材料科学
『ShAPE』による金属廃棄物のアップサイクルがリサイクル習慣を変える可能性があります
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より良いリサイクル
産業文明が時間と規模の両面で進展するにつれ、資源利用の最適化が必要であることが明らかになります。その一つの活動が金属リサイクルであり、理論上は金属材料は無限にリサイクル可能です。
実際にはそれほど単純ではなく、金属を含む多くの廃棄物流はさまざまな金属が複雑に混ざっています。廃棄物が合金である場合もあり、リサイクル製品内で異なる金属を混合し、それらを分離するだけでも非常に複雑でコストがかかることがあります。
このため問題が生じます。金属混合物をそのまま再利用すると、純粋な鉱石から作られた金属に比べて曲がりやすく破損しやすい劣化した製品になり、最終ユーザーにとって潜在的に危険です。
例えば、アルミニウムのスクラップをリサイクルするには、40％の新たに採掘・精錬されたアルミニウムと混合する必要があります。これは助けになりますが、明らかに「真の」リサイクルとは言えません。
このため、Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) の研究者は、ShAPE（Shear Assisted Processing and Extrusion） と呼ばれる新しい手法を開発しました。彼らはその仕組みと、Nature Communications誌で「Upcycled high‑strength aluminum alloys from scrap through solid‑phase alloying1」というタイトルの下で、アルミニウムの100％リサイクル率を実現できる理由を発表しました。
アルミニウムリサイクルの課題
アルミニウムに関しては、金銭的コストとエネルギーコスト、さらにはさまざまなCO2排出量の大部分が、高融点の金属であるアルミニウムを完全に再溶解しなければならないことに起因しています。
これは、リサイクルされたアルミニウムに鉄の塊などの微小な不純物が含まれているためで、満足できる製品を作るためには新しいアルミニウムで希釈する必要があります。
ShAPE
標準的なアルミニウム製品を作るだけで多くのエネルギーと追加の新鉱石を消費する代わりに、PNNLの研究者はすべての中間工程を省いたより優れたアルミニウム合金を作る方法を見つけました。
このプロセスは、選別、溶解、鋳造の工程を直接省略します。その代わりに、英国のWelding Instituteが1993年に開発した「solid‑phase extrusion（固相押出）」と呼ばれる工程にアルミニウムスクラップを直接投入します。
固相押出は熱ではなく摩擦で金属を溶かすため、はるかに少ないエネルギーで非常に均一な混合物が得られます。以下の短い動画で実際の様子をご覧ください：
この機械は、1分間に500回回転し、2,200フットポンドのトルクを持つ回転ヘッドを備えています。機械の反対側には、回転ヘッドに対して20万ポンドの力を加えることができる油圧プレスが搭載されています。
アルミニウムスクラップは銅（Cu）粉、亜鉛（Zn）粉、そしてZK60マグネシウム（Mg）リボンと混合されます。均一に混合されると、数分で高強度のアルミニウム合金製品が形成されます。対照的に、従来のアルミニウムリサイクルプロセスは数日かかります。
この手法全体でもエネルギー消費が50％削減されます。
出典: PNNL
優れた構造と性能
顕微鏡で分析すると、新しい手法は根本的に異なる金属構造を示します。アップサイクルされた材料は、従来のリサイクルアルミニウム（43.1 µm）に比べてはるかに小さな結晶粒（7.7 µm）を示します。
これは、ShAPEの過程でGuinier‑Preston帯と呼ばれる原子スケールの特徴が合金内部に形成されることを証明しています。これらの特徴は金属合金の強度向上に寄与することがよく知られています。
その結果、アップサイクルされた金属は機械的応力に対する耐性が通常のリサイクル合金の200％に達し、優れた性能を直接実現します。
この手法によるもう一つの改善点は、アルミニウムプロファイルやチューブ、その他の金属部品の製造が固体状態で行われるため、従来の溶解工程では実現できなかった新しいタイプの合金開発に役立つ可能性があることです。
固相合金化は、想像できるあらゆる金属組み合わせに理論的に適用可能であり、製造が完全に固体状態で行われるという事実は、これまで作れなかった全く新しい合金を検討し始めることを可能にします。
Cindy Powell – PNNL エネルギー・環境部門 チーフサイエンス＆テクノロジーオフィサー
リサイクルアルミニウムを超えて
この技術は、分別やリサイクルが困難な他の金属にも応用できる可能性があります。
また、より強靭で安全な自動車構造など、優れた性能を持つ合金の製造や、同じ結果を得るために使用する材料量を削減することにも利用できます。
同様の手法は、他の固相製造プロセスにも拡張できる可能性があります。たとえば、cold sprayやfriction stir welding & processingなどです。
「スクラップをアップサイクルできることは興奮すべきことですが、この研究で最も私をワクワクさせるのは、固相合金化がアルミニウム合金や廃棄原料に限定されないことです。」
Cindy Powell – PNNL エネルギー・環境部門 チーフサイエンス＆テクノロジーオフィサー
金属3Dプリンティング
最後に、この手法は金属3Dプリンター用の高品質なフィード素材を作成するために利用できる可能性があります。
この手法は、特定量の追加金属を正確に加えるため、付加製造における特定のニーズに合わせたカスタマイズ合金の作成に利用できます。
改善された3D構造は、最終的な3Dプリント製品をさらに強固にすることにも寄与すると考えられます。
「ワイヤー式付加製造用にカスタマイズされた組成のフィードワイヤーを入手するのは困難です。固相合金化は、銅2％や銅5％といった正確な組成のカスタマイズ合金を製造する素晴らしい方法です。」
Xiao Li – PNNL 材料科学者
アルミニウムリサイクル企業
Radius Recycling
リサイクルの改善に向けた新しい手法が開発される中、業界の既存プレーヤーは一次生産者から市場シェアを奪うことで利益を得る立場にあります。
私たちがますます多くの材料をリサイクルし、暖房や輸送の電化に向かうにつれて、リサイクル企業の業務量は緩やかに、しかし確実に増加すると見込まれます。金属リサイクル市場は2024年の9150億ドルから2033年には1.29兆ドルへ、年平均成長率3.9％で拡大すると予測されています。
Radius Recyclingは1906年に設立され、現在3,500人以上の従業員を雇用しています。カナダと米国全土に100以上の金属・自動車リサイクル拠点と、1つの鉄鋼製造拠点を持ち、地域最大級の金属リサイクラーの一つです。
出典: Radius Recycling
同社は以下の両方を処理します：
- 鉄系金属（鉄を含む）で、ケーブル、ドラム、金属屋根、自転車、自動車、家電製品などがあります。
- 非鉄系金属：アルミニウム、銅、ステンレス鋼、亜鉛、鉛酸バッテリー、ワイヤー、コイル、電動モーター、ラジエーターなど。
非鉄部門では、最大の金属は銅とアルミニウムです。
出典: Radius Recycling
同社は、株主（1993年の上場以降、四半期ごとに配当を支払っており、本稿執筆時点での利回りは4.5％）への資本配分、負債コストの管理、成長への再投資（米国西海岸に新たに2つの回収センターを含む）をバランスさせています。
全体として、同社はリサイクル産業と循環型経済へのエクスポージャー、安定した配当収入、北米市場に焦点を当てた活動を求める投資家にとって有望な選択肢です。
研究参考文献：
1. Wang, T., Li, X., Li, Z., et al. (2024). スクラップからの固相合金化による高強度アルミニウム合金のアップサイクル. Nature Communications, 15, 10664. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53062-2
