Как сделать металлические материалы более экологичными
Шесть процентов глобальных выбросов CO₂ — 4,4 миллиарда тонн в год — в настоящее время производит сталелитейная и алюминиевая промышленность. В обзорной статье для журнала Nature директор Института исследований железа имени Макса Планка в Дюссельдорфе Дирк Раабе и учёные из MIT в Кембридже (Массачусетс) описывают, как можно сократить огромный углеродный след при производстве и использовании металлов. Они предлагают как меры, которые можно реализовать быстро и с относительно небольшими усилиями, так и долгосрочные цели, достижимые только с помощью фундаментальных исследований.
Ежегодно производится 1,7 миллиарда тонн стали и 94 миллиона тонн алюминия. Однако добыча металлов из руд крайне энергоёмка и производит огромное количество выбросов CO₂. На сталь и алюминий приходится 30% парниковых газов, выбрасываемых промышленными предприятиями мира. «Мы должны сократить эти промышленные выбросы CO₂, — говорит Дирк Раабе. — И металлургическая отрасль может внести значительный вклад».
Чтобы согласовать растущий спрос на металлы и сокращающийся углеродный бюджет, учёные выделили пять ключевых направлений для действий промышленности и науки:
Устойчивость в производстве и обработке. Необходимо увеличить переработку лома, так как его переплавка требует значительно меньше энергии, чем производство из руды. Также важно внедрять CO₂-нейтральные процессы, например, электролиз с использованием возобновляемой электроэнергии или восстановление водородом. Существенную экономию энергии даст сокращение потерь материала на этапе обработки, которые для алюминия достигают 40%, а для стали — 25%.
Город как рудник: сортировка и переработка. Для увеличения доли переработанного металла необходимы совершенные технологии сортировки лома. Параллельно исследования должны быть направлены на разработку сплавов, свойства которых мало зависят от примесей.
Устойчивый дизайн сплавов для вторичной переработки. Идёт сдвиг парадигмы: сплавы теперь необходимо проектировать с учётом их будущей переработки. Учёные исследуют возможность создания «универсальных» сплавов, способных выполнять различные функции, что упростит разделение и переработку лома.
Увеличение срока службы. Экологический след отрасли можно drastically сократить, повысив долговечность сплавов за счёт улучшенной защиты от коррозии и износа. Также важна организация цепочек повторного использования целых компонентов без их переплавки.
Энергоэффективность через легкие конструкции и термостойкость. Оптимизация дизайна материалов позволяет экономить энергию на этапе их эксплуатации (например, за счёт облегчения транспорта или повышения КПД турбин). Разработка новых сплавов с улучшенными свойствами играет здесь ключевую роль.
«Металлические материалы незаменимы в современной экономике, — резюмирует Дирк Раабе. — К счастью, у нас есть множество возможностей сделать их пригодными для устойчивой и, прежде всего, CO₂-нейтральной экономики».