Kategoria: technika

Kosmiczny streaming wideo

Wiesław SewerynLeave a comment

W październiku 2023 rakieta Falcon Heavy wyniosła w przestrzeń sondę Psyche. O misji Psyche, bardzo skądinąd interesującej, pisał wcześniej Mirosław Dworniczak. Ja jednak chciałbym napisać na temat bardzo ważnego eksperymentu, który miał być w ramach Psyche przeprowadzony. Mowa o Deep Space Optical Communications (DSOC), nowej technologii przekazu danych na kosmiczne odległości.

Na czym polega nowatorstwo DSOC?

Dotychczas w łączności kosmicznej wykorzystywano zwykły modulowany sygnał radiowy, używając nadajników różnej mocy, a efektywna prędkość transmisji była dość niska. Na przykład łaziki Curiosity (2012) i Mars Perseverance Rover (2021) korzystały z nadajników o mocy około 125 watów, a prędkość transmisji wahała się od kilku do kilkuset kb/s. Technologia ta wystarczała do przesyłania krótkich komunikatów, danych i sygnałów sterujących z Ziemi, ale do transmisji obrazów (a tym bardziej filmów w czasie rzeczywistym) niekoniecznie. Obrazy przesyłały się długo i były niskiej jakości. DSOC ma zamiar złamać ten obowiązujący dotychczas paradygmat i wykorzystując celowany promień lasera podczerwonego, transmitować dane z prędkością liczoną w setkach megabitów na sekundę, czyli 10-100 razy szybciej niż do tej pory. Czyli z prędkością dobrej jakości ziemskiego internetu szerokopasmowego.

Ryc. 1. 15-sekundowy film przesłany w obie strony w ramach eksperymentu DSOC. Źródło: NASA/JPL-Caltech.
Link do filmu na YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=GvJtVOmFs5Q

Eksperyment

Seans łączności odbył się 11 grudnia 2023. Do przetestowania łączności posłużył (wcześniej nagrany) 15-sekundowy film wysokiej rozdzielczości z kotem Tatersem uganiającym się za wskaźnikiem laserowym w roli głównej. Film został przesłany z Ziemi do urządzenia nadawczo-odbiorczego na Psyche, skąd natychmiast odesłano go z powrotem na Ziemię. Odległość sondy od Ziemi wynosiła wtedy około 30 milionów kilometrów, więc czas transmisji wyniósł 101 sekund. Prędkość maksymalna transmisji wyniosła 267 megabitów na sekundę (Mb/s). Podczas całej sesji łączności przesłano w sumie 1,3 terabita danych. Dla porównania – misja NASA Magellan na Wenus w latach 1990-1994 przesłała łącznie 1,2 terabita. Właśnie ze względu na potrzebę przesyłania ogromnych ilości danych pomiarowych, a nie medialnie atrakcyjnej transmisji live video projekt DSOC jest tak ważny. Znakomita większość odległych lotów kosmicznych to misje bez powrotu i nie ma sensu gromadzenie danych na nośnikach, które nigdy nie powrócą i nie będą odczytane. Zebrane dane muszą być przesyłane na Ziemię na bieżąco, inaczej przepadną. Alternatywą jest selekcja i wstępne przetwarzanie danych na miejscu.

Oczywiście był to jedynie test skomplikowanego, przyszłego systemu łączności; wiele prób jeszcze przed Psyche, ale można już być pewnym, że po usunięciu błędów i udoskonaleniu technologii będzie to rewolucja w łączności kosmicznej. Sonda po dotarciu do celu, którym jest metalowa asteroida Psyche znajdująca się w odległości 2,5-3,3 jednostki astronomicznej (j.a.), czyli około 500 milionów kilometrów od Ziemi, do przesyłania danych „produkcyjnych” będzie wykorzystywała klasyczną łączność radiową.

Opisywany test DSOC to nie pierwsza próba łączności laserowej w kosmosie, ale pierwsza, której celem jest łączność długodystansowa, docelowo podczas przyszłych misji na Marsa. Pierwszy test dwukierunkowej komunikacji laserowej miał miejsce w grudniu 2021 r., kiedy NASA przetestowała łączność z obiektem orbitalnym w odległości 35 406 kilometrów od Ziemi. Także załogowa misja Artemis, która okrąży Księżyc, będzie wykorzystywała łączność laserową do bieżącego przesyłania nagrań wideo wysokiej jakości.

Przed wykonaniem opisywanego rekordowego testu, 14 listopada przeprowadzono wstępną próbę łączności, która miała na celu synchronizację i kalibrację urządzeń, a sygnał odebrany przez Psyche z Ziemi pozwolił na dokładniejsze wycelowania jej lasera w teleskop Hale’a.

Na czym polega kosmiczna łączność laserowa DSOC?

Ryc. 2. Architektura planowanego systemu łączności laserowej DSOC. Źródło: NASA/JPL, domena publiczna.

System komunikacyjny DSOC składa się z trzech podstawowych elementów. Na pokładzie Psyche znajduje się urządzenie nadawczo-odbiorcze z laserowym nadajnikiem o mocy 4 watów. Na Ziemi – nadajnik laserowy o mocy 5 kilowatów i odległy od niego o kilkadziesiąt kilometrów odbiornik zintegrowany z teleskopem Hale’a, największym teleskopem w obserwatorium Palomar. Na potrzeby projektu zaprojektowano bardzo czułe detektory (liczniki) fotonów umieszczone na obu końcach kosmicznej linii transmisyjnej.

Temat nadprzewodzących detektorów pojedynczych fotonów (NSNPD) jest interesujący sam w sobie, gdyż 64-pikselowa matryca jest zdolna do zliczania ponad 1 miliarda fotonów na sekundę przy rozdzielczości czasowej poniżej 100 ps (pikosekund), co jest rekordem świata.

Ryc. 3. Matryca SNSPD firmy MDL.
Źródło: https://microdevices.jpl.nasa.gov/news/superconducting-nanowire-single-photon-detectors-for-dsoc/

Do łączności DSOC użyto lasera pracującego w bliskiej podczerwieni. Ważnym elementem systemu jest korekcja błędów, zwłaszcza separacja szumu tła, czyli fotonów pochodzących ze Słońca i ziemskiej atmosfery. Korekcji podlegają też różnego rodzaju wibracje.

Wymiary poszczególnych elementów systemu to: nadajnik na Ziemi – 1 m, ziemski odbiornik – 5,1 m (teleskop Hale’a), teleskop na Psyche – 22 cm. Projektując test, oczekiwano, że prędkość przekazu z Ziemi na Psyche powinna osiągnąć 292 kbit/s w odległości 0,4 j.a. (60 000 000 km), a transmisja powrotna 100 Mb/s.

Ryc. 4. Teleskop Hale’a w obserwatorium Palomar.
Źródło zdjęcia: NASA/JPL-Caltech/Obserwatorium Palomar

Co dalej?

Przed eksperymentem DSOC jeszcze wiele podobnych seansów łączności. Oczekuje się, że próby będą powtarzane aż do osiągnięcia maksymalnej odległości od Ziemi, a czas transmisji wydłuży się do 20 minut. Jest to wystarczająca odległość, aby przetestować wszelkie aspekty przyszłej łączności z Marsem, bo to Mars jest ostatecznym celem misji. Aby uświadomić skalę wyzwań technologicznych, należy pamiętać o tym, że w czasie tej 20-minutowej transmisji Psyche i Ziemia będą się przemieszczać i obracać, a wąska wiązka laserowa z Psyche musi zachować ciągłą łączność z maleńkim (w skali kosmicznej) teleskopem Hale’a.

Harmonogram testowania systemu:

  • Około 20 dni po wystrzeleniu: faza I – kalibracja DSOC, przygotowanie do następnego etapu fazy 1.
  • Około 50 dni po wystrzeleniu: pierwsza transmisja testowa (opisywana w tym tekście).
  • Czerwiec 2024: zakończenie fazy I (300 mln kilometrów od Ziemi).
  • Styczeń 2025: II faza testów.
  • Październik 2025: zakończenie testów DSOC.

Następny test systemu przewidziany jest więc na czerwiec 2024, kiedy odległość sondy Psyche od Ziemi wyniesie około 300 milionów kilometrów, czyli 2 jednostki astronomiczne (sonda będzie dwa razy dalej od Ziemi niż Ziemia od Słońca). Taką odległość światło przebywa w 1000 sekund, czyli nieco ponad 15 minut. Dla porównania, odległość Marsa od Ziemi to 56-400 milionów kilometrów (średnio 225 mln km); światło pokonuje ją w ok. 200-1300 sekund.

Czekamy więc do czerwca.

Miara wszechrzeczy, czyli pofilozofujmy

Wiesław Seweryn4 komentarze

Rzecz o mierzeniu

Zmysły, czym są, każdy wie. To analogowe rejestratory niektórych, niezbędnych do przeżycia wielkości fizycznych. Dobór naturalny jest skąpy w dzieleniu umiejętności, daje tylko wtedy, kiedy musi. I tylko tyle, na ile go stać.

Weźmy, na ten przykład, wzrok. Światło to fala elektromagnetyczna. Narząd wzroku rejestruje bardzo wąski zakres długości fal: 380-780 nanometrów. To zaledwie wycinek elektromagnetycznego widma, którego częstotliwości rozciągają się od prawie zera (długie fale radiowe) do prawie nieskończoności (promieniowanie gamma). Czy człowiekowi pierwotnemu potrzebna była detekcja i rejestracja tak szerokiego zakresu? Przecież oświetlające Ziemię Słońce emituje także mikrofale, fale radiowe, podczerwień, ultrafiolet, częstotliwości rentgenowskie, a nawet promieniowanie gamma. Odpowiedź brzmi NIE, koszt takiej inwestycji wielokrotnie przerastałby nakłady, a w większości przypadków budowa takich receptorów byłaby niemożliwa z powodu sprzeczności z biologicznym paradygmatem budowy organizmów żywych, chemią i fizyką budowy białek.

Ryc. 1 Widmo fal elektromagnetycznych. Licencja: Wikimedia Commons

Ciekawość świata czy walka o przetrwanie?

Jak sięgać tam, gdzie wzrok nie sięga? Jak sprawdzić głębokość rzeki w poszukiwaniu brodu? Są na to dwa sposoby: porównywać albo mierzyć. Porównywanie jest łatwiejsze, nie wymaga analizy i zapamiętywania wyników; jest też skuteczne i praktyczne. Wystarczą zmysły, niewielka pamięć operacyjna i prosty ośrodek decyzyjny.

Rozwój mózgu dodaje do tego mechanizmu nowy wymiar. Analiza informacji, wyciąganie wniosków i zapamiętywanie wyników doświadczeń i ich projekcja na nowe sytuacje to silna broń ewolucyjna. Eliminuje konieczność każdorazowego doświadczania zagrażającej życiu sytuacji i znacząco podnosi prawdopodobieństwo przetrwania. Nic dziwnego, że ewolucja szybko podchwyciła ten pomysł.

Mierzymy

Mamy więc zmysły, które dostarczają mózgowi wartości pomiarowych niektórych wielkości występujących w otoczeniu. Mózg analizuje, mierzy, porównuje i zapamiętuje, tworząc coś, co nazywamy doświadczeniem życiowym. Pozwoli to w przyszłości uniknąć konieczności doświadczania zjawisk, których już doświadczyliśmy, gdyż ich zapis został zarejestrowany w pamięci. Możemy to porównać do pamięci cache w komputerach, która jest szybka, tania i bezpieczna.

Pomiary bezpośrednie to nie wszystko. Zakresy pomiarowe oferowane przez zmysły (380-780 nm dla światła, 20-20000 Hz dla dźwięków, zakres temperatur od minus kilkudziesięciu do kilkuset stopni) to niewiele. Niektóre wielkości możemy mierzyć pośrednio, przez obserwację odpowiednich zjawisk wtórnych. Bardzo wysoka temperatura wywołuje świecenie, a barwa światła świadczy o temperaturze. Infradźwięki powodują niesłyszalne, ale wyczuwalne drgania. Woda, zamarzając, zmienia stan skupienia. Światło podczerwone wywołuje uczucie ciepła, rejestrowane przez zmysł dotyku. Niektóre wielkości, jak czas, w ogóle nie wymagają receptorów, mózg potrafi zmierzyć go bez odwoływania się do zmysłów.

Protezujemy

Na tym kończy się prosta metrologia zmysłowa. Można się spierać, która wielkość była pierwszą mierzoną wielkością. Może to był czas i doba słoneczna? Może patyk o długości ciała człowieka, który był jednocześnie czujnikiem i przedłużeniem ręki? Zostawmy to filozofom.

Byt kształtuje świadomość i przez długi czas to wystarczało, by żyć w harmonii z otoczeniem. Dopiero rozwój cywilizacyjny i rozwój zjawisk społecznych, w tym handlu, uświadomił, że przydałoby się niektóre wielkości mierzyć dokładniej i w szerszym zakresie, a pomiary powinny być powtarzalne. Zwłaszcza powtarzalność i precyzja pomiarów stały się ważne.

Człowiek współczesny (Homo smartfonicus) jest otoczony miernikami. W zasięgu wzroku mamy kilka zegarów, kilka termometrów, mnóstwo mierników mierzących różne częstotliwości fal elektromagnetycznych, dźwiękowych. Do tego sztuczne ośrodki decyzyjne w postaci sygnalizatorów (świetlnych, dźwiękowych) przekroczenia wartości progowych niektórych wielkości. Pomiary, pomiary, pomiary. Wszędzie protezy naszych zmysłów. I ciągle nam mało. Marzymy o protezach mózgu podejmujących za nas decyzje, wartościujących i przekazujących nam gotowe podpowiedzi, abyśmy tylko nacisnęli odpowiedni klawisz. Już nawet nie chcemy decydować, chcemy wygodnie trwać (a może tylko wegetować?).

Mówi się, że matką wynalazków jest lenistwo, ale jeśli pozbędziemy się obowiązku myślenia, to do czego będziemy stworzonej przez nas cywilizacji potrzebni? Do konserwacji i oliwienia sztucznej inteligencji? Jaki będzie z nas pożytek dla ekosystemu? Mało, że nie integrujemy się z nim, to nie produkujemy liczącej się wartości dodanej, a nawet, w dłuższej skali czasowej, jesteśmy szkodnikami i pasożytami.

Rozciągamy

Pierwszym przyrządem pomiarowym był zegar słoneczny, którego „sercem” i wskazówką był gnomon, a wielkością, którą mierzył było położenie Słońca na nieboskłonie (deklinacja). Zegary słoneczne budowano już 5 tys. lat temu, umieszczano na publicznych placach większych miast Mezopotamii, Egiptu czy Chin. Zegary słoneczne były niedokładne, mierzone godziny nie były sobie równe, a udoskonalenie polegające na naniesieniu skal godzinowych dla różnych pór roku prowadziłoby do jego kompletnej nieczytelności. Jednak swoją funkcję zegar słoneczny spełniał doskonale – dzielił dobę na w miarę równe części, był powszechnie dostępny i się nie psuł (sprawdzić, czy dzień nie jest pochmurny 😃 ).

Ryc. 2 Zegar słoneczny projektu Przypkowskiego na fasadzie budynku na Starym Mieście w Warszawie. Licencja CC BY-SA 3.0 (Andrzej Barabasz)

Na przykładzie zegara słonecznego możemy sformułować pierwszą zasadę rozwoju przyrządów pomiarowych: zwiększenie dokładności.

Druga zasada rozwoju metrologii to powtarzalność pomiarów. Istnieje wiele sposobów pomiaru tej samej wielkości fizycznej, na przykład czasu. Czas oddziałuje na materię na wiele sposobów. Każde z tych oddziaływań można mierzyć, gdyż zjawiska fizyczne są powtarzalne, przynajmniej na gruncie fizyki klasycznej. Płynięcie wody, naprężenie sprężyny, drgania atomów różnych kryształów, obroty pulsarów, wszystko to daje się zmierzyć. No to mierzymy. Rozwój zegarów był w historii techniki chyba najbardziej burzliwym i długim rozwojem. Co ciekawe, trwa nadal.

Trzeci nurt rozwoju metrologii to zwiększanie zakresu pomiarowego. Będzie o tym oddzielny wpis. Oba końce tego wektora z dwoma zwrotami (najmniejsze i największe jednostki pomiarowe) są równie ważne. W przypadku czasu istnieją pewne ograniczenia, choć, z punktu widzenia filozofii, niekoniecznie muszą istnieć. Najdłuższy możliwy do zmierzenia czas to wiek Wszechświata, obecnie szacowany na 13,8 miliarda lat. Najkrótszy to tzw. czas Plancka, czyli 5,39 * 10-44 sekundy. Jesteśmy w stanie zmierzyć czasy rzędu zeptosekund, czyli 10-21 sekundy (piszę o tym we wpisie Atomowe rekordy Guinnessa (1)), więc brakuje nam tylko podzielić zeptosekundę na 1023 części, żeby móc się cieszyć możliwością mierzenia całego „widma” czasu.

Skąd się biorą metale

Mirosław DworniczakLeave a comment

Metale już dawno stały się częścią cywilizacji człowieka. Dziś w zasadzie nie zauważamy ich obecności, a przecież trudno sobie wyobrazić bez nich świat.
Z punktu widzenia materiałoznawstwa i fizyki metale to materiały, które dobrze przewodzą prąd elektryczny i ciepło, są plastyczne, łatwe w obróbce, a także mają charakterystyczny połysk. Ich właściwości w dużym stopniu determinowane są obecnością w strukturze wiązań metalicznych, a także zdelokalizowanych elektronów, które łatwo mogą się przemieszczać. I właśnie ten tzw. gaz elektronowy jest odpowiedzialny za przewodnictwo elektryczne i cieplne, ale także za połysk. Metale są ciałami stałymi w temperaturze pokojowej – z jednym wszakże wyjątkiem, którym jest rtęć.

Gdzie znajdziemy metale

Większość metali występuje w skorupie ziemskiej w postaci rozmaitych związków chemicznych. Wynika to z tego, że są one stosunkowo reaktywne, a miliardy lat istnienia Ziemi pozwoliły na to, że po prostu zdążyły one przereagować z innymi pierwiastkami, tworząc rozmaite minerały. Ale są też oczywiście wyjątki, czyli tzw. metale rodzime. Najbardziej znanym z nich jest złoto, które w postaci niezmienionej przywędrowało na Ziemię z dalekiego kosmosu.

Samorodek złota (Australia) – niemal 2 kg

żródło: Wikimedia, licencja: CC BY SA 2.0

Również inne metale szlachetne występują w stanie wolnym – platyna, srebro, rod czy osm. Najczęściej spotykamy je w postaci zmieszanej, czyli jako stopy metaliczne. Innym metalem występującym gdzieniegdzie w postaci rodzimej jest miedź.

Bywa, że spotykamy też na powierzchni Ziemi metaliczne żelazo i nikiel. W tym przypadku nie nazywamy ich rodzimymi, ponieważ tak naprawdę przywędrowały one stosunkowo niedawno z przestrzeni kosmicznej, lądując w postaci meteorytów żelaznych, czasem bardzo dużych.

Meteoryt Hoba – masa ponad 50 ton (Namibia)
skład: 84% Fe, 16% Ni, ślady Co

źródło: Wikimedia, licencja: CC BY SA 2.0

Trzeba też pamiętać, że olbrzymia ilość (rzędu 1021 ton) żelaza i niklu w postaci wolnej tworzy jądro Ziemi. Na powierzchni bardzo rzadko możemy znaleźć żelazo rodzime, tzw. telluryczne. Spotyka się je na Grenlandii, lokalni Inuici wykorzystywali je do produkcji narzędzi, m.in. noży.

Redukujemy

Jeśli metal występuje na Ziemi w formie związków chemicznych, w celu jego pozyskania musimy wykonać reakcję chemiczną, znaną pod nazwą redukcji. Człowiek wpadł na pomysł redukowania związków metali, przede wszystkim żelaza, już bardzo dawno temu. Było ono niezwykle przydatne, przede wszystkim do wyrobu narzędzi. Pierwotnie żelazo pozyskiwano z rud darniowych, które zawierają niewielkie ilości limonitu, w składzie którego są tlenki i wodorotlenki żelaza. Później okazało się, że istnieją znacznie lepsze źródła tego metalu. Niezależnie jednak od tego, z jaką rudą mamy do czynienia, uzyskanie z niej żelaza pierwiastkowego polega zwykle na reakcji z węglem. Tlenki i wodorotlenki żelaza redukują się do pierwiastkowego Fe, a węgiel przechodzi w CO i CO2. Czysty przypadek zrządził, że dodatek niewielkiej ilości węgla do żelaza powoduje, że staje się ono znacznie twardsze i zyskuje doskonałe właściwości (patrz niżej). Już ponad 2 tysiące lat temu uzyskiwano żelazo, stosując tzw. dymarki, czyli gliniane piece, w których dokonywano procesu redukcji rudy. Na terenie Polski możemy zobaczyć na żywo, jak to się odbywa, uczestnicząc w połowie sierpnia każdego roku w święcie Dymarek Świętokrzyskich.

Rekonstrukcja dymarki – Biskupin
źródło: Wikimedia, licencja CC BY SA 2.5

Dziś proces otrzymywania żelaza z rudy oparty jest na tej samej zasadzie. Zmieniła się tylko wielkość urządzenia, ponieważ aktualnie używa się tzw. wielkiego pieca. Pozwala on na jednorazowe uzyskanie nawet do 300 ton surówki, którą następnie przetwarza się na stal lub żeliwo.

Podobne w konstrukcji i zasadzie działania piece stosuje się do otrzymywania kilku innych metali, takich jak cynk czy ołów.

Wielki piec – Duisburg (Niemcy)

Dietmar Rabich, Duisburg, Landschaftspark Duisburg-Nord, Hochofen 2 — 2016 — 1115, CC BY-SA 4.0

Hydrometalurgia i elektrometalurgia

W przypadku wielu rud mamy do czynienia z mieszaniną wielu pierwiastków metalicznych. W takiej sytuacji prosty proces redukcji jest zdecydowanie niewystarczający. Z pomocą przychodzą tutaj fizyka i chemia. W zależności od tego, z jakimi metalami mamy do czynienia, stosując odpowiednie roztwory wodne, powodujemy ługowanie konkretnych związków z mieszaniny. Dalszy proces polega najczęściej na ich zagęszczeniu i wydzieleniu czystego metalu – metodą czysto chemiczną albo też elektrolityczną. Wynalezienie prądu elektrycznego w zdecydowany sposób ułatwiło metalurgom zarówno wydzielanie metali, jak też ich oczyszczanie, zwane tutaj rafinacją. Warto podkreślić, że także w procesach elektrolitycznych podstawową reakcją, która ma miejsce, jest redukcja jonów metalu do obojętnego pierwiastka.

Otrzymywanie miedzi

Miedź jest jednym z najcenniejszych metali, niezbędnym w wielu dziedzinach życia. Niestety, rudy miedzi zawierają stosunkowo wiele zbytecznego balastu. Dlatego też pierwszym procesem, którym są poddawane, jest flotacja. Wykorzystuje się tutaj różną zwilżalność składników rudy. Na olbrzymią skalę flotacja jest wykorzystywana m.in. w polskich kopalniach KGHM. W wyniku tego procesu następuje zdecydowane wzbogacenie materiału w miedź – powstaje tzw. koncentrat miedzi, składający się głównie z siarczków Cu. Następnym etapem jest uzyskanie tzw. „kamienia miedziowego”, który zawiera już ok. 30% Cu, ale też pewne ilości srebra, które zawsze towarzyszy miedzi. W kolejnym etapie kamień miedziowy pozbawia się siarki i otrzymuje surową metaliczną miedź. Ponieważ nadal zawiera ona zanieczyszczenia pogarszające jej właściwości (w tym przewodnictwo), ostatnim etapem jest elektrorafinacja, będąca, mówiąc skrótowo, elektrolizą. Przy okazji uzyskuje się inne cenne pierwiastki metaliczne, takie jak srebro, złoto, pallad i platyna, a także bardzo cenny (ok. 1900 $/kg) i rzadki ren. Polska jako jedyna w Europie produkuje ten metal z własnych źródeł.

Ze względu na to, że uzyskiwanie miedzi jest procesem drogim i kosztownym, na całym świecie metal ten podlega recyklingowi.

Aluminium

Glin to powszechnie występujący w skorupie ziemskiej pierwiastek. Jego związki były stosowane już od dawna, ale czysty glin wyodrębniono dopiero w XIX w. Aluminium, czyli glin o czystości technicznej, otrzymuje się w procesie elektrolizy, wykorzystując naturalne boksyty, w skład których wchodzą głównie wodorotlenki glinu. W pierwszym etapie boksyt przetwarza się w tlenek glinu (Al2O3). Proces ten generuje dużą ilość odpadu zwanego „czerwonym szlamem”. Gromadzony jest on w olbrzymich zbiornikach i stanowi spore zagrożenie ekologiczne. W 2010 r. na Węgrzech miała miejsce katastrofa, w trakcie której uwolnione zostało 700 tys. m3 toksycznego i żrącego czerwonego szlamu.

Tlenek glinu przerabiany jest na czysty metal w procesie elektrolitycznym (Halla-Heroulta). Wymaga on olbrzymich ilości energii elektrycznej, dlatego też wydziały elektrolizy budowane są w pobliżu istniejących elektrowni. Elektrolizery zasilane są prądem o niskim napięciu (rzędu 5V), ale olbrzymim natężeniu – 100-300 tys. amperów.

Hala elektrolizy (widoczne pionowe czarne elektrody)
źródło: Wikimedia, licencja: GNU FDL

Także ten proces bardzo negatywnie oddziałuje na środowisko naturalne, ponieważ w trakcie elektrolizy emitowane są duże ilości szkodliwych związków fluoru. Dlatego też na całym świecie promowany jest recykling odpadów aluminiowych, które w prosty sposób można przetworzyć na czysty metal i wykorzystać ponownie.

O uzyskiwaniu aluminium, a także o transporcie boksytów pisał jakiś czas temu Przemek Darmochwał.

Złoto

Ten cenny metal występuje niemal wyłącznie w postaci rodzimej, w tzw. samorodkach. Przy odrobinie szczęścia są one wypłukiwane przez wody podziemne i pojawiają się w strumieniach. Pojawienie się większych ilości samorodków dało początek masowemu napływowi poszukiwaczy złota w połowie XIX w. w Kalifornii i kanadyjskiej Kolumbii Brytyjskiej, a potem na Alasce. Był to czas tzw. gorączki złota.

It’s blow, boys, blow
For California-oh
For there’s plenty of gold, so I’ve been told
On the banks of Sacramento

Przemysłowe wydobycie szlachetnego kruszcu odbywa się w kopalniach. Przez wiele lat w wydobyciu złota przodowała RPA, dziś liderem są Chiny. Oczywiście nie zawsze jest tak, że w kopalniach występują żyły złota. Ze względu na cenę tego metalu opłacalne jest wydobycie rud o zawartości zaledwie 0,00005% Au. Przez wiele lat próbowano uzyskiwać złoto z wody morskiej, ale nadal nie ma efektywnego ekonomicznie sposobu na taką produkcję.

Stopy żelaza

Czyste żelazo stosuje się bardzo rzadko. Zazwyczaj mamy do czynienia ze stopami, w których obok żelaza występują inne składniki, przede wszystkim węgiel. Jeśli węgla jest niewiele (do ok. 0,02%), otrzymujemy ferryt. Gdy jest go więcej – do 2,11% – uzyskujemy bardzo szeroko stosowany stop zwany stalą. Metalurdzy oraz inżynierowie wyróżniają wiele rodzajów stali, ale podstawowymi dwoma kategoriami są stale niestopowe (dawniej zwane węglowymi) oraz stopowe. Te ostatnie najczęściej zawierają aż do kilkudziesięciu procent innych składników. Dodatki te w dużym stopniu wpływają na właściwości materiału, takie jak hartowność czy zwiększona wytrzymałość. Nieco ponad 100 lat temu odkryto, że spory dodatek chromu (powyżej 11%) zdecydowanie poprawia trwałość stali, która staje się odporna na korozję. Jest to tzw. stal nierdzewna, znana czasem pod skrótem INOX. Jest ona także kwasoodporna.
W przypadku, gdy węgla jest więcej niż 2,11%, taki stop nazywa się żeliwem. Znajdziemy je w starych grzejnikach, ciężkich garnkach i patelniach, a także rurach i włazach kanałowych.

Popularne stopy metali

Od bardzo dawna znane są stopy miedzi. Bardzo popularny jest mosiądz, zawierający od 10 do 45% cynku. Jest on odporny na korozję i łatwy w obróbce. Mosiądz manganowy (1% Mn) stosuje się do wyrobu monet 1, 2 i 5 gr. Jeśli składnikiem obok Cu jest cyna lub inne metale czy pierwiastki niemetaliczne, takie stopy nazywamy brązami. Ich zastosowanie jest dziś ograniczone ze względu na dość wysoką cenę. Czasami do brązów zaliczamy też spiż, w którym obok cyny występują cynk i ołów. Spiż jest odporny na korozję i ścieranie. Wykonuje się z niego dzwony, dawniej stosowano go też do wyrobu luf armatnich. Najwyższe odznaczenie wojenne Imperium brytyjskiego, Victoria Cross, było dawniej wykonywane właśnie ze spiżu pochodzącego z dwóch armat zdobytych po bitwie pod Sewastopolem (wojna krymska 1853-56).

Bardzo popularne są stopy zawierające glin. Dodatek miedzi, manganu, magnezu czy też krzemu zdecydowanie poprawiają właściwości mechaniczne tego stopu, podczas gdy gęstość niewiele odbiega od gęstości aluminium. Stosowane są w wielu konstrukcjach lotniczych. Niestety, duraluminium łatwiej niż czyste aluminium ulega korozji.
Szczególnym przykładem stopów są amalgamaty, czyli stopy metali z rtęcią. Kiedyś amalgamat zawierający srebro, cynę, miedź i kadm był stosowany w stomatologii jako wypełnienie ubytków. Dziś na szczęście to już odeszło w niepamięć.