Forscher des Max-Planck-Instituts für nachhaltige Materialien (MPI-SusMat) haben ein vielversprechendes Verfahren entwickelt, das die Herstellung von Invar-Legierungen signifikant verbessern kann. Diese Legierungen sind essenziell für Sektoren wie Luft- und Raumfahrt, die Energiewende sowie die Produktion von Präzisionsinstrumenten.
Die in der Zeitschrift Nature veröffentlichte Studie beschreibt ein einstufiges, kohlenstofffreies Verfahren, das den Energieverbrauch erheblich reduziert.
Verbesserte mechanische Eigenschaften, weniger Energieverbrauch
Die Metallproduktion trägt weltweit mit etwa 10 % zu den globalen CO₂-Emissionen bei. Bei der Eisenproduktion werden beispielsweise zwei Tonnen CO₂ pro produzierter Tonne Metall freigesetzt; bei der Nickelherstellung können je nach Erzart bis zu 14 Tonnen CO₂ pro Tonne anfallen.
Das neue Verfahren des MPI-SusMat integriert Extraktion, Legierungsbildung und thermomechanische Verarbeitung in einem einzigen Reaktor und Prozessschritt, wobei Wasserstoff statt Kohlenstoff als Reduktionsmittel verwendet wird.
Professor Dierk Raabe, Geschäftsführer am MPI-SusMat und korrespondierender Autor der Studie, erläutert die Vorteile der neuen Methode:
„Erstens fällt bei der wasserstoffbasierten Reduktion nur Wasser als Nebenprodukt an, so dass keine CO2-Emissionen entstehen. Zweitens werden direkt reine Metalle gewonnen, sodass der Kohlenstoff nicht aus dem Endprodukt entfernt werden muss, was Zeit und Energie spart. Drittens führen wir den Prozess bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen durch, im festen Zustand. Viertens vermeiden wir das häufige Abkühlen und Wiederaufheizen, das bei herkömmlichen metallurgischen Verfahren erforderlich ist.“
Die durch dieses Verfahren hergestellten Invar-Legierungen sind nicht nur umweltfreundlicher, sondern bieten auch verbesserte mechanische Eigenschaften, wie etwa eine gesteigerte Festigkeit durch feinere Korngrößen – ein direkter Vorteil dieses Verfahrens.
Potenzial für zukünftige Anwendungen und Nachhaltigkeit
Die Überführung dieses Verfahrens aus dem Labor- in den industriellen Maßstab ist allerdings mit Herausforderungen verbunden. Insbesondere die Verwendung weniger reiner, industrieller Oxide und die ökonomischen Aspekte des Wasserstoffeinsatzes stellen noch zu bewältigende Hürden dar.
Das Institut untersucht derzeit Prozessvarianten mit unterschiedlichen Wasserstoffkonzentrationen, um eine optimale Balance zwischen Verbrauch und Kosten zu erzielen.
Zukünftige Anwendungen der Technologie könnten die Herstellung von hochentropischen Legierungen sowie das Recycling von metallurgischen Abfällen zu neuen wertvollen Materialien umfassen, was die Nachhaltigkeit in der Materialwissenschaft weiter erhöhen würde.
Diese Entwicklung könnte einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung des Kohlenstoffausstoßes in der metallverarbeitenden Industrie leisten und möglicherweise zu einem Paradigmenwechsel in Richtung umweltfreundlicherer Technologien in Legierung-abhängigen Schwerindustrien führen.
