Aufwertung von Metallabfällen mit ‘ShAPE’ könnte unsere Recyclinggewohnheiten verändern

Besseres Recycling

Als die industrielle Zivilisation im Laufe der Zeit und des Umfangs fortschreitet, wird deutlich, dass wir unsere Ressourcennutzung optimieren müssen. Eine solche Aktivität ist das Metallrecycling, bei dem metallbasierte Materialien theoretisch endlos recycelbar sind.

In der Praxis ist das nicht so einfach, da die meisten Abfallströme mit Metallmaterial eine komplexe Mischung verschiedener Metalle enthalten. Manchmal stammt das aus einer Legierung, und manchmal wäre das Mischen der unterschiedlichen Metalle im recycelten Produkt und das anschließende Sortieren zu komplex und/oder kostspielig.

Das führt zu einem Problem; das bloße Wiederverwenden dieser Metallmischung würde minderwertige Produkte erzeugen, die eher biegen oder brechen als Metall aus frischem Erz, was potenziell gefährlich für die Endnutzer ist.

Zum Beispiel müssen Aluminiumabfälle, um recycelt zu werden, mit 40 % frisch abgebautem und raffiniertem Aluminium gemischt werden. Das hilft, ist aber offensichtlich kein „wahres“ Recycling.

Dies ist der Grund, warum Forscher am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) eine neue Methode entwickelt haben, die ShAPE (Shear Assisted Processing and Extrusion) genannt wird. Sie veröffentlichten, wie sie funktioniert und warum sie eine 100 %ige Aluminiumrecycling‑Rate ermöglichen kann, in der Zeitschrift Nature Communications unter dem Titel “Aufgewertete hochfeste Aluminiumlegierungen aus Schrott durch Festphasen‑Legierung¹“.

Probleme beim Aluminiumrecycling

Beim Aluminium entstehen die meisten Kosten, sowohl finanziell als auch energetisch, sowie die verschiedenen CO₂‑Emissionen, weil das Aluminium vollständig eingeschmolzen werden muss – ein Metall mit hohem Schmelzpunkt.

Das muss geschehen, weil recyceltes Aluminium kleine Verunreinigungen enthält, etwa Eisenklumpen. Diese müssen mit frischem Aluminium verdünnt werden, um ein zufriedenstellendes Produkt zu erhalten.

ShAPE

Anstatt viel Energie und zusätzliches frisches Erz zu verbrauchen, um nur ein Standard‑Aluminiumprodukt herzustellen, haben die PNNL‑Forscher einen Weg gefunden, eine bessere Aluminiumlegierung ohne all die Zwischenschritte zu erzeugen.

Dieser Prozess überspringt direkt die Sortier‑, Schmelz‑ und Guss‑Schritte. Stattdessen werden die Aluminiumabfälle direkt in einen Prozess namens „Festphasen‑Extrusion“ eingespeist, der 1993 vom Welding Institute im Vereinigten Königreich entwickelt wurde.

Festphasen‑Extrusion nutzt Reibung anstelle von Wärme, um das Metall zu schmelzen, was trotz deutlich geringerem Energieeinsatz zu einer sehr homogenen Mischung führt. Das kann im kurzen Video unten gesehen werden:

Die Maschine verfügt über einen rotierenden Kopf, der 500 Umdrehungen pro Minute mit 2 200 Fuß‑Pfund Drehmoment dreht. Das andere Ende der Maschine enthält eine hydraulische Presse, die 200 000 Pfund Kraft gegen den rotierenden Kopf ausüben kann.

Quelle: Nature Communications

Die Aluminiumabfälle werden mit Kupfer‑ (Cu) Pulver, Zink‑ (Zn) Pulver und ZK60‑Magnesium‑ (Mg) Bändern gemischt. Wenn sie einheitlich vermischt sind, bilden sie innerhalb von Minuten ein hochfestes Aluminiumlegierungsprodukt. Im Vergleich dazu dauert der traditionelle Aluminiumrecycling‑Prozess Tage.

Die gesamte Methode verbraucht zudem 50 % weniger Energie.

Quelle: PNNL

Überlegene Struktur & Leistungen

Unter dem Mikroskop analysiert zeigt die neue Methode eine radikal andere Metallstruktur. Das aufgewertete Material weist viel kleinere Körner (7,7 µm) auf, verglichen mit traditionell recyceltem Aluminium (43,1 µm).

Quelle: Nature Communications

Das beweist, dass während ShAPE atomskalige Merkmale, sogenannte Guinier‑Preston‑Zonen, innerhalb der Legierung entstehen. Diese Merkmale sind dafür bekannt, die Festigkeit von Metalllegierungen zu erhöhen.

Das führt direkt zu einer überlegenen Leistung des aufgewerteten Metalls, mit einer mechanischen Belastungsresistenz, die 200 % höher ist als bei der normalerweise recycelten Legierung.

Quelle: Nature Communications

Eine weitere Verbesserung dieser Methode ist, dass die Herstellung von Aluminiumprofilen, Rohren und anderen Metallteilen im Festkörper erfolgt, was potenziell die Entwicklung einer neuen Legierungsart ermöglicht, die mit den traditionellen Schmelzschritten nicht funktionieren würde.

Festphasen‑Legierung ist theoretisch auf jede Metallkombination anwendbar, die man sich vorstellen kann, und die Tatsache, dass die Fertigung vollständig im Festkörper stattfindet, bedeutet, dass man völlig neue Legierungen in Betracht ziehen kann, die wir bisher nicht herstellen konnten.

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

Über die reine Aluminiumrecycling‑Grenze hinaus

Diese Technik könnte für andere Metalle eingesetzt werden, die schwer zu sortieren oder zu recyceln sind.

Sie könnte auch zur Herstellung von Legierungen verwendet werden, die überlegene Leistungen bieten, etwa stärkere, sicherere Fahrzeugstrukturen, oder um mit weniger Material das gleiche Ergebnis zu erzielen.

Die gleiche Methode könnte wahrscheinlich auch auf andere Festphasen‑Fertigungsprozesse ausgeweitet werden, wie Cold Spray oder Friction Stir Welding & Processing.

„Unsere Fähigkeit, Schrott aufzuwerten, ist spannend, aber das, was mich an dieser Forschung am meisten begeistert, ist, dass Festphasen‑Legierung nicht nur auf Aluminiumlegierungen und Schrott‑Rohstoffe beschränkt ist.

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

Metall‑3D‑Druck

Schließlich könnte diese Methode verwendet werden, um hochwertiges Ausgangsmaterial für Metall‑3D‑Drucker zu erzeugen.

Da die Methode eine bestimmte Menge zusätzlicher Metalle präzise hinzufügt, kann sie zur Herstellung maßgeschneiderter Legierungen für spezifische Anforderungen in der additiven Fertigung genutzt werden.

Die verbesserte 3‑D‑Struktur wird voraussichtlich auch dazu beitragen, das endgültige 3‑D‑gedruckte Produkt besonders stark zu machen.

„Es ist schwierig, Drahtmaterial mit kundenspezifischen Zusammensetzungen für drahtbasierte additive Fertigung zu erhalten. Festphasen‑Legierung ist ein fantastischer Weg, maßgeschneiderte Legierungen mit genauen Zusammensetzungen wie 2 % Kupfer oder 5 % Kupfer zu produzieren.“

Xiao Li – PNNL Materials Scientist

Aluminium‑Recycling‑Unternehmen

Radius Recycling

Während neue Methoden für verbessertes Recycling entwickelt werden, können etablierte Akteure der Branche profitieren, indem sie Marktanteile von Primärproduzenten übernehmen.

Da wir immer mehr Material recyceln und gleichzeitig die Elektrifizierung von Heizung und Verkehr vorantreiben, wird das Arbeitsvolumen für Recyclingunternehmen langsam, aber stetig wachsen. Der Metallrecycling‑Markt wird voraussichtlich von 915 Mrd. $ im Jahr 2024 auf 1,29 Bio. $ bis 2033 wachsen, das entspricht einer CAGR von 3,9 %.

Radius Recycling wurde 1906 gegründet und beschäftigt derzeit über 3.500 Mitarbeiter. Es verfügt über mehr als 100 Standorte für Metall‑ und Automobilrecycling in ganz Kanada und den USA sowie einen Stahlproduktionsstandort, was es zu einem der größten Metallrecycler der Region macht.

Quelle: Radius Recycling

Das Unternehmen verarbeitet sowohl:

• Eisenhaltige Metalle, die Eisen enthalten, wie Kabel, Trommeln, Metalldächer, Fahrräder, Automobile, Haushaltsgeräte usw.
• Nichteisenhaltige Metalle: Aluminium, Kupfer, Edelstahl, Zink, Blei‑Säure‑Batterien, Draht, Spulen, Elektromotoren, Kühler usw.

Im nichteisenhaltigen Segment sind Kupfer und Aluminium die größten Metalle.

Quelle: Radius Recycling

Das Unternehmen balanciert seine Kapitalallokation zwischen Aktionären (mit einer vierteljährlich ausgeschütteten Dividende seit dem Börsengang 1993 – zum Zeitpunkt dieses Artikels bei einer Rendite von 4,5 %), der Kontrolle von Schuldenkosten und der Reinvestition in Wachstum (einschließlich 2 neuer Wiederaufbereitungszentren an der US‑Westküste).

Insgesamt ist das Unternehmen eine gute Wahl für Investoren, die eine Exponierung gegenüber der Recycling‑Industrie und der gesamten Kreislaufwirtschaft, ein stabiles Dividendeneinkommen und Aktivitäten mit Fokus auf den nordamerikanischen Markt suchen.

Studienreferenz:

^{1. Wang, T., Li, X., Li, Z., et al. (2024). Aufgewertete hochfeste Aluminiumlegierungen aus Schrott durch Festphasen‑Legierung. Nature Communications, 15, 10664. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53062-2}