Ein Mixer für CO₂-freie Metallproduktion

Ein „Mixer“ für die Metallproduktion

Max-Planck-Team kombiniert die Gewinnung, Herstellung, Mischung und Verarbeitung von Metallen und Legierungen in einem einzigen, umweltfreundlichen Schritt.

10 % der globalen CO₂-Emissionen stammen aus der Metallproduktion. Allein um eine Tonne Eisen zu produzieren, werden zwei Tonnen CO₂ ausgestoßen. Bei der Produktion von einer Tonne Nickel, fallen sogar 14 t oder mehr CO₂ an. Dabei sind Eisen und Nickel für die Luft- und Raumfahrt, den Transport von flüssigem Wasserstoff und für die Energiewende von entscheidender Bedeutung. Aus ihnen entstehen sogenannte Invarlegierungen, die aufgrund ihrer geringen thermischen Ausdehnung, ideal für diese Anwendungsfelder sind.

Wie lassen sich solche Legierungen CO₂-frei und mit geringem Energieverbrauch herstellen? Dazu hat ein Team des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien eine radikal neue Strategie entwickelt [1]. In einem einzigen Prozessschritt und Reaktor werden die Metallgewinnung, das Legieren, also das Mischen, und die thermomechanische Verarbeitung integriert, sodass am Ende das fertige Material entsteht. Diese Methode ermöglicht die direkte Umwandlung von Erzen in anwendungsfähige Produkte.

Kompakt-Metallurgie spart bis zu 40% Energie und ist CO₂-frei

Wie lässt sich eine Legierung mit optimalen Eigenschaften energieeffizient und ohne CO₂-Emissionen herstellen? Die konventionelle Legierungsproduktion besteht seit mehr als 6000 Jahren und ist in der Regel ein dreistufiger Prozess: Zuerst wird Sauerstoff aus den Erzen entfernt, um das reine Metall zu erhalten. Dieser Schritt heißt Reduktion: Eisen- oder Nickelerz werden somit zu Metall reduziert. Danach werden mehrere Metalle oder andere Elemente erhitzt und verflüssigt, um sie miteinander zu vermischen, das sogenannte Legieren. Zum Schluss wird die Legierung thermomechanisch bearbeitet, also geschmiedet, gewalzt, erhitzt, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Jeder dieser Schritte ist energieintensiv, vor allem da die Erze und Metalle mehrmals erhitzt, verflüssigt und abgekühlt werden (Abb. 2 oben). Zudem wird bisher Kohlenstoff als Energieträger und Reduktionsmittel genutzt, was zu erheblichen CO₂-Emissionen führt.

Das Team rund im Shaolou Wei, Postdoktorand am Düsseldorfer Max-Planck-Institut, und Dierk Raabe, geschäftsführender Direktor des Instituts, hat zwei Aspekte der konventionellen Metallherstellung unter die Lupe genommen. Sie ersetzen den Kohlenstoff mit Wasserstoff als Energieträger und Reduktionsmittel und vermeiden so CO₂-Emissionen. Das einzige Nebenprodukt bei der Verwendung von Wasserstoff ist Wasser. Zusätzlich haben sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Thermodynamik und Kinetik von Eisen und Nickel angeschaut: Bei welcher Temperatur wird aus den Erzen Metall? Ab welcher Temperatur lassen sich Eisen und Nickel mischen, also legieren? Experimente und Berechnungen zeigen: 700 °C ist die ideale Temperatur, um den Sauerstoff aus den Erzen zu entfernen und beide Metalle zu einer Invarlegierung zuvermischen, ohne sie vollständig zu verflüssigen.

Die Verwendung von Wasserstoff anstelle von Kohlenstoff vermeidet nicht nur CO₂. Es werden auch direkt reine Metalle gewonnen, die beim konventionellen Legieren erst durch das Entfernen von Rest-Kohlenstoff resultieren. Dies spart Zeit und Energie. Da der gesamte Prozess ohne mehrmaliges Erhitzen und Abkühlen und nur bei 700 °C durchgeführt wird, einer vergleichsweise niedrigen Temperatur, wird ein enormer Anteil an Energie eingespart – bis zu 40 % gegenüber der konventionellen Metallproduktion. Und das Gute: Die mit dieser Methode hergestellten Invarlegierungen haben dieselbe geringe Wärmeausdehnung wie konventionell hergestellte Invarlegierungen und bieten aufgrund der verfeinerten Mikrostruktur, die aus diesem Verfahren resultiert, auch eine bessere mechanische Festigkeit.

Vom Labor zur Industrie

Im Labormaßstab funktioniert die neue Methode bereits. Um sie zur industriellen Anwendung zu bringen, muss das Forschungsteam drei zentrale Herausforderungen überwinden. Erstens: In der jetzigen Forschungsarbeit verwendeten die Wissenschaftler reine Oxide. In der Industrie hingegen werden günstigere, verunreinigte Oxide verwendet. Das heißt für das Max-Planck-Team, dass sie ihren Prozess anpassen müssen, um weiterhin dieselbe Qualität der Legierungen zu erhalten. Zweitens: Die Verwendung von reinem Wasserstoff im Reduktionsprozess ist zwar effektiv, aber für industrielle Anwendungen kostspielig. Das Team führt nun Experimente mit niedrigeren Wasserstoffkonzentrationen bei höheren Temperaturen durch, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Wasserstoffverbrauch und Energiekosten zu finden und den Prozess für die Industrie wirtschaftlicher zu machen. Drittens: Für industrielle Zwecke werden sehr feinporige Metalle gebraucht, die mit der neuen Methode nicht direkt, sondern mit einem zusätzlichen Schritt, dem Sintering, hergestellt werden müssten.

Kompaktmetallurgie auch für Turbinenstähle

Das neue Verfahren ist nicht nur für Invar-Legierungen interessant, sondern für alle Legierungen auf der Basis von Eisen, Nickel, Kupfer oder Kobalt. Im Fokus des Düsseldorfer Max-Planck-Teams stehen jetzt auch komplexe Legierungen, die aus mehr als fünf verschiedenen Elementen bestehen, sogenannte Hoch-Entropie-Legierungen. Diese werden zum Beispiel in Flugzeugturbinen und Elektromotoren eingesetzt. Eine weitere vielversprechende Richtung könnte die Verwendung von metallurgischen Abfällen, anstatt reiner Oxide, sein.

Mit der „Kompaktmetallurgie“ des Düsseldorfer Max-Planck-Teams lässt sich der ökologische Fußabdruck der Metallproduktion drastisch reduzieren und der Weg für eine grünere, nachhaltigere Zukunft in der Metallurgie ebnen.

Literaturhinweise