La producción de metales es responsable del 10% del CO global₂emisiones, y la producción de hierro emite dos toneladas de CO₂por cada tonelada de metal producida, y la producción de níquel emite 14 toneladas de CO₂por tonelada e incluso más, dependiendo del mineral utilizado.

Estos metales forman la base de aleaciones que tienen una baja expansión térmica, llamadas Invar.Son fundamentales para los sectores aeroespacial, de transporte criogénico, de energía y de instrumentos de precisión.

Reconociendo el costo ambiental, los científicos del Instituto Max Planck de Materiales Sostenibles (MPI-SusMat) han desarrollado un nuevo método para producir aleaciones Invar sin emitir CO.₂al mismo tiempo que se ahorra una gran cantidad de energía, lográndolo en un proceso de un solo paso que integra la extracción de metales, la aleación y el procesamiento termomecánico en un solo reactor y paso del proceso.

Su enfoque disuelve algunos de los límites clásicos entre la metalurgia extractiva y física, inspirando la conversión directa de óxidos a productos dignos de aplicación en una sola operación de estado sólido.Sus hallazgos sonpublicadoen el diarioNaturaleza.

La metalurgia en un solo paso ahorra energía y CO₂

"Nos preguntamos: ¿podemos producir una aleación con una combinación de propiedades y microestructura casi optimizada directamente a partir de minerales u óxidos con cero CO?₂¿Emisiones?", dice el Dr. Shaolou Wei, investigador Humboldt en MPI-SusMat y primer autor de la publicación.

La producción de aleaciones convencionales suele ser un proceso de tres pasos: primero, reducir los minerales a su forma metálica, luego mezclar elementos licuados para crear la aleación y, finalmente, aplicar tratamientos termomecánicos para lograr las propiedades deseadas.Cada uno de estos pasos consume mucha energía y depende del carbono como portador de energía y agente reductor, lo que genera una cantidad significativa de CO.₂emisiones.

"La idea clave es comprender la termodinámica y la cinética de cada elemento y utilizar óxidos con reducibilidad y mezclabilidad similares a alrededor de 700 °C", continúa el Dr. Wei. "Esta temperatura está muy por debajo del punto de fusión global, lo que aún nos permiteextraer metales de sus estados de óxido y mezclarlos en aleaciones mediante un solo paso de proceso en estado sólido sin recalentarlos".

A diferencia de los métodos convencionales en los que los minerales se reducen utilizando carbono, lo que da como resultado metales contaminados con carbono, el nuevo método del equipo utiliza hidrógeno como agente reductor."El uso de hidrógeno en lugar de carbono aporta cuatro ventajas clave", explica el profesor Dierk Raabe, director general de MPI-SusMat y autor correspondiente del estudio.

"En primer lugar, la reducción basada en hidrógeno sólo produce agua como subproducto, lo que significa cero CO₂emisiones.En segundo lugar, produce metales puros directamente, eliminando la necesidad de eliminar el carbono del producto final, ahorrando así tiempo y energía.En tercer lugar, realizamos el proceso a temperaturas comparativamente bajas, en estado sólido.En cuarto lugar, evitamos las frecuentes características de enfriamiento y recalentamiento de los procesos metalúrgicos convencionales".

Las aleaciones Invar resultantes producidas utilizando esta técnica no solo igualan las propiedades de baja expansión térmica de las aleaciones Invar producidas convencionalmente, sino que también ofrecen una resistencia mecánica superior debido al tamaño de grano refinado heredado naturalmente del proceso.

Ampliación a dimensiones industriales

Los científicos de Max Planck han demostrado que producir aleaciones Invar mediante un proceso rápido, libre de carbono y energéticamente eficiente no sólo es posible sino también muy prometedor.Sin embargo, ampliar este método para satisfacer las demandas industriales presenta tres desafíos clave:

En primer lugar, si bien los investigadores utilizaron óxidos puros para un estudio de prueba de concepto, las aplicaciones industriales probablemente implicarían óxidos convencionales cargados de impurezas.Esto introduce la necesidad de adaptar el proceso para manejar materiales menos refinados manteniendo la calidad de la aleación.

En segundo lugar, el uso de hidrógeno puro en el proceso de reducción, aunque eficaz, es costoso para operaciones a gran escala.El equipo ahora está realizando experimentos con concentraciones más bajas de hidrógeno a temperaturas elevadas para encontrar un equilibrio óptimo entre el uso de hidrógeno y los costos de energía, haciendo que el proceso sea más viable económicamente para la industria.

En tercer lugar, si bien el método actual utiliza sinterización sin presión, la producción de materiales a granel finamente gruesos a escala industrial probablemente requeriría la adición de pasos de prensado.La incorporación de la deformación mecánica en el mismo proceso podría mejorar aún más la integridad estructural del material y al mismo tiempo mantener la producción optimizada.

De cara al futuro, la versatilidad de este proceso de un solo paso abre nuevas posibilidades.Dado que el hierro, el níquel, el cobre y el cobalto pueden procesarse de esta manera, las aleaciones de alta entropía podrían ser el siguiente enfoque.Estas aleaciones, conocidas por su capacidad para mantener propiedades únicas en una amplia gama de composiciones, tienen potencial para desarrollar nuevos materiales, como aleaciones magnéticas blandas, ideales para aplicaciones de alta tecnología.

Otra dirección prometedora podría ser el uso de residuos metalúrgicos en lugar de óxidos puros.Al eliminar las impurezas de los materiales de desecho, este enfoque podría transformar los subproductos industriales en materia prima valiosa, mejorando aún más la sostenibilidad de la producción de metales.

Al eliminar la necesidad de altas temperaturas ycombustibles fósiles, este proceso de un solo paso basado en hidrógeno podría reducir drásticamente la huella ambiental de la producción de aleaciones, allanando el camino hacia un futuro más ecológico y sostenible en la metalurgia.