毋庸置疑：我们的元素正在耗尽。随着人类填满了元素周期表的各个角落，每种元素都带来了技术创新。

铕和铟对电视和触摸屏至关重要。铼是战斗机发动机的必需品。为了避免气候变化的一些影响，我们需要锂和钴用于电动汽车电池，碲用于太阳能电池板，镝用于风力涡轮机。

然而，我们无法制造这些元素——它们与地球一起在数十亿年前形成。为了补充我们日益减少的储量，并跟上一个不断发展和现代化的世界，我们必须开采更多的元素。

勘探人员正在扩大他们的搜索范围，以寻找不会干扰人口稠区的新原材料来源——没有人希望在自家后院有一个矿井。他们正在寻找以前被认为过于偏远而无法开采的天然矿石，在材料需求证明成本和艰苦旅程是值得的之前：北极、深海甚至离地球最近的小行星。

但在一个世纪的重工业活动之后，我们还拥有大量富含可回收元素的人类废弃产品：废水、废弃的消费电子产品，甚至大气中的污染物。科学家正在开发用于清理这些废物的技术，可以真正地变废为宝。“如果你要去除它，为什么不回收它呢？”斯坦福大学的化学工程师威廉·塔尔佩（William Tarpeh）说。

原材料

北极

这片广阔的北方地区已经是人们熟悉的采矿地。几个世纪以来，该行业一直是北极国家经济的支柱。芬兰的奥亚莫铁矿于1530年开始生产，而瑞典的法伦矿早在维京时代就开始运营。直到今天，俄罗斯苔原上散布的矿山供应着全球约40%的钯，这种金属对于催化转换器和燃料电池至关重要。但北极的极端气温和严酷的景观排除了大片区域的开发。

这种情况可能很快就会改变。“北方的勘探还没有结束，”联邦机构加拿大自然资源部的绿色采矿创新主管詹尼斯·辛克（Janice Zinck）说。“我们真的只是触及了那里潜在资源的表面。”

对北极地区重新燃起的兴趣是由需求变化推动的。像铁和铜这样的基础金属，大量用于基础设施建设，如今已不是首要任务。现在，人们正在推动更多所谓的科技金属，比如稀土元素镝和铽，它们能增强磁铁并赋予屏幕色彩。

2012年至2016年，北极国家联合开展了环北极矿产资源项目，以汇编该地区的丰富数据。他们确定了几处主要矿床，包括格陵兰岛科瓦内费尔德（Kvanefjeld）全球最大的稀土元素矿床之一。随着北极圈变暖，格陵兰岛内陆和北冰洋海底等更多地区将开放。但辛克警告说，气候变化也增加了挑战。永久冻土融化破坏了现有和未来建筑物以及采矿结构的稳定性，而宝贵的冰路——冰冻的河流或冰冻湖泊上的路径——融化限制了交通。

Zinck说，可持续性将是未来北极矿山的关键。例如，自2010年以来，在挪威运营的采矿公司被要求在矿山寿命结束时恢复该区域。“提取后的重建应该是一项义务，”挪威地质调查局前局长、地质学家莫滕·斯梅尔罗（Morten Smelror）说。

深海

儒勒·凡尔纳在海底宝贵矿物实际发现前几年就预言了它们的存在。在《海底两万里》中，鹦鹉螺号潜艇的尼摩船长说：“在海底，有锌、铁、银和金矿，开采它们无疑是可行的。”

三年后，即1873年，真实的英国探险船“挑战者”号证实了尼摩的说法，它从太平洋海底拖上来一些奇特的土豆大小的黑色岩石：即所谓的多金属结核，富含锰、铁、镍和钴等金属。在接下来的150年里，科学家们又在海浪下发现了两种富含金属的资源：海底块状硫化物矿床，通常发现于构造板块边界，含有铜、金和银；以及钴结壳，它们生长在全球各地散布的海底火山上，包括太平洋地区的大量存在。

随着高品位金属矿藏的日益枯竭，各公司已开始计划开采这些富含元素的矿藏。此外，海底采矿面临的陆地采矿问题较少。首先，海底不属于任何人的“后院”，因此对社区的干扰极小。海洋覆盖了地球70%以上的面积，可能蕴藏着足以满足人类未来所有需求的元素。最重要的是，虽然每个国家都拥有其海岸线200海里内的矿产权利，但国际水域海底的元素不属于任何一个国家。

目前没有深海采矿作业正在进行，但公司和国家都渴望改变这一现状。澳大利亚公司鹦鹉螺矿业（Nautilus Minerals）打算在解决财务困境后，开始在巴布亚新几内亚沿海商业开采海底块状硫化物。戴蒙德菲尔兹资源公司（Diamond Fields Resources）也计划在红海沙特阿拉伯沿海进行同样的操作。至于国际水域，所有目光都集中在国际海底管理局（International Seabed Authority），等待其在完成对潜在环境影响的评估后，于今年制定全球深海采矿法。

“我对这个过程相当乐观，尽管它缓慢而官僚，”伦敦自然历史博物馆的生物学家阿德里安·格洛弗（Adrian Glover）说，他参与了国际海底管理局的评估。“它在一个新兴产业中非常成功，让人们在行业启动之前就思考环境风险和法律责任。这是一件非常积极的事情。”

小行星

在NASA阿波罗登月任务之前，我们对太空岩石的直接了解仅来自坠落到地球上的陨石。现在，我们不仅研究了月球岩石，还直接从小行星和彗星上采集了样本。事实证明，太空充满了有用的物质。英国小行星采矿公司创始人兼首席执行官米奇·亨特-斯库利恩（Mitch Hunter-Scullion）表示，在火星附近已知的约2万颗小行星中，有700多颗是金属质的。

虽然实际开采小行星将是，嗯，天文数字般的昂贵，但仅一种金属就可能让这趟旅行物有所值。“商业案例是由铂金的价格驱动的，”利物浦大学的机械工程师阿曼达·休斯（Amanda Hughes）说。在陆地矿山中，含有5百万分之5铂的矿石就值得开采。她表示，一颗直径约半英里、铂含量至少为10 ppm的小行星就可以盈利。根据亨特-斯库利恩的估计，大约有50颗小行星符合这一描述。（一些陨石被发现含有超过120 ppm的铂。）

亨特-斯库利恩正在建立一个关于这些富含铂的小行星中可能发现的其他潜在资源的综合数据库，包括铁和镍等贱金属，以及有机碳和磷，以进一步提高采矿利润。他还希望能找到水，这可以支持人类向太空扩张。

小行星采矿可以通过两种方式进行：将小行星带到地球并在此提取矿物，或者——更可能的是——在太空中粉碎小行星，然后带着富含元素的浓缩物返回地球。如果小行星采矿听起来像科幻小说，那是因为它仍然是。例如，科学家需要弄清楚如何在零重力下粉碎和收集岩石。他们已经迈出了这个过程的第一步，寻找富含铂的小行星——从超过1亿英里之外进行勘探。

回收材料

液体废物

有毒藻华、酸性溪流和被金属污染的土壤有一个共同点：这些环境灾难都是富含矿物质和金属的废水造成的。传统上，废水处于这样一个中间地带：其所含元素太少，无法作为资源加以利用；但所含元素又太多，对环境不利。现在，由于日益增长的环境问题和材料成本的飙升，这种情况正在改变。

目标元素与可能的来源一样多样化。人类和动物污水是氮和磷的良好来源，它们是植物生长所需肥料的重要成分。海水淡化操作——将盐水转化为安全的饮用水——会产生富含有用金属的浓缩卤水，这些卤水又被排回海洋。每年产生的140亿吨废弃尾矿——采矿留下的含金属污泥——含有可回收元素，包括稀土金属。

在这些废弃物中进行勘探的优势在于，元素并没有被困在岩石内部。相反，挑战在于在分子层面小心地将所需物质与不需要的物质进行化学分离。为此，研究人员设计了所谓的捕获剂、分子和材料，它们只与所需的物质结合。例如，一些人已经设计出细菌来分泌与特定元素结合的蛋白质。

这种将废水视为资源的方法已在全球范围内推开。北美和欧洲的水处理厂建立了磷回收系统，以应对有害藻华，其中少数甚至将回收的营养物质作为肥料出售。2018年，澳大利亚研究人员开发出一种材料，可以从海水淡化盐水和压裂废水中提取锂。昆士兰大学的地球环境科学家安妮塔·帕布哈卡-福克斯（Anita Parbhakar-Fox）正在研究可以从旧尾矿池中开采钴的细菌，钴是电动汽车电池日益重要的元素。

“去看看废物是值得的，”她说。

固体废物

城市采矿听起来令人印象深刻，但它实际上只是回收利用的一个华丽说法。德克萨斯州奥斯汀市Urban Mining Co.的执行副总裁、工业生态学家彼得·阿菲尼（Peter Afiuny）说，这个想法已经存在了几千年。铁器时代破旧不堪的武器在后世被熔化重铸，中世纪的英国用罗马遗址的石头建造教堂，而锡和铝等金属如今也被大量回收利用。从手机到拖拉机，回收当今废弃消费产品中的稀有成分，用于明天的产品，这是一种常识。而且，作为一个额外的好处，这些“矿石”已经存在于它们最需要的城市区域，而不是埋藏在难以到达的矿山中。

然而，问题在于这些元素非常分散。“（原始）矿山分散在成千上万个家庭中，”总部位于布鲁塞尔的材料公司优美科的工业工程师克里斯蒂安·哈格吕肯（Christian Hagelüken）说。要开采所有这些电器和电子产品，首先需要将它们全部集中到一个区域。

第二个挑战是拆解当今极其复杂的产品。元素现在像香料一样渗透到复杂的菜肴中——例如，iPhone含有少量铟、一点铽和大约70种其他元素的痕迹。大多数消费品从来没有被设计成易于拆卸和回收，因此将那一大堆商品分解成其成分是很棘手的。

为此，公司开创了各种方法来更好地回收我们旧科技产品中有价值的部件。Urban Mining Co.专注于从硬盘、风力涡轮机等设备中提取钕铁硼磁铁，将其制成粉末，并直接用其制造新磁铁。而优美科的熔炉可以熔化并分离旧催化转换器和电路板中的17种元素。

然而，虽然这种策略将回收方法引入采矿，但它确实与可持续发展存在内在冲突：报废产品材料的开采只有在原始产品寿命短的情况下才有效。如果我们的科技工具像我们一样长寿——这是任何环境友好型未来的目标——那么这种矿产将变得越来越稀缺。

气态废物

从空气中提取资源听起来像是未来主义（或荒谬）的做法，但我们自1913年以来一直在有效地这样做。哈伯-博世法将大气中的氮转化为氨，用于化肥和炸药。如今，科学家们希望回收一种人类一个多世纪以来一直在向大气中排放的、影响更深远的元素：碳。

人类一直以二氧化碳的形式释放埋藏在化石燃料中的碳，造成了灾难性的后果。人为引起的气候变化与冰盖融化和海平面上升有关，预计将淹没沿海城市和岛屿国家。更强的风暴和干旱已成为常态。联合国2018年政府间气候变化专门委员会报告得出结论，如果我们想避免气候变化最严重的影响，开发碳捕获技术现在是必不可少的。

但这并不容易。最大的问题之一是，尽管二氧化碳含量很高，但该气体仍仅占大气的0.04%。为了有效地从空气中提取这微量的碳，位于不列颠哥伦比亚省斯阔米什的初创公司Carbon Engineering建造了一种设备，该设备迫使空气与吸收二氧化碳的碱性溶液接触。在设备内部，碱性溶液向下流动，由波纹状的塑料表面引导，就像垂直放置的瓦楞纸板一样。溶液覆盖这些表面，当空气水平流过设备时，与空气形成巨大的接触面积，帮助其捕获空气中微量的碳。

目前，Carbon Engineering的试点工厂每天捕获约一吨二氧化碳，该公司正计划建设一座全面生产的工厂，每年将吸收一百万公吨（或略超过22亿磅）二氧化碳。

但与化石燃料中因氢原子而富含能量的碳不同，二氧化碳是相当惰性的。因此，要将开采出的碳重新用于燃料，需要向碳中注入能量（以新的氢原子的形式）。冰岛的Carbon Recycling International等公司在这方面取得了巨大进展，将发电厂的二氧化碳排放转化为甲醇等液体燃料。

Carbon Engineering的策略是拼凑已建立的化学工艺，首先将二氧化碳还原为一氧化碳，然后将其转化为轻质合成原油。

最终，我们或许能从稀薄的空气中直接提取燃料。

速览

• 北极圈被定义为太阳能连续照射24小时的区域。但由于地球轴倾角的变化，北极圈每年向北移动近50英尺。为方便起见，大多数地质学家将北纬60度以北的区域视为北极。

• 根据28个国家批准的《南极条约环境保护议定书》，自1998年以来，南极极点附近的采矿已被禁止。该条约将于2048年重新审议。

• 尽管稀释，海水含有大量的金属资源。从20世纪70年代开始，日本科学家试图通过开发高吸水性海绵从海水中提取铀，但它们效率不足以投入市场。

• 许多金属被称为“搭便车者”，因为它们是其他金属生产的副产品。例如钴、铟、碲和镝；开采它们的唯一方法是在提炼其他元素时对其进行纯化。

• 根据联合国2019年1月的一份报告，全球每年产生约5000万公吨电子垃圾。其中隐藏着价值估计为625亿美元的资源。

• 哈伯-博世法将氮转化为氨，这是从空气中提取资源最著名的例子之一，它创造了合成肥料和成功的农作物，从而推动了全球人口增长到今天的75亿以上。然而，另一方面，它却占全球碳排放量的1.4%。