Zes procent van de wereldwijde CO ₂ emissies—4.4. miljard ton per jaar wordt momenteel geproduceerd door de staal- en aluminiumindustrie. In een overzichtsartikel voor het tijdschrift Natuur , Dierk Raabe, Directeur van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf, en wetenschappers van MIT in Cambridge Massachusetts schetsen hoe de immense CO ₂ voetafdruk bij de productie en het gebruik van metaal kan worden verminderd. Aan de ene kant, ze stellen maatregelen voor die snel en met relatief weinig inspanning kunnen worden uitgevoerd. Anderzijds, ze formuleren langetermijndoelen die alleen kunnen worden bereikt met behulp van uitgebreid basisonderzoek.

Moderne samenlevingen zouden nauwelijks kunnen functioneren zonder metalen:alleen al wordt jaarlijks 1,7 miljard ton staal en 94 miljoen ton aluminium geproduceerd. Ze ondersteunen letterlijk de industriële productie, gebouwen, en transport en energievoorziening, telecommunicatie, en geneeskunde. En tegen 2050, de hoeveelheid metalen materialen die jaarlijks worden geproduceerd en gebruikt, kan voor sommige materialen opnieuw verdubbelen - of zelfs verdrievoudigen. Echter, het winnen van metalen uit ertsen is extreem energie-intensief en levert enorme hoeveelheden CO . op ₂ uitstoot, daardoor bijdragen aan klimaatverandering. Staal- en aluminiumproducenten stoten 30% van de broeikasgassen uit die door industriële bedrijven wereldwijd worden uitgestoten. "We moeten deze industriële CO ₂ uitstoot, ", zegt Dierk Raabe. "En de metaalindustrie kan een belangrijke bijdrage leveren." Niet in de laatste plaats omdat de industrielanden grotendeels klimaatneutraal willen zijn (d.w.z. een positieve CO ₂ saldo) vanaf 2050.

Toenemende vraag naar metalen materialen en dalende CO ₂ budget:om deze scenario's op elkaar af te stemmen, Dierk Raabe analyseert hoe CO te verminderen ₂ emissies in de metaalindustrie samen met MIT-onderzoekers C. Cem Tasan en Elsa A. Olivetti. "Dit is een taak voor zowel industrie en fundamenteel onderzoek, ", zegt de Max Planck-wetenschapper. "Ten eerste:de metaalindustrie heeft al mogelijkheden om CO . effectief te verminderen ₂ op korte termijn. Echter, er zijn nog veel potentiële gebieden voor fundamenteel onderzoek naar de ontwikkeling van duurzame legeringen." De wetenschappers werpen zo licht op vijf gebieden waarop industriële bedrijven en onderzoekers actief kunnen en moeten worden:

Meer duurzaamheid in productie en verwerking

Om CO . te verminderen ₂ uitstoot bij de productie, industrie moet meer schroot recyclen. Het omsmelten van een metaal kost aanzienlijk minder energie dan het uit het erts halen. "Dit geldt vooral voor afval dat in de metaalindustrie zelf ontstaat omdat het om grote hoeveelheden gaat, en ze kunnen relatief homogeen worden gescheiden, ' zegt Dierk Raabe.

Bij de productie van metalen en hun legeringen, CO ₂ -neutrale processen zijn in toenemende mate vereist. Op deze manier, de respectieve ertsen kunnen direct elektrolytisch worden gereduceerd tot de overeenkomstige metalen met geregenereerde elektriciteit. Echter, metalen kunnen ook geheel of gedeeltelijk worden verkregen met behulp van regeneratieve waterstof.

Bedrijven kunnen ook veel energie en dus CO . besparen ₂ bij het verwerken van metalen, vooral door de aanzienlijke verliezen die zich in alle stadia voordoen te verminderen. Bijvoorbeeld, 40% van het gesmolten aluminium gaat verloren voordat het zelfs maar een metalen plaat is geworden. In het geval van staal, dit schroot bedraagt ​​25% bij het prille begin van de verwerking.

De stad als mijn:sorteren en recyclen

Om het aandeel gerecycled metaal te kunnen vergroten, schroot moet beter gesorteerd worden aangezien een legering zijn functie alleen vervult als er niet te veel onzuiverheden in zitten. Recycling heeft daarom geavanceerde technieken nodig om te identificeren, verschillend, schoon, en verbrijzelde legeringen. Voordat deze processen geperfectioneerd en concurrerend zijn, onderzoek voor de metaalindustrie zou legeringen kunnen ontwikkelen waarvan de eigenschappen niet of nauwelijks worden beïnvloed door onzuiverheden. Metallurgen zetten zich steeds meer in om de mogelijkheden van recycling te verbeteren.

Duurzaam legeringsontwerp voor recyclebare materialen

Aan de ene kant, onderzoekers onderzoeken al legeringen voor verschillende toepassingen waarvan de eigenschappen niet significant worden beïnvloed door onzuiverheden. Echter, ze moeten eerst begrijpen hoe de kleinste sporen van andere elementen een legering kunnen aantasten waarin ze eigenlijk niet zouden moeten voorkomen. Anderzijds, materiaalwetenschappers verfijnen de mogelijkheden om het gedrag van metallische materialen te beheersen, niet alleen door hun chemische samenstelling, maar ook door hun micro- en nanostructuur. Wanneer het aantal legeringen dat chemisch verschilt, afneemt, het wordt gemakkelijker om schroot te scheiden en te recyclen. In een vergelijkbare richting, pogingen worden gedaan om crossover of unitaire legeringen samen te stellen. Dergelijke legeringen moeten verschillende taken kunnen uitvoeren waarvoor eerder gespecialiseerde materialen zijn ontwikkeld. "Onderzoek naar metalen materialen staat voor een paradigmaverschuiving, " zegt Dierk Raabe. "Tot nu toe, legeringen zijn geoptimaliseerd voor eenmalig gebruik. Nog, in de toekomst, we zullen meer rekening moeten houden met recyclebaarheid bij het ontwerpen van samenstelling en eigenschappen."

Langere levensduur dankzij corrosiebescherming en herhaald gebruik

De ecologische voetafdruk van de metaalindustrie kan drastisch worden verkleind door legeringen (of de daaruit gemaakte componenten) simpelweg duurzamer te maken. Er zullen minder metalen moeten worden geproduceerd om ze te vervangen. "Bovenal, corrosiebescherming zou hier een enorm effect hebben, ", zegt Dierk Raabe. De metaalindustrie en materiaalwetenschappers hebben te maken met verschillende soorten corrosie, afhankelijk van welk metaal het is en in welke chemische omgeving een materiaal wordt gebruikt. Dit varieert van conventionele roest of andere vormen van elektrochemische corrosie tot slijtage veroorzaakt door zware mechanische stress en waterstofbrosheid. De inspanningen om ze tegen te gaan zijn net zo gevarieerd als de corrosieve effecten zelf. De industrie beschermt veel metalen tegen elektrochemische ontleding met opofferingsanoden (waarvan het materiaal eerst wordt gecorrodeerd). Materiaalwetenschappers onderzoeken ook legeringen die scheuren en andere schade zelf aan door hun microstructuur te veranderen.Ze ontwikkelen ook coatings die corrosieschade kunnen elimineren (of op zijn minst verminderen).

Echter, niet alle metalen onderdelen worden weggegooid of vervangen omdat ze versleten of gecorrodeerd zijn. Ze moeten vaak wijken om economische redenen. Door ze elders te gebruiken zonder ze eerst om te smelten en vervolgens hetzelfde onderdeel opnieuw te produceren, zou ook veel energie worden bespaard. "Om passende recyclingketens te creëren, passende stimulansen moeten op politiek niveau worden vastgesteld, ' zegt Dierk Raabe.

Energiezuinig door lichtgewicht constructie en betere temperatuurbestendigheid

De ecobalans van metalen producten zelf kan worden verbeterd door ze zo lang mogelijk te gebruiken. Echter, energie kan ook worden bespaard als het ontwerp van de materialen en componenten dienovereenkomstig wordt geoptimaliseerd. Bijvoorbeeld, auto's met een lichtere carrosserie verbruiken minder brandstof, en turbines die bij hogere temperaturen kunnen werken, wekken efficiëntere elektriciteit op uit de warmte van fossiele brandstoffen. In sommige gevallen, de efficiëntie van de applicatie kan nog worden verbeterd door het ontwerp van de componenten; 3D-printen creëert hier nieuwe mogelijkheden. Vaak, echter, metallurgen worden opnieuw opgeroepen om geschikte legeringen te ontwikkelen. Door de samenstelling en de microstructuur te veranderen, ze kunnen de sterkte van de materialen verhogen, hun dichtheid verminderen, of verhogen hun weerstand tegen hoge temperaturen.

"Metalen materialen zijn onmisbaar in een moderne economie, " vat Dierk Raabe samen. "Gelukkig, we hebben tal van mogelijkheden om ze geschikt te maken voor een duurzame – en vooral CO ₂ -neutraal-economie."