Gør metalliske materialer mere klimavenlige

Seks procent af den globale CO ₂ emissioner—4.4. milliarder tons om året – produceres i øjeblikket af stål- og aluminiumsindustrien. I en oversigtsartikel til tidsskriftet Natur , Dierk Raabe, Direktør ved Max-Planck-Institut für Eisenforschung i Düsseldorf, og videnskabsmænd fra MIT i Cambridge Massachusetts skitserer, hvordan det enorme CO ₂ fodaftryk i metalproduktion og -brug kan reduceres. På den ene side, de foreslår foranstaltninger, der kan gennemføres hurtigt og med forholdsvis lille indsats. På den anden side, de formulerer langsigtede mål, som kun kan nås ved hjælp af omfattende grundforskning.

Moderne samfund ville næppe kunne fungere uden metaller:Alene 1,7 milliarder tons stål og 94 millioner tons aluminium produceres om året. De støtter bogstaveligt talt industriel produktion, bygninger, og transport samt energiforsyning, telekommunikation, og medicin. Og i 2050, mængden af ​​metalliske materialer, der produceres og bruges årligt, kunne igen fordobles - og endda tredobles - for nogle materialer. Imidlertid, udvinding af metaller fra malme er ekstremt energikrævende og producerer enorme mængder CO ₂ emissioner, derved bidrage til klimaforandringerne. Stål- og aluminiumsproducenter udleder 30 % af de drivhusgasser, der udledes af industrivirksomheder verden over. "Vi skal reducere disse industrielle CO ₂ emissioner, " siger Dierk Raabe. "Og metalindustrien kan yde et væsentligt bidrag." Ikke mindst fordi industrinationerne ønsker at være stort set klimaneutrale (dvs. have en positiv CO2) ₂ saldo) fra 2050.

Stigende efterspørgsel efter metalliske materialer og faldende CO ₂ budget:For at forene disse scenarier, Dierk Raabe analyserer, hvordan man kan reducere CO ₂ emissioner i metalindustrien sammen med MIT-forskerne C. Cem Tasan og Elsa A. Olivetti. "Dette er en opgave for begge, industri og grundforskning, " siger Max Planck-videnskabsmanden. "For det første, metalindustrien har allerede muligheder for effektivt at reducere CO ₂ på kort sigt. Imidlertid, der er stadig mange potentielle områder for grundforskning i udviklingen af ​​bæredygtige legeringer." Forskerne belyser således fem områder, hvor industrivirksomheder og forskere kan – og skal – blive aktive:

Mere bæredygtighed i produktion og forarbejdning

For at reducere CO ₂ emissioner i produktionen, industrien skal genanvende mere skrot. Nedsmeltning af et metal bruger betydeligt mindre energi end at udvinde det fra dets malm. "Det gælder først og fremmest affald, der genereres i selve metalindustrien, fordi der er tale om store mængder, og de kan adskilles relativt homogent, siger Dierk Raabe.

Ved fremstilling af metaller og deres legeringer, CO ₂ - Der kræves i stigende grad neutrale processer. På denne måde de respektive malme kan elektrolytisk reduceres direkte til de tilsvarende metaller med regenereret elektricitet. Imidlertid, metaller kan også opnås helt eller delvist ved hjælp af regenerativ brint.

Virksomheder kan også spare meget energi og dermed CO ₂ ved bearbejdning af metaller, især ved at reducere de betydelige tab, der opstår på alle stadier. For eksempel, 40 % af det smeltede aluminium går tabt, før det overhovedet er blevet til en metalplade. I tilfælde af stål, dette skrot udgør 25 % i begyndelsen af ​​forarbejdningen.

Byen som mine:sortering og genbrug

For at kunne øge andelen af ​​genanvendt metal, skrot skal sorteres bedre, da en legering kun opfylder sin funktion, hvis den ikke indeholder for mange urenheder. Genbrug kræver derfor sofistikerede teknikker til at identificere, adskille, ren, og knuse legeringer. Før disse processer er perfektioneret og konkurrencedygtige, forskning til metalindustrien kunne udvikle legeringer, for hvilke egenskaber næsten ikke – eller slet ikke – påvirkes af urenheder. Metallurger dedikerer sig i stigende grad til at forbedre mulighederne for genbrug.

Bæredygtigt legeringsdesign til genanvendelige materialer

På den ene side, forskere er allerede i gang med at undersøge legeringer til forskellige anvendelser, hvor egenskaberne ikke er væsentligt påvirket af urenheder. Imidlertid, de skal først forstå, hvordan de mindste spor af andre grundstoffer kan påvirke en legering, hvor de faktisk ikke burde forekomme. På den anden side, materialeforskere forfiner mulighederne for at kontrollere metalmaterialers adfærd ikke kun ved deres kemiske sammensætning, men også ved deres mikro- og nanostruktur. Når antallet af legeringer, der adskiller sig kemisk, falder, det bliver lettere at adskille og genbruge metalskrot. I samme retning, der gøres en indsats for at komponere crossover eller enhedslegeringer. Sådanne legeringer bør være i stand til at udføre forskellige opgaver, som der tidligere blev udviklet specialiserede materialer til. "Forskning i metalliske materialer står over for et paradigmeskifte, siger Dierk Raabe. Indtil videre legeringer er blevet optimeret til engangsbrug. Endnu, i fremtiden, vi bliver nødt til at tage mere hensyn til genanvendelighed, når vi designer sammensætning og egenskaber."

Længere levetid takket være korrosionsbeskyttelse og gentagen brug

Metalindustriens økologiske fodaftryk kan reduceres drastisk ved blot at gøre legeringer (eller komponenterne fremstillet af dem) mere holdbare. Der skal produceres færre metaller for at erstatte dem. "Først og fremmest, korrosionsbeskyttelse ville have en enorm effekt her, " siger Dierk Raabe. Metalindustrien og materialeforskere beskæftiger sig med forskellige typer af korrosion afhængigt af, hvilket metal der er involveret, og i hvilket kemisk miljø et materiale anvendes. Dette spænder fra konventionel rust eller andre former for elektrokemisk korrosion til slid forårsaget af tung mekanisk stress og brintskørhed. Bestræbelserne på at modvirke dem er lige så varierede som selve de korrosive virkninger. Industrien beskytter mange metaller mod elektrokemisk nedbrydning med offeranoder (hvis materialet korroderes først). Materialeforskere undersøger også legeringer, der heler revner og andre skader sig selv ved at ændre deres mikrostruktur De udvikler også belægninger, der kan eliminere (eller i det mindste afbøde) korrosionsskader.

Imidlertid, ikke alle metalkomponenter kasseres eller udskiftes, fordi de er slidte eller korroderede. De må ofte vige af økonomiske årsager. At bruge dem andre steder uden først at smelte dem ned og derefter producere den samme komponent igen ville også spare en masse energi. "For at skabe passende genbrugskæder, passende incitamenter skal opstilles på politisk niveau, siger Dierk Raabe.

Energieffektivitet gennem letvægtskonstruktion og bedre temperaturbestandighed

Økobalancen af ​​metalliske produkter i sig selv kan forbedres ved at bruge dem så længe som muligt. Imidlertid, energi kan også spares, hvis materialernes og komponenternes design optimeres derefter. For eksempel, biler med lettere karrosserier bruger mindre brændstof, og turbiner, der kan fungere ved højere temperaturer, genererer mere effektiv elektricitet fra varmen fra fossile brændstoffer. I nogle tilfælde, effektiviteten af ​​applikationen kan stadig forbedres af komponenternes design; 3-D print skaber nye muligheder her. I mange tilfælde, imidlertid, metallurger bliver endnu en gang opfordret til at udvikle passende legeringer. Ved at ændre sammensætningen og mikrostrukturen, de kan øge materialernes styrke, reducere deres tæthed, eller øge deres modstandsdygtighed over for høje temperaturer.

"Metalmaterialer er uundværlige i en moderne økonomi, " opsummerer Dierk Raabe. "Heldigvis, vi har adskillige muligheder for at gøre dem egnede til en bæredygtig – og frem for alt CO ₂ -neutral-økonomi."