Dopo il ferro, il metallo più utilizzato:ogni anno in tutto il mondo vengono prodotte elettroliticamente 94 tonnellate di alluminio. Fino ad ora, l'elettricità per questo è arrivata da centrali idroelettriche, ma spesso anche da centrali elettriche convenzionali. In media, la produzione di una tonnellata di alluminio in Germania genera quindi più di otto tonnellate di CO 2 . Credito:123RF
Sei percento della CO . globale 2 emissioni—4.4. miliardi di tonnellate all'anno, sono attualmente prodotte dall'industria dell'acciaio e dell'alluminio. In un articolo di panoramica per la rivista Natura , Dierk Raabe, Direttore del Max-Planck-Institut für Eisenforschung di Düsseldorf, e scienziati del MIT di Cambridge, Massachusetts, delineano come l'immensa CO 2 l'ingombro nella produzione e nell'uso del metallo può essere ridotto. Da una parte, propongono misure che possono essere attuate rapidamente e con uno sforzo relativamente ridotto. D'altra parte, formulano obiettivi a lungo termine che possono essere raggiunti solo con l'aiuto di una ricerca di base completa.
Le società moderne difficilmente potrebbero funzionare senza metalli:solo 1,7 miliardi di tonnellate di acciaio e 94 milioni di tonnellate di alluminio vengono prodotti all'anno. Supportano letteralmente la produzione industriale, edifici, e dei trasporti, nonché l'approvvigionamento energetico, telecomunicazioni, e medicina. E entro il 2050, la quantità di materiali metallici prodotti e utilizzati annualmente potrebbe ancora una volta raddoppiare, e persino triplicare, per alcuni materiali. Però, l'estrazione di metalli dai minerali è estremamente energivora e produce enormi quantità di CO 2 emissioni, contribuendo così al cambiamento climatico. I produttori di acciaio e alluminio emettono il 30% dei gas serra emessi dalle aziende industriali di tutto il mondo. "Dobbiamo ridurre queste CO . industriali 2 emissioni, " dice Dierk Raabe. "E l'industria dei metalli può dare un contributo significativo." Anche perché le nazioni industriali vogliono essere in gran parte climaticamente neutre (cioè avere un CO positivo 2 saldo) dal 2050.
Crescente domanda di materiali metallici e diminuzione della CO 2 budget:per conciliare questi scenari, Dierk Raabe analizza come ridurre la CO 2 emissioni nell'industria metallurgica insieme ai ricercatori del MIT C. Cem Tasan e Elsa A. Olivetti. "Questo è un compito per entrambi, industria e ricerca di base, " dice lo scienziato Max Planck. "Per prima cosa, l'industria metallurgica ha già l'opportunità di ridurre efficacemente la CO 2 a breve termine. Però, ci sono ancora molte aree potenziali per la ricerca di base nello sviluppo di leghe sostenibili." Gli scienziati hanno così fatto luce su cinque campi in cui le aziende industriali e i ricercatori possono - e devono - attivarsi:
Più sostenibilità nella produzione e nella lavorazione
Per ridurre la CO 2 emissioni in produzione, l'industria deve riciclare più rottami. La fusione di un metallo consuma molta meno energia rispetto all'estrazione dal suo minerale. "Ciò vale soprattutto per i rifiuti prodotti nella stessa industria metallurgica perché si tratta di grandi quantità, e possono essere separati in modo relativamente omogeneo, "dice Dierk Raabe.
Nella produzione di metalli e loro leghe, CO 2 -sono sempre più richiesti processi neutri. In questo modo, i rispettivi minerali possono essere ridotti elettroliticamente direttamente ai metalli corrispondenti con elettricità rigenerata. Però, i metalli possono essere ottenuti anche in tutto o in parte con l'ausilio dell'idrogeno rigenerativo.
Le aziende possono anche risparmiare molta energia e quindi CO 2 durante la lavorazione dei metalli, soprattutto riducendo le notevoli perdite che si verificano in tutte le fasi. Per esempio, Il 40% dell'alluminio fuso viene perso prima ancora che sia diventato un foglio di metallo. Nel caso dell'acciaio, questo scarto ammonta al 25% all'inizio della lavorazione.
L'industria siderurgica guarda avanti verso un cambiamento sostenibile:il ferro è ancora largamente prodotto oggi negli altiforni e con il carbone come agente riducente. Nel futuro, inizialmente potrebbe essere utilizzato l'idrogeno prodotto in modo rigenerativo, ma a lungo termine gli altiforni dovrebbero addirittura essere sostituiti da celle per l'elettrolisi, se l'elettricità proviene da fonti rigenerative. Credito:123RF
La città come miniera:cernita e riciclo
Per poter aumentare la quota di metallo riciclato, il rottame deve essere meglio selezionato poiché una lega svolge la sua funzione solo se non contiene troppe impurità. Il riciclaggio necessita quindi di tecniche sofisticate per identificare, separato, pulire, e frantumare le leghe. Prima che questi processi siano perfezionati e competitivi, la ricerca per l'industria dei metalli potrebbe sviluppare leghe le cui proprietà non sono quasi o per niente influenzate dalle impurità. I metallurgisti si dedicano sempre più a migliorare le possibilità di riciclaggio.
Design in lega sostenibile per materiali riciclabili
Da una parte, i ricercatori stanno già studiando leghe per varie applicazioni le cui proprietà non sono significativamente influenzate dalle impurità. Però, devono prima capire come le più piccole tracce di altri elementi possono influenzare una lega in cui non dovrebbero effettivamente trovarsi. D'altra parte, gli scienziati dei materiali stanno perfezionando le possibilità di controllare il comportamento dei materiali metallici non solo per la loro composizione chimica ma anche per la loro micro e nanostruttura. Quando il numero di leghe che differiscono chimicamente diminuisce, diventa più facile separare e riciclare i rottami metallici. In una direzione simile, si stanno facendo sforzi per comporre leghe incrociate o unitarie. Tali leghe dovrebbero essere in grado di svolgere vari compiti per i quali sono stati precedentemente sviluppati materiali specializzati. "La ricerca sui materiali metallici sta affrontando un cambio di paradigma, " dice Dierk Raabe. "Finora, le leghe sono state ottimizzate per l'uso una tantum. Ancora, nel futuro, dovremo tenere maggiormente in considerazione la riciclabilità durante la progettazione della composizione e delle proprietà."
Maggiore durata grazie alla protezione dalla corrosione e all'uso ripetuto
L'impronta ecologica dell'industria metallurgica può essere drasticamente ridotta semplicemente rendendo più durevoli le leghe (oi componenti che ne derivano). Sarà necessario produrre meno metalli per sostituirli. "Soprattutto, la protezione dalla corrosione avrebbe un enorme effetto qui, " afferma Dierk Raabe. L'industria dei metalli e gli scienziati dei materiali si occupano di diversi tipi di corrosione a seconda del metallo coinvolto e dell'ambiente chimico in cui viene utilizzato un materiale. Si va dalla ruggine convenzionale o altre forme di corrosione elettrochimica all'usura causata da agenti meccanici pesanti stress e infragilimento da idrogeno. Gli sforzi per contrastarli sono vari quanto gli effetti corrosivi stessi. L'industria protegge molti metalli dalla decomposizione elettrochimica con anodi sacrificali (il cui materiale viene prima corroso). Gli scienziati dei materiali stanno anche studiando le leghe che guariscono le crepe e altri si danneggiano modificando la loro microstruttura e stanno anche sviluppando rivestimenti in grado di eliminare (o almeno mitigare) i danni da corrosione.
Corroso dall'idrogeno:nell'infragilimento da idrogeno, l'elemento perfora i metalli in modo che si formino crepe molto rapidamente e il materiale si rompa. Se l'idrogeno, le cui minuscole molecole penetrano in molti materiali, è sempre più utilizzato in futuro, questa forma di corrosione potrebbe diventare un problema ancora maggiore. Credito:MPI für Eisenforschung
Però, non tutti i componenti metallici vengono scartati o sostituiti perché usurati o corrosi. Spesso devono cedere per motivi economici. Usarli altrove senza prima fonderli e poi produrre di nuovo lo stesso componente farebbe anche risparmiare molta energia. "Al fine di creare adeguate catene di riciclaggio, incentivi adeguati devono essere fissati a livello politico, "dice Dierk Raabe.
Efficienza energetica grazie alla costruzione leggera e una migliore resistenza alla temperatura
L'ecobilancio degli stessi prodotti metallici può essere migliorato utilizzandoli il più a lungo possibile. Però, anche l'energia può essere risparmiata se il design dei materiali e dei componenti viene ottimizzato di conseguenza. Per esempio, le auto con carrozzeria più leggera consumano meno carburante, e le turbine che possono funzionare a temperature più elevate generano elettricità più efficiente dal calore dei combustibili fossili. In alcuni casi, l'efficienza dell'applicazione può ancora essere migliorata dal design dei componenti; La stampa 3D crea qui nuove possibilità. In molti casi, però, i metallurgisti sono chiamati ancora una volta a sviluppare leghe appropriate. Modificando la composizione e la microstruttura, possono aumentare la resistenza dei materiali, ridurre la loro densità, o aumentarne la resistenza alle alte temperature.
"I materiali metallici sono indispensabili in un'economia moderna, " riassume Dierk Raabe. "Fortunatamente, abbiamo numerose opportunità per renderli adatti a un'economia sostenibile e soprattutto CO 2 -neutro:economia."
