Труд шахтёров оказался эффективнее искусственного синтеза алмазов ювелирного качества

Учёные из НИУ ВШЭ и Сколтеха проанализировали удельные трудозатраты на производство 1 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 твёрдости, высочайшей теплопроводности, химической инертности и пр. Алмазы не только востребованы в ювелирной промышленности, но и необходимы для электроники, квантовых систем, медицины и т.д., 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 выращенные в лаборатории.

Создатели методов 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 растёт.

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 новом исследовании учёные изучили трудозатраты, необходимые для получения 1 карата алмаза тремя способами: классическим открытым способом добычи в алмазном месторождении, высокотемпературным синтезом под высоким давлением (High Pressure, High Temperature, HPHT) и химическим осаждением из газовой фазы в микроволновой плазме с частотой 2,45 ГГц (Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition, MP CVD).

Технология HPHT воспроизводит 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. 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: отчётности 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.

Учёные 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.

Владислав Жданов
Один из авторов исследования, профессор факультета гуманитарных наук НИУ ВШЭ

Как отмечают исследователи, наблюдаются положительные тенденции в совершенствовании процессов изготовления алмазов. Совершенствуются гидравлические прессы, используемые в HPHT, как следствие, растёт производительность.

Инновации в методе CVD также могут снизить трудоёмкость. Синтез монокристаллической алмазной пластины диаметром 92 мм немецкими учёными 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.

Владислав Жданов
Один из авторов исследования, профессор факультета гуманитарных наук НИУ ВШЭ

По мнению исследователя, горнодобывающая промышленность также имеет большой потенциал для повышения производительности труда, например автономная карьерная техника, роботизированные обогатительные фабрики и т.д. Существует бесконечное количество инноваций, и многие аспекты могут быть улучшены.
IQ

Автор текста: Солодухин Юрий Олегович, 23 ноября, 2022 г.