Opgradering af metalaffald med ‘ShAPE’ kan ændre vores genbrugsvaner

Bedre genbrug

Efterhånden som den industrielle civilisation udvikler sig i tid og omfang, bliver det klart, at vi skal optimere vores ressourceudnyttelse. En sådan aktivitet er metalgenbrug, hvor metalbaseret materiale i teorien kan genanvendes uendeligt.

I praksis er det ikke så enkelt, da de fleste affaldsstrømme med metal indeholder en kompleks blanding af forskellige metaller. Nogle gange skyldes det, at affaldet er en legering, og nogle gange ville det blot at blande de forskellige metaller i det genanvendte produkt og sortere dem ud være for komplekst og/eller dyrt.

Dette skaber et problem; blot genbrug af denne metalblanding ville resultere i undermålsprodukter, som er mere tilbøjelige til at bøje eller gå i stykker end metal fremstillet af frisk malm, hvilket potentielt kan være farligt for slutbrugerne.

For eksempel skal aluminiumsaffald blandes med 40 % frisk udvundet og raffineret aluminium for at kunne genanvendes. Det hjælper, men det er åbenbart ikke “ægte” genbrug.

Det er derfor forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har udviklet en ny metode, kaldet ShAPE (Shear Assisted Processing and Extrusion). De offentliggjorde, hvordan den fungerer, og hvorfor den kan muliggøre en 100 % aluminiumgenbrugsrate i tidsskriftet Nature Communications, under titlen “Opgraderede højstyrke aluminiumslegeringer fra skrot gennem solid‑fase legering¹“.

Problemer med aluminiumgenbrug

Når det gælder aluminium, kommer de fleste omkostninger, både penge og energi, samt de forskellige CO₂‑udledninger, fra at skulle smelte aluminium helt ned igen, et metal med et højt smeltepunkt.

Dette er nødvendigt, fordi genanvendt aluminium indeholder små urenheder, såsom klumper af jern. Disse skal fortyndes med frisk aluminium for at skabe et tilfredsstillende produkt.

ShAPE

I stedet for at bruge meget energi og ekstra frisk malm blot for at fremstille et standard aluminiumprodukt, fandt PNNL‑forskerne en måde at skabe en bedre aluminiumlegering uden alle de mellemliggende trin.

Denne proces springer direkte over sorterings-, smelte- og støbeprocesserne. I stedet føres aluminiumsaffaldet direkte ind i en proces kaldet “solid‑phase extrusion”, udviklet i 1993 af Welding Institute i Storbritannien.

Solid‑phase extrusion bruger friktion i stedet for varme til at smelte metallet, hvilket giver en meget homogen blanding, selvom der bruges langt mindre energi. Du kan se det i aktion i den korte video nedenfor:

Maskinen har et roterende hoved, der drejer 500 gange pr. minut med 2.200 foot‑pounds drejningsmoment. Den anden ende af maskinen indeholder en hydraulisk presse, der kan udøve 200.000 pund kraft mod det roterende hoved.

Kilde: Nature Communications

Aluminiumsaffaldet blandes med kobber (Cu) pulver, zink (Zn) pulver og ZK60 magnesium (Mg) bånd. Når de er jævnt blandet, danner de et højstyrke aluminiumlegeringsprodukt på få minutter. Til sammenligning tager den traditionelle aluminiumgenbrugsproces dage.

Hele metoden forbruger også 50 % mindre energi.

Kilde: PNNL

Overlegen struktur & præstationer

Når den analyseres under et mikroskop, viser den nye metode en radikalt anderledes metallisk struktur. Det opgraderede materiale viser meget mindre korn (7,7 µm) sammenlignet med traditionelt genanvendt aluminium (43,1 µm).

Kilde: Nature Communications

Dette beviser, at under ShAPE dannes atomskala‑funktioner kaldet Guinier‑Preston‑zoner inden for legeringen. Disse funktioner er velkendte for at forbedre styrken i metallegeringer.

Det fører direkte til overlegen ydeevne for det opgraderede metal, med en modstand mod mekanisk belastning, der er 200 % højere end den normalt genanvendte legering.

Kilde: Nature Communications

En anden forbedring ved denne metode er, at produktionen af aluminiumprofiler, rør og andre metaldele foregår i fast tilstand, hvilket potentielt kan hjælpe med at udvikle en ny type legering, som ikke ville fungere med de traditionelle smeltefaser.

Solid‑fase legering er teoretisk anvendelig på enhver metalkombination, du kan forestille dig, og det faktum, at fremstillingen foregår fuldstændigt i fast tilstand, betyder, at du kan begynde at overveje helt nye legeringer, som vi tidligere ikke har kunnet fremstille.

Cindy Powell – Chief Science and Technology Officer for Energy and Environment hos PNNL

Gå videre end genanvendt aluminium

Denne teknik kunne anvendes på andre metaller, som er svære at sortere eller genanvende.

Den kunne også bruges til at fremstille legeringer med overlegen ydeevne, såsom stærkere, sikrere bilkonstruktioner, eller til at bruge mindre materiale for samme resultat.

Den samme metode kunne sandsynligvis også udvides til andre solid‑fase fremstillingsprocesser, såsom cold spray eller friction stir welding & processing.

“Vores evne til at opgradere skrot er spændende, men det, der begejstrer mig mest ved denne forskning, er, at solid‑fase legering ikke kun er begrænset til aluminiumlegeringer og affalds‑feedstocks.

Cindy Powell – Chief Science and Technology Officer for Energy and Environment hos PNNL

Metal 3D‑printning

Endelig kunne denne metode bruges til at skabe et højkvalitets feed til metal‑3D‑printere.

Fordi metoden tilfører en vis mængde ekstra metaller på en præcis måde, kan den bruges til at skabe skræddersyede legeringer til specifikke behov inden for additiv fremstilling.

Den forbedrede 3D‑struktur vil sandsynligvis også hjælpe med at gøre det endelige 3D‑printede produkt ekstra stærkt.

“Det er svært at skaffe feed‑tråde med tilpassede sammensætninger til trådbaseret additiv fremstilling. Solid‑fase legering er en fantastisk måde at producere skræddersyede legeringer med præcise sammensætninger som 2 % kobber eller 5 % kobber.”

Xiao Li – PNNL materialforsker

Aluminiumgenbrugsvirksomhed

Radius Recycling

Efterhånden som nye metoder til forbedret genbrug udvikles, vil etablerede aktører i branchen drage fordel ved at tage markedsandele fra primære producenter.

Efterhånden som vi genanvender mere og mere materiale, og vi går over til elektrificering af opvarmning og transport, er mængden af arbejde for genbrugsvirksomheder på vej til at vokse langsomt men støt. Metalgenbrugsmarkedet forventes at vokse fra $915 mia i 2024 til $1,29 bio i 2033, svarende til en årlig vækstrate på 3,9 %.

Radius Recycling blev grundlagt i 1906 og beskæftiger i dag over 3.500 medarbejdere. Virksomheden har i øjeblikket over 100 lokationer for metal‑ og bilgenbrug i hele Canada og USA samt én stålfremstillingsfacilitet, hvilket gør den til en af regionens største metalgenbrugere.

Kilde: Radius Recycling

Virksomheden behandler både:

• Jernholdige metaller, indeholdende jern, såsom kabler, tromler, metaltag, cykler, biler, husholdningsapparater osv.
• Ikke‑jernholdige metaller: aluminium, kobber, rustfrit stål, zink, bly‑syrebatterier, tråd, spoler, elektriske motorer, radiatorer osv.

I den ikke‑jernholdige segment er de største metaller kobber og aluminium.

Kilde: Radius Recycling

Virksomheden balancerer sin kapitalallokering mellem aktionærer (med en udbyttebetaling hver kvartal siden børsnoteringen i 1993 – med et udbytte på 4,5 % på tidspunktet for denne artikels skrivning), kontrol af gældsomkostninger og geninvestering i vækst (herunder to nye genvindingscentre på den amerikanske vestkyst).

Alt i alt er virksomheden et godt valg for investorer, der søger eksponering mod genbrugsindustrien og den overordnede cirkulære økonomi, en stabil udbytteindkomst og aktiviteter fokuseret på det nordamerikanske marked.

Studierreference:

^{1. Wang, T., Li, X., Li, Z., et al. (2024). Opgraderede højstyrke aluminiumslegeringer fra skrot gennem solid‑fase legering. Nature Communications, 15, 10664. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53062-2}