धातु उत्पादन वैश्विक CO के 10% के लिए जिम्मेदार है₂उत्सर्जन, लौह उत्पादन के साथ दो टन CO का उत्सर्जन होता है₂उत्पादित प्रत्येक टन धातु और निकल उत्पादन से 14 टन CO का उत्सर्जन होता है₂प्रति टन और इससे भी अधिक, प्रयुक्त अयस्क पर निर्भर करता है।

ये धातुएँ मिश्रधातुओं का आधार बनती हैं जिनका तापीय विस्तार कम होता है, जिन्हें इन्वार कहा जाता है।वे एयरोस्पेस, क्रायोजेनिक परिवहन, ऊर्जा और सटीक उपकरण क्षेत्रों के लिए महत्वपूर्ण हैं।

पर्यावरणीय नुकसान को पहचानते हुए, मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर सस्टेनेबल मैटेरियल्स (एमपीआई-सुसमैट) के वैज्ञानिकों ने अब सीओ उत्सर्जित किए बिना इन्वार मिश्र धातुओं का उत्पादन करने के लिए एक नई विधि विकसित की है।₂बड़ी मात्रा में ऊर्जा की बचत करते हुए - इसे एकल-चरणीय प्रक्रिया में प्राप्त करना जो धातु निष्कर्षण, मिश्रधातु और थर्मोमैकेनिकल प्रसंस्करण को एक ही रिएक्टर और प्रक्रिया चरण में एकीकृत करता है।

उनका दृष्टिकोण निष्कर्षण और भौतिक धातु विज्ञान के बीच कुछ शास्त्रीय सीमाओं को भंग कर देता है, जो एक एकल ठोस-अवस्था ऑपरेशन में ऑक्साइड से अनुप्रयोग-योग्य उत्पादों में सीधे रूपांतरण को प्रेरित करता है।उनके निष्कर्ष हैंप्रकाशितजर्नल मेंप्रकृति.

वन-स्टेप-मेटलर्जी ऊर्जा और CO बचाता है₂

"हमने खुद से पूछा: क्या हम शून्य सीओ वाले अयस्कों या ऑक्साइड से सीधे निकट-अनुकूलित सूक्ष्म संरचना-संपत्ति संयोजन के साथ एक मिश्र धातु का उत्पादन कर सकते हैं?₂उत्सर्जन?" एमपीआई-सुसमैट में हम्बोल्ट रिसर्च फेलो और प्रकाशन के पहले लेखक डॉ. शाओलोउ वेई कहते हैं।

पारंपरिक मिश्र धातु उत्पादन आमतौर पर तीन चरणों वाली प्रक्रिया है: सबसे पहले, अयस्कों को उनके धात्विक रूप में कम करना, फिर तरल तत्वों को मिलाकर मिश्र धातु बनाना, और अंत में वांछित गुणों को प्राप्त करने के लिए थर्मोमैकेनिकल उपचार लागू करना।इनमें से प्रत्येक चरण ऊर्जा-गहन है और ऊर्जा वाहक और कम करने वाले एजेंट दोनों के रूप में कार्बन पर निर्भर करता है, जिसके परिणामस्वरूप महत्वपूर्ण CO उत्पन्न होती है₂उत्सर्जन.

डॉ. वेई आगे कहते हैं, "मुख्य विचार प्रत्येक तत्व के थर्मोडायनामिक्स और कैनेटीक्स को समझना और लगभग 700 डिग्री सेल्सियस पर समान रिड्यूसिबिलिटी और मिश्रण क्षमता वाले ऑक्साइड का उपयोग करना है," यह तापमान थोक पिघलने बिंदु से काफी नीचे है, जो अभी भी हमें अनुमति देता है।धातुओं को उनकी ऑक्साइड अवस्था से निकालें और बिना दोबारा गर्म किए एक एकल ठोस-अवस्था प्रक्रिया चरण के माध्यम से मिश्रधातु में मिलाएं।"

पारंपरिक तरीकों के विपरीत जहां अयस्कों को कार्बन का उपयोग करके कम किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप कार्बन-दूषित धातुएं बनती हैं, टीम की नई विधि कम करने वाले एजेंट के रूप में हाइड्रोजन का उपयोग करती है।एमपीआई-सुसमैट के प्रबंध निदेशक और अध्ययन के संबंधित लेखक प्रोफेसर डिएर्क राबे बताते हैं, "कार्बन के बजाय हाइड्रोजन का उपयोग करने से चार प्रमुख फायदे होते हैं।"

"सबसे पहले, हाइड्रोजन-आधारित कमी से उपोत्पाद के रूप में केवल पानी उत्पन्न होता है, जिसका अर्थ है शून्य CO₂उत्सर्जन.दूसरा, यह सीधे शुद्ध धातु उत्पन्न करता है, जिससे अंतिम उत्पाद से कार्बन हटाने की आवश्यकता समाप्त हो जाती है, जिससे समय और ऊर्जा की बचत होती है।तीसरा, हम प्रक्रिया को तुलनात्मक रूप से कम तापमान पर, ठोस अवस्था में करते हैं।चौथा, हम पारंपरिक धातुकर्म प्रक्रियाओं की बार-बार ठंडा होने और दोबारा गर्म होने की विशेषताओं से बचते हैं।"

इस तकनीक का उपयोग करके उत्पादित परिणामी इन्वार मिश्र न केवल पारंपरिक रूप से उत्पादित इन्वार मिश्र धातुओं के कम तापीय विस्तार गुणों से मेल खाते हैं, बल्कि प्रक्रिया से स्वाभाविक रूप से विरासत में मिले परिष्कृत अनाज के आकार के कारण बेहतर यांत्रिक शक्ति भी प्रदान करते हैं।

औद्योगिक आयामों तक उन्नयन

मैक्स प्लैंक वैज्ञानिकों ने प्रदर्शित किया है कि तेज़, कार्बन-मुक्त और ऊर्जा-कुशल प्रक्रिया के माध्यम से इन्वार मिश्र धातुओं का उत्पादन न केवल संभव है, बल्कि अत्यधिक आशाजनक भी है।हालाँकि, औद्योगिक माँगों को पूरा करने के लिए इस पद्धति का विस्तार तीन प्रमुख चुनौतियाँ प्रस्तुत करता है:

सबसे पहले, जबकि शोधकर्ताओं ने अवधारणा के प्रमाण के अध्ययन के लिए शुद्ध ऑक्साइड का उपयोग किया था, औद्योगिक अनुप्रयोगों में संभवतः पारंपरिक, अशुद्धता से भरे ऑक्साइड शामिल होंगे।यह मिश्र धातु की गुणवत्ता को बनाए रखते हुए कम परिष्कृत सामग्रियों को संभालने के लिए प्रक्रिया को अनुकूलित करने की आवश्यकता का परिचय देता है।

दूसरा, कटौती प्रक्रिया में शुद्ध हाइड्रोजन का उपयोग, हालांकि प्रभावी है, बड़े पैमाने के संचालन के लिए महंगा है।टीम अब हाइड्रोजन के उपयोग और ऊर्जा लागत के बीच एक इष्टतम संतुलन खोजने के लिए ऊंचे तापमान पर कम हाइड्रोजन सांद्रता के साथ प्रयोग कर रही है, जिससे यह प्रक्रिया उद्योग के लिए आर्थिक रूप से अधिक व्यवहार्य हो जाएगी।

तीसरा, जबकि वर्तमान विधि दबाव मुक्त सिंटरिंग का उपयोग करती है, औद्योगिक पैमाने पर बारीक मोटे थोक सामग्री का उत्पादन करने के लिए संभवतः दबाने वाले चरणों को जोड़ने की आवश्यकता होगी।उसी प्रक्रिया में यांत्रिक विरूपण को शामिल करने से उत्पादन को सुव्यवस्थित रखते हुए सामग्री की संरचनात्मक अखंडता को और बढ़ाया जा सकता है।

आगे देखते हुए, इस एक-चरणीय प्रक्रिया की बहुमुखी प्रतिभा नई संभावनाओं को खोलती है।चूँकि लोहा, निकल, तांबा और कोबाल्ट सभी को इस तरह से संसाधित किया जा सकता है, इसलिए उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु अगला फोकस हो सकता है।ये मिश्रधातुएं, जो विभिन्न प्रकार की रचनाओं में अद्वितीय गुणों को बनाए रखने की अपनी क्षमता के लिए जानी जाती हैं, नई सामग्रियों को विकसित करने की क्षमता रखती हैं, जैसे नरम चुंबकीय मिश्रधातु, जो उच्च तकनीक अनुप्रयोगों के लिए आदर्श हैं।

एक और आशाजनक दिशा शुद्ध ऑक्साइड के बजाय धातुकर्म अपशिष्ट का उपयोग हो सकती है।अपशिष्ट पदार्थों से अशुद्धियों को हटाकर, यह दृष्टिकोण औद्योगिक उप-उत्पादों को मूल्यवान फीडस्टॉक में बदल सकता है, जिससे धातु उत्पादन की स्थिरता में और वृद्धि होगी।

उच्च तापमान की आवश्यकता को समाप्त करके औरजीवाश्म ईंधन, यह एक-चरणीय हाइड्रोजन-आधारित प्रक्रिया मिश्र धातु उत्पादन के पर्यावरणीय पदचिह्न को काफी हद तक कम कर सकती है, जिससे धातु विज्ञान में एक हरित, अधिक टिकाऊ भविष्य का मार्ग प्रशस्त होगा।