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09.12.2019

Metallische Werkstoffe klimafreundlicher machen

Sechs Prozent der weltweiten CO2 -Emissionen gehen derzeit auf das Konto der Stahl- und Aluminiumindustrie – das sind jährlich 4,4 Milliarden Tonnen. Wie sich der immense CO2 -Fußabdruck bei der Metallherstellung und -verwendung reduzieren lässt, skizzieren Dierk Raabe, Direktor am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf, und Wissenschaftler des MIT in Cambridge (Massachusetts) in einem Übersichtsartikel für das Fachmagazin Nature. Sie schlagen dabei zum einen Maßnahmen vor, die sich rasch und mit vergleichsweise wenig Aufwand verwirklichen lassen, formulieren aber zum anderen langfristige Ziele, die nur mithilfe umfassender Grundlagenforschung zu erreichen sind.


Die Spuren des Recyclings: Aus der Legierung, die in dieser Atomsondentomografie dargestellt ist, werden Getränkedosen hergestellt. Sie darf neben Aluminium und Mangan auch kleinere Mengen von Eisen, Kupfer, Silizium und Zink enthalten. Nachdem das Material zu 90 Prozent sortenrein recycelt wurde, finden sich darin auch Spuren anderer Elemente, unter anderem von Vanadium und Chrom. Da diese Legierung ohnehin recht viele unterschiedliche Elemente enthält, untersuchen die Düsseldorfer Max-Planck-Forscher an ihr, ob sie auch weitere Elemente als Verunreinigungen verträgt und ob sie in wiederverwerteter Form auch für Dachplatten und andere Einsätze im Bau eingesetzt werden kann. Bei der Atomsondentomografie werden Atome einer Probe einzeln abgetragen und analysiert. So ergibt sich das Bild, in dem die Atome des Hauptbestandteils Aluminium in als kleine graue Punkte erscheinen, alle anderen Elemente als größere bunte Punkte. Bild: Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Die Spuren des Recyclings: Aus der Legierung, die in dieser Atomsondentomografie dargestellt ist, werden Getränkedosen hergestellt. Sie darf neben Aluminium und Mangan auch kleinere Mengen von Eisen, Kupfer, Silizium und Zink enthalten. Nachdem das Material zu 90 Prozent sortenrein recycelt wurde, finden sich darin auch Spuren anderer Elemente, unter anderem von Vanadium und Chrom. Da diese Legierung ohnehin recht viele unterschiedliche Elemente enthält, untersuchen die Düsseldorfer Max-Planck-Forscher an ihr, ob sie auch weitere Elemente als Verunreinigungen verträgt und ob sie in wiederverwerteter Form auch für Dachplatten und andere Einsätze im Bau eingesetzt werden kann. Bei der Atomsondentomografie werden Atome einer Probe einzeln abgetragen und analysiert. So ergibt sich das Bild, in dem die Atome des Hauptbestandteils Aluminium in als kleine graue Punkte erscheinen, alle anderen Elemente als größere bunte Punkte. Bild: Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Auch bei der Verarbeitung von Metallen können Unternehmen viel Energie und damit CO2 sparen, vor allem indem sie die beträchtlichen Verluste vermindern, die es hier in allen Stadien gibt. So gehen 40 Prozent des geschmolzenen Aluminiums verloren, bevor daraus überhaupt ein Blech geworden ist, beim Stahl beträgt dieser Ausschuss ganz am Anfang der Verarbeitung immerhin 25 Prozent.

Die Stadt als Mine: Sortieren und Wiederverwerten

Um den Anteil von wiederverwertetem Metall erhöhen zu können, muss Schrott besser sortiert werden. Denn eine Legierung erfüllt ihre Aufgabe nur, wenn sie nicht zu stark verunreinigt ist. Daher benötigen Recycling-Unternehmen aufwändige Techniken, mit denen sie Legierungen identifizieren, trennen, reinigen und zerkleinern können. Bevor diese Verfahren perfektioniert und konkurrenzfähig sind, könnte die Forschung für die Metallindustrie Legierungen entwickeln, deren Eigenschaften von Verunreinigungen kaum oder gar nicht beeinträchtigt werden. Die Möglichkeiten des Recyclings zu verbessern, ist eine Aufgabe, der sich Metallurgen inzwischen verstärkt widmen.

Nachhaltiges Legierungsdesign für Recycling-freundliche Materialien

Zum einen untersuchen Forscher bereits jetzt Legierungen für unterschiedliche Anwendungen, deren Eigenschaften von Verunreinigungen nicht nennenswert beeinträchtigt werden. Zu diesem Zweck müssen sie aber zunächst verstehen, wie sich kleinste Spuren von anderem Elementen in einer Legierung auswirken, in der sie eigentlich nicht vorkommen sollten. Zum anderen verfeinern Materialwissenschaftler die Möglichkeiten, das Verhalten von metallischen Werkstoffen nicht nur über deren chemische Zusammensetzung zu steuern, sondern auch über deren Mikro- und Nanostruktur. Wenn die Zahl von Legierungen, die sich chemisch unterscheiden, sinkt, wird es nämlich leichter, Metallschrott zu trennen und wiederzuverwerten. In eine ähnliche Richtung zielen Anstrengungen, Crossover- oder Einheitslegierungen zu komponieren.

Solche Legierungen sollen verschiedene Aufgaben, für die bislang jeweils spezialisierte Materialien entwickelt werden, erfüllen können. „Die Forschung an metallischen Werkstoffen steht hier vor einem Paradigmenwechsel“, sagt Dierk Raabe. „Bislang wurden Legierungen für eine einmalige Verwendung optimiert, künftig müssen wir beim Design der Zusammensetzung und der Eigenschaften mehr und mehr auch die Wiederverwertbarkeit berücksichtigen.“

Langlebigkeit durch Korrosionsschutz und mehrmalige Nutzung

Drastisch verkleinern lässt sich der ökologische Fußabdruck der Metallindustrie alleine dadurch, dass Legierungen beziehungsweise die Bauteile, die aus ihnen gefertigt werden, langlebiger werden. Denn dann müssen schlicht weniger Metalle hergestellt werden, um sie zu ersetzen. „Vor allem der Korrosionsschutz hätte hier eine enorme Wirkung“, sagt Dierk Raabe.


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Unternehmensinformation

Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Max-Planck-Str. 1
DE 40237 Düsseldorf
Tel.: 0211-6792-542

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