Oppgradering av metallavfall med ‘ShAPE’ kan endre våre resirkuleringsvaner

Bedre resirkulering

Etter hvert som den industrielle sivilisasjonen utvikler seg i tid og omfang, blir det tydelig at vi må optimalisere vår ressursutnyttelse. En slik aktivitet er metallresirkulering, hvor metallbasert materiale i teorien kan resirkuleres uendelig.

I praksis er dette ikke så enkelt, da de fleste avfallsstrømmer med metall inneholder en kompleks blanding av ulike metaller. Noen ganger skyldes det at avfallet er en legering, og noen ganger ville det å bare blande de ulike metallene i det resirkulerte produktet og sortere dem ut være for komplekst og/eller kostbart.

Dette skaper et problem; bare gjenbruk av denne metallblandingen vil gi mindre holdbare produkter som lettere bøyes eller brekker enn metall laget av fersk malm, noe som potensielt kan være farlig for sluttbrukerne.

For eksempel må aluminiumsavfall blandes med 40 % nyutvunnet og raffinert aluminium for å kunne resirkuleres. Dette hjelper, men det er åpenbart ikke «ekte» resirkulering.

Dette er grunnen til at forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har utviklet en ny metode, kalt ShAPE (Shear Assisted Processing and Extrusion). De publiserte hvordan den fungerer og hvorfor den kan muliggjøre en 100 % aluminiumresirkuleringsrate i tidsskriftet Nature Communications, under tittelen «Upcycled high‑strength aluminum alloys from scrap through solid‑phase alloying¹».

Aluminiumresirkuleringsproblemer

Når det gjelder aluminium, kommer de fleste kostnadene, både penger og energi, samt de ulike CO₂‑utslippene, fra at man må smelte aluminium fullstendig tilbake, et metall med et høyt smeltepunkt.

Dette må gjøres fordi resirkulert aluminium inneholder små urenheter, som klumper av jern. Disse må fortynnes med ferskt aluminium for å skape et tilfredsstillende produkt.

ShAPE

I stedet for å bruke mye energi og ekstra fersk malm bare for å lage et standard aluminiumprodukt, fant PNNL‑forskerne en måte å lage en bedre aluminiumlegering uten alle de mellomliggende trinnene.

Denne prosessen hopper direkte over sorterings‑, smelte‑ og støpeprosessen. I stedet mates aluminiumsavfallet direkte inn i en prosess kalt «solid‑phase extrusion», utviklet i 1993 av Welding Institute i Storbritannia.

Solid‑phase extrusion bruker friksjon i stedet for varme for å smelte metallet, noe som gir en svært homogen blanding til tross for at den bruker mye mindre energi. Du kan se den i aksjon i den korte videoen nedenfor:

Maskinen har et roterende hode som roterer 500 ganger per minutt med 2 200 foot‑pound dreiemoment. Den andre enden av maskinen inneholder en hydraulisk presse som kan påføre 200 000 pund kraft mot det roterende hodet.

Kilde: Nature Communications

Aluminiumsavfallet blandes med kobber (Cu) pulver, sink (Zn) pulver og ZK60 magnesium (Mg) bånd. Når de blandes jevnt, danner de et høystyrke aluminiumlegeringsprodukt på få minutter. Til sammenligning tar den tradisjonelle aluminiumresirkuleringsprosessen flere dager.

Hele metoden bruker også 50 % mindre energi.

Kilde: PNNL

Overlegen struktur og ytelse

Når den analyseres under et mikroskop, viser den nye metoden en radikalt annerledes metallisk struktur. Det oppsirkulerte materialet har mye mindre korn (7,7 µm) sammenlignet med tradisjonelt resirkulert aluminium (43,1 µm).

Kilde: Nature Communications

Dette viser at under ShAPE dannes atomskala‑funksjoner kalt Guinier‑Preston‑soner (G‑P) i legeringen. Disse funksjonene er godt kjent for å forbedre styrken i metalllegeringer.

Dette fører direkte til overlegen ytelse for det oppsirkulerte metallet, med motstand mot mekanisk belastning 200 % høyere enn den normalt resirkulerte legeringen.

Kilde: Nature Communications

En annen forbedring som denne metoden gir, er at produksjonen av aluminiumprofiler, rør og andre metallkomponenter skjer i fast tilstand, noe som potensielt kan bidra til å utvikle en ny type legering som ikke vil fungere med de tradisjonelle smeltefasene.

Fast‑fase legering er teoretisk sett anvendelig på enhver metallkombinasjon du kan forestille deg, og det faktum at produksjonen skjer fullstendig i fast tilstand betyr at du kan begynne å vurdere helt nye legeringer som vi tidligere ikke har kunnet lage.

Cindy Powell – Chief science and technology officer for energy and environment at PNNL

Gå videre enn resirkulert aluminium

Denne teknikken kan brukes på andre metaller som er vanskelige å sortere eller resirkulere.

Den kan også brukes til å produsere legeringer med overlegen ytelse, som sterkere og sikrere bilkonstruksjoner, eller for å bruke mindre materiale for samme resultat.

Den samme metoden kan sannsynligvis også utvides til andre fast‑fase produksjonsprosesser, som cold spray eller friction stir welding & processing.

«Vår evne til å oppsirkulere skrap er spennende, men det som begeistrer meg mest med denne forskningen er at fast‑fase legering ikke bare er begrenset til aluminiumlegeringer og avfalls‑råmaterialer.

Cindy Powell – Chief science and technology officer for energy and environment at PNNL

Metall‑3D‑utskrift

Til slutt kan denne metoden brukes til å lage et høykvalitetsmateriale for metall‑3D‑skrivere.

Fordi metoden tilfører en viss mengde ekstra metaller på en presis måte, kan den brukes til å lage skreddersydde legeringer for spesifikke behov i additiv produksjon.

Den forbedrede 3D‑strukturen vil sannsynligvis også bidra til å gjøre det endelige 3D‑printede produktet ekstra sterkt.

«Det er vanskelig å skaffe mate‑tråder med tilpassede sammensetninger for tråd‑basert additiv produksjon. Fast‑fase legering er en fantastisk måte å produsere skreddersydde legeringer med eksakte sammensetninger som 2 % kobber eller 5 % kobber.»

Xiao Li – PNNL materials scientist

Aluminiumresirkuleringsselskap

Radius Recycling

Etter hvert som nye metoder for forbedret resirkulering utvikles, vil etablerte aktører i bransjen kunne dra nytte av å ta markedsandeler fra primærprodusenter.

Etter hvert som vi resirkulerer stadig mer materiale, og går over til elektrifisering av oppvarming og transport, vil arbeidsmengden for resirkuleringsselskaper vokse sakte men jevnt. Metallresirkuleringsmarkedet forventes å vokse fra $915 milliarder i 2024 til $1,29 billioner innen 2033, eller en CAGR på 3,9 %.

Radius Recycling ble grunnlagt i 1906 og har i dag over 3 500 ansatte. Selskapet har over 100 lokasjoner for metall- og bilresirkulering over hele Canada og USA, samt ett stålfremstillingsanlegg, noe som gjør det til en av regionens største metallresirkuleringsselskaper.

Kilde: Radius Recycling

Selskapet behandler begge:

• Jernholdige metaller, som inneholder jern, for eksempel kabler, trommer, metalltak, sykler, biler, hvitevarer osv.
• Ikke‑jernholdige metaller: aluminium, kobber, rustfritt stål, sink, bly‑syrebatterier, ledning, spoler, elektriske motorer, radiatorer osv.

I den ikke‑jernholdige segmentet er de største metallene kobber og aluminium.

Kilde: Radius Recycling

Selskapet balanserer sin kapitalallokering mellom aksjonærer (med utbytte betalt hver kvartal siden børsnoteringen i 1993 – med en avkastning på 4,5 % på tidspunktet for denne artikkelen), kontroll av gjeldskostnader, og reinvestering i vekst (inkludert 2 nye gjenvinningssentra på USAs vestkyst).

Alt i alt er selskapet et godt valg for investorer som søker eksponering mot resirkuleringsindustrien og den overordnede sirkulære økonomien, en stabil utbytteinntekt, og virksomhet fokusert på det nordamerikanske markedet.

Studierreferanse:

^{1. Wang, T., Li, X., Li, Z., et al. (2024). Oppsirkulerte høy‑styrke aluminiumlegeringer fra skrap gjennom fast‑fase legering. Nature Communications, 15, 10664. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53062-2}