) завдала шкоди виробничим графікам і спричинила тривалі затримки в реалізації індустріальних програм. Це призвело до розробки Списку Харборда – переліку з 42 матеріалів, що визначалися критично важливими для військових. Список сировини до Другої світової війни містив загалом 29 матеріалів: 14 з них були стратегічними матеріалами, які «повинні повністю або значною мірою базуватися на джерелах за межами Сполучених Штатів». , а необхідність в інших 15 мала покриватися за рахунок внутрішнього видобутку.
Закон про стратегічні матеріали 1939 року дозволив виділити 100 мільйонів доларів США на закупівлю стратегічної сировини для створення запасів із 42 стратегічних і критичних матеріалів, необхідних для виробництва під час війни. Після Другої світової війни Сполучені Штати створили запаси національної оборони (NDS) для придбання та зберігання критично важливих стратегічних матеріалів для цілей національної оборони. Агентство оборонного матеріально-технічного забезпечення зі стратегічних матеріалів (DLA Strategic Materials) контролює роботу NDS, і його основна місія полягає в тому, щоб «захистити націю від небезпечної та дорогої залежності від іноземних джерел постачання критично важливих матеріалів під час надзвичайної ситуації». Його можна порівняти з нашим Держрезервом. У доповіді 1981 року «Довідник Конгресу про залежність/вразливість США від корисних копалин» було виділено вісім матеріалів, «щодо яких здоров’я промисловості та оборона Сполучених Штатів є найбільш вразливими до потенційних збоїв у постачанні» – хром, кобальт, марганець, метали платинової групи, титан, боксит/алюміній, ніобій і тантал – перші п’ять назвали «металургійною ахіллесовою п’ятою нашої цивілізації».
Пізніше майже всі адміністрації американських президентів від Рейгана до Трампа так чи інакше звертали свою діяльність на проблематику забезпечення країни критичною сировиною та виробляли відповідні законодавчі стратегії. Сполучені Штати є країною з найбільш технологічним сукупно оборонним сектором та найбільшим оборонним бюджетом. Крім того, саме вони стали піонерами в справі формалізації «стратегічності» для певних типів ресурсів, що потім перейняли у ЄС та КНР (т.з. «політика нульового експорту рідкоземів»). Актуальним на даний момент є виконавчий наказ президента Джо Байдена від 24 лютого 2021 року. Цей наказ спрямований на зміцнення критично важливих ланцюжків поставок у США. В ньому графіт був визначений як один із чотирьох мінералів, які вважаються важливими для «національної безпеки, зовнішньої політики та економіки» нації. По суті нині – графіт – це гарант національної безпеки для багатьох країн.
У вищезгаданому указі президента США також визначалося три індустріальні сектори, щодо яких використано термін «критичність ланцюжків постачання». Це виробництво напіпроводників, фармацевтичних засобів та електричних батарей великої ємності, в тому числі для електормобілів. Указ також визначає «важливі корисні копалини та інші стратегічні матеріали» як четверту складову стабільності постачань, необхідну для виробництва технологій і оборонно-промислової бази. Графіт — один з таких мінералів і матеріалів як для секторів відновлюваних джерел енергії, так і для електробатарей, і для передового виробництва напівпровідників. А отже і для оборонного сектора загалом.
Графіт для військових
Нанотехнології вже давно використовуються і у оборонній промисловості, зокрема для збільшення ефективності зброї. Завдяки графену виготовлення стрілецької зброї отримало новий подих у розвитку характеристик та комфорту операторів (тактичний тюнінг та конструкційні модифікації). Інтегровані комп’ютери дозволяють дистанційно керувати будь-яким комплексом, крім того, більша компактність сприяє роботизації. Виробництво зброї з використанням мінімальної кількості металу ускладнює виявлення радарами, що надзвичано актуально для сучасних конфліктів з високою насиченістю сторонами конфлікту контрбатарейними засобами та навіть протипіхотними радарами. І це лише невелика частина всіх можливостей, які отримує оборонка з використанням графену.
Графен – це речовина, утворена чистими атомами вуглецю, розташованими в гексагональній структурі. Він дуже легкий, аркуш площею 1 квадратний метр важить всього 0,77 міліграма. Вважається, що він у 200 разів міцніший за сталь, а його щільність приблизно така ж, як у вуглецевого волокна, тобто він приблизно в 5 разів легший за сталь. Це прозорий матеріал, надзвичайно тонкий (найтонший із можливих), водонепроникний, еластичний, гнучкий і, водночас, неймовірно стійкий. Графен є найкращим провідником електрики з відомих сьогодні і, крім того, він у великій кількості зустрічається в природі, що робить матеріал дешевим. Ця та інші особливості графена дозволяють використовувати його в різних галузях промисловості. Одним із найперспективніших напрямків військового застосування графену є виготовлення корпусів роботизованих комплексів, а також виготовлення індвідуальних засобів захисту та так званих екзоскелетів.
1) Графен та балістичний захист
Графен має значний потенціал у технологіях особистого захисту від куль та шрапнелі. Хоча технології переважно засекречуються, але вже відомо про іспанські розробки нанокомпозитного матеріалу, посиленого графеном, що значно покращив механічні властивості оригінального композитного матеріалу. Про це свідчать випробування Корпусу морської піхоти на його об’єктах військово-морської бази Альгамека (Картахена). Дослідження довело значні покращення у зміцнених графеном сполуках з точки зору балістичного захисту. Дослідження було проведено групою вчених з Технічного університету Картахени (UPCT), які виготовили серію ламінатів із армованими волокнами смолами та допованим графеном.
З точки зору структурних властивостей (розривна напруга, модуль Юнга, розшарування, ударостійкість та інші), нанокомпозит, розроблений іспанцями, є більш стійким, ніж немодифікований ламінат. Це пов’язано зі здатністю за допомогою армуванням графеном покращувати взаємодію між матрицею та волокнами в нанометричному масштабі. Випробування для визначення характеристики балістичних властивостей (балістична межа, поглинання та розсіювання енергії, багаторазова здатність серед іншого) проводилися у співпраці з професійними військовими. Випробування проводилися відповідно до стандартів НАТО з військовими боєприпасами 7,62×51 мм FMJ, що стріляли з високоточної гвинтівки Accuracy International AW. Доведено, що розроблений нанокомпозит має покращену балістичну межу порівняно з оригінальним ламінатом, а також демонструє кращу здатність розсіювати енергію удару без помітного збільшення його щільності. Різні компанії та міжнародні організації в секторі, наприклад, Європейське оборонне агентство, висловили інтерес до цієї нової технології.
2) Надлегкий матеріал для виготовлення всіх типів броні
Дослідники з Імперіал коледжу Лондона прагнуть зменшити вагу захисної броні, поєднавши шовк і графен. Гіпотеза дослідження полягала в тому, що шляхом вдосконалення внутрішнього шару кевлару вони можуть зменшити розмір зовнішнього керамічного, зробивши жилет набагато легшим і зручнішим. Спочатку планувалось використовувати павутинний шовк, але швидко дійшли висновку, що це буде надто дорого та важко. Натомість дослідники звернулись до шовкопрядів і додали графен, щоб полотно було стійкішим.
Команда вирішила створити організацію під назвою Synbiosys, щоб розвивати цю ідею та отримала фінансування проекту від Defense and Security Accelerator (DASA) Королівського міністерства оборони. Поки що проект був зосереджений на успішному поєднанні обох матеріалів у композиті. «Впровадження вуглецевих наноструктур, таких як графен, у шовк вже було випробувано, але неефективно», —заявляють вчені. Одна група дослідників спробувала розпорошити вуглецеві нанотрубки на листя шовковиці перед тим, як згодувати їх шовкопрядам. Лондонські вчені зосередилися на поєднанні графену з шовком – цей метод можна використовувати для виготовлення композитних і тонких плівок. Потім за допомогою спеціального лабораторного пристрою вони перевірили плівку маленькими шматочками металу та відзначили наслідки удару. Експерименти показали, що додавання графену на шовк підвищує міцність композиту. Шовково-графеновий композит легкий і прозорий. Він має властивості, які роблять матеріал придатним для використання не лише у броні. Зараз команда зосереджена на вдосконаленні прототипів і патентних заявок.
Подібним чином графен має перспективне поле для застосування, коли заходить мова про шоломи, що використовують солдати на полі бою. Включення графену в каски для військових принесе велику користь солдатам, оскільки його вага буде зменшена. На полі бою солдати носять громіздкі шоломи, а це сильно впливає на їх ефективність. Шолом для подорожей на мотоциклі, покритий графеном, вже представлений на ринку. Такий перспективний шолом привабливий включення, оскільки він покриває його зовнішню частину, що забезпечує покращений тепловий комфорт і кращу безпеку. Чудова теплопровідність графену розсіює тепло по всьому корпусу і завдяки цьому не тільки внутрішні матеріали захищені від деградації, викликаної теплом, але також підвищується рівень комфорту шолома для користувача. Графенові шоломи мають більший термін служби, що є вагомим критерієм для більшості армій, які використовують мобілізаційну модель комплектування.
Схожі шоломи виготовляються у збройній мастерні на півночі Італії. Процес нанесення графенового покриття було розпочато прямо на поточній виробничій лінії. Дослідник Вітторіо Пеллегріні зіграв важливу роль у цьому проекті, що фінансувався Європейським Союзом.
3) Графен в авіації: нові можливості для військових літаків
На сьогоднішній день графен знайшов широке застосування завдяки чудовим властивостям цієї речовини, що забезпечує поліпшення характеристик матеріалів, з яких складається композитна підкладка. Унікальний потенціал графену для військової авіаційної промисловості вже є предметом багатьох прикладних досліджень. Графен не завдає шкоди фюзеляжу літака при дії низьких температур, що значно підвищує безпеку польотів, і не вимагає додаткових вкладень в протиожеледні рідини літаків.
Наразі прототип цього літака вже створений, і в рамках дослідження фахівці змогли виявити, що використання композитних матеріалів, в основі яких лежить графен, забезпечує літаку покращені аеродинамічні характеристики. В основному це пов’язано зі зменшенням лобового опору в польоті. Сила тертя зменшується в середньому на 5-7%, що, як наслідок, зменшує споживання палива, що вже є технологічним проривом і дуже важливо для військової та цивільної авіації. У ході подальших досліджень експерти також змогли встановити той факт, що використання графену зменшує вагу літака, а це також є серйозною перевагою. Міцність і довговічність частин фюзеляжу літака також значно підвищилися, особливо в порівнянні з літаками, виготовленими з використанням звичайних для індустрії матеріалів. Стійкість літака, виготовленого з використанням композитних матеріалів на основі графену, підвищується в середньому на 10%. Подальші дослідження цього аспекту можуть дати 60% міцності. Крім того, під час випробування було виявлено, що графен здатний витримати навіть удар грому, що також є важливим аспектом авіаційної промисловості та стосується переважно малої авіації.
Варто зазначити, що саме використання композитних матеріалів у конструкції турецького ударного дрону Bayraktar TB2 та іранського баражуючого боєприпасу Shahed-136, визначило їх ефективність в небі Сирії, Іраку, Лівії, Ємену, Карабаху та України . Інженерам цих безпілотних систем вдалося досягти міцності конструкції (а значить і збільшенню корисного навантаження) та зменшенню помітності для радарів ППО саме завдяки доступним композитам.
4) Генерація енергії
Сучасній армії потрібен новий спосіб швидкої зарядки та перезарядки своїх пристроїв, які використовуються для координації бою та розвідки. Батареї на основі графену заряджатимуть армійські пристрої, оскільки це суперконденсатор або пристрій великої ємності, який накопичує електричну енергію в електричному полі. Крім того, графен швидко розряджає електричні заряди, що означає, що він може перезаряджати електронні пристрої за лічені хвилини. Це дозволяє графену проводити тепло і електрику. Графен краще проводить тепло, ніж мідь, яка використовується в армійських теплообмінниках, тому доцільним буде використовувати графенові обігрівачі. Графен зможе замінити для цієї мети мідь, оскільки він легший. А ще він надзвичайно тонкий і гнучкий, що позитивно впливає на ергономіку. Здатність графену накопичувати енергію означає, що його можна використовувати як елемент батареї, графенові акумулятори підійдуть для підзарядки радіостанцій, електроніки та інших армійських пристроїв.
5) Очищення води
Перед армією постійно стоїть завдання з очищення води в зоні бойових дій. І графен допоможе армії розробити кращу систему фільтрації води. Це забезпечить армію мобільним і надійним активом. Графенові фільтри швидші, ефективніші, їх можна розробити за розумну ціну, окрім того вони потребують менше енергії, ніж поточні системи фільтрації. Матеріал вступає в сильну реакцію водою, це означає, що він чудово видаляє молекулярні забруднення, а ще графен є провідником. Завдяки тому, що атоми вуглецю розташовані у стільниковій структурі, він може містити велику кількість електронів, які вільно подорожують крізь його стільникову структуру. Для поглинання води були розроблені графенові губки. Вони супергідрофобні, ця характеристика дозволяє використовувати графенові губки для очищення води, а також для інших цілей. Графенові губки виняткові для електронних пристроїв, оскільки вони можуть вбирати рідини, не завдаючи власне пристроям.
Фактор електромобілів
Окрім суто мілітарної компоненти, графіт відіграє велику роль на іншому фронті протистояння – економічному. Тут він виходить на авансцену як ключовий елемент виробництва батарей для електромобілів. А вони в свою чергу стають не просто драйвером розвитку для національних високотехнологічних галузей, але й елементом сумнозвісного soft power – м’якої сили держави, її національних брендів. У 2023 році глобальні продажі автомобілів з електричними моторами (включаючи гібридні авто – PHEV) досягли 14,2 млн одиниць, зростання щодо 2022 року становило 35%. Порівняно з 2022 роком, темпи зростання помітно впали — тоді цей показник був на рівні 55%. Хоча самі продажі автомобілів з електромоторами зростають, темпи зростання знижуються вже другий рік поспіль. Аналітики очікують, що 2024 року темпи ще знизяться — до 25%. При цьому дві третини глобального продажу автомобілів з електричними двигунами припали на Китай. Ця країна стала і найбільшим виробником подібних машин: у 2023 році їх було випущено 8,4 млн, тобто майже 60% від загального світового обсягу.
Динаміка продажів електромобілів, як і раніше, залежить від державної політики. Це видно на прикладі Німеччини, де минулого року уряд не став продовжувати податкові пільги для покупців. У результаті в I кварталі 2024 року продажі електрокарів знизилися на 14,1% порівняно з тим же періодом 2023-го, хоча загальний продаж автомобілів зріс на 4,2%. У січні, першому місяці після скасування пільг, продажі електромобілів і зовсім обвалилися на 55% порівняно з груднем 2023-го.
Крім того, до листопада 2024 року Євросоюз збирається запровадити підвищені мита на імпорт китайських електромобілів: очікується, що вони будуть підвищені з 10% до 15-30%, хоча деякі експерти впевнені, що для досягнення бажаного ефекту їх потрібно довести до 55%. Наразі за підсумками 2024 року частка китайських «електричок» на ринку ЄС може зрости з 7,9% до 11%.
У Китаї середньозважена ціна електромобілів нижча, ніж в автомобілів із двигуном внутрішнього згоряння, і це без урахування субсидій на їхню покупку. У 2023 році на внутрішньому ринку продавалося близько 50 доступних моделей електромобілів, багато з яких можна було купити дешевше $15 000. У Європі та США електрокари, особливо в початковому та середньому цінових сегментах, все ще дорожчі за аналогічні автомобілі на викопному паливі, що відлякує багатьох покупців попри потенційну подальшу економію на бензині та обслуговуванні. А непокоїть естеблішмент західного світу.
Висновки
Продукція з графіту дозволяє збільшити оперативну зону дії, дає свободу і витривалість у виконанні завдань в усіх типах середовища, а також дозволяє отримати перевагу у просторі та часі (головних критеріях бойової ефективності) як на тактичному, так і стратегічному рівнях. В реаліях нашої війни, вітчизняному оборонному сектору необхідно якомога швидше інтегрувати ці технології. Запорукою успіху має стати опора на наукові розробки західних партнерів та підтримка власного індустріального потенціалу. Особливу роль у цій справі має зайняти перша ланка такого циклу – український видобуток графіту та виробництво продуктів з нього. Наявність повного циклу «від кар’єру до бронетанкового/авіаційного заводу» стане фактором стримання ворога в майбутньому та індустріально-логістичного паритету з ним. Але початком для цього є увага та розуміння глобальних економічних трендів, що оточують видобуток мінеральної сировини, особливо ті, що визначають «критичність» на справі, а не в гучних політичних прокламаціях.
