- Das Forschungsteam hat 14 neue eisenbasierte Legierungen entwickelt, deren Festigkeit erheblich verbessert wurde.
- Die neue Methode senkt die Produktionskosten um 8,1 % und nutzt Verunreinigungen aus Metallabfällen.
- Diese neuen Legierungen werden vollständig aus recyceltem Material hergestellt, ohne Zugabe von Primärstahl.
- Die Technologie kann auf die Wiederverwertung von Stahl, Aluminium und Kupferlegierungen ausgeweitet werden und hat breite Anwendungsmöglichkeiten.
Forschungsmitarbeiter aus China und Deutschland haben insgesamt 14 neue eisenbasierte Legierungen aus recyceltem Material entwickelt, deren Festigkeit erheblich gesteigert wurde und deren Kosten mehr als 8 % unter denen herkömmlicher Alternativen liegen. Das Projekt wird gemeinsam von der Shanghai Jiao Tong University, der City University of Hong Kong, der East China University of Science and Technology, der Central South University in China sowie dem Max-Planck-Institut für nachhaltige Materialforschung in Deutschland durchgeführt. Im Rahmen der Forschung entwickelte das Team eine maschinelles Lernverfahren, das Verunreinigungen in Metallabfällen in stärkere Legierungen umwandelt, anstatt sie zu entfernen. Diese Methode führte zur Schaffung von 14 neuen eisenbasierten Legierungen, deren Zugfestigkeit um 15,2 % erhöht wurde, oder deren Dehnbarkeit beim Bruch um 73,2 % verbessert wurde.
Liuliu Han, Leiter der Partnergruppe am Max-Planck-Institut für nachhaltige Materialforschung und Mitautor der Studie, erklärte: „Traditionell wird versucht, Verunreinigungen in Metallabfällen durch Zugabe von Rohmaterialien zu verdünnen.“ Die neue Methode senkt die Produktionskosten um 8,1 %.
Umweltfreundliche Bedeutung der neuen Methode
Weltweit werden jährlich etwa 2 Milliarden Tonnen Metall produziert, hauptsächlich aus neu abgebauten Materialien. Dieser Produktionsprozess verursacht jedoch auch etwa 40 % der industriellen Treibhausgasemissionen und 10 % des globalen Energieverbrauchs. Obwohl Recycling dieses Umweltproblem erheblich verringern kann, enthalten Metallabfälle häufig Verunreinigungen und ihre chemische Zusammensetzung variiert. Dies macht die Produktion von Legierungen mit vorhersehbaren mechanischen Eigenschaften kompliziert. Produzenten versuchen oft, Verunreinigungen durch Zugabe neuer Metalle zu verdünnen, was zusätzlichen Energieaufwand erfordert und die Kohlenstoffemissionen erhöht. Um diese Herausforderung zu bewältigen, betrachtet der maschinelle Lernrahmen der Forscher Verunreinigungen als potenziell nützliche Legierungselemente.
Das System verwendet Algorithmen und neuronale Netzwerke, um die am besten geeigneten Metallmischungen und Bearbeitungsmethoden zu finden, und analysiert Faktoren wie Temperatur, Bearbeitungszeit, Zugfestigkeit und Dehnbarkeit, um vorherzusagen, welche Kombinationen bessere Leistungen bieten können. Die vielversprechendsten Designs werden getestet, und die Ergebnisse werden zurück in das System eingespeist, um zukünftige Vorhersagen zu verbessern.
Um die Methode zu testen, verwendete das Team ein gängiges industrielles Material – Gusseisen – das sowohl Festigkeit als auch Flexibilität aufweist und Verunreinigungen tolerieren kann. Weltweit werden jährlich etwa 120 Millionen Tonnen Gusseisen produziert. Die Wissenschaftler bewerteten 17 Legierungsdesigns, die vom Rahmen vorgeschlagen wurden, von denen 14 in den bestehenden Daten zu recyceltem Eisen die besten Kombinationen aus Festigkeit und Dehnbarkeit zeigten. Diese neuen Legierungen wiesen eine Erhöhung der Zugfestigkeit um 15,2 % auf, ohne die Dehnbarkeit zu verlieren, oder eine Verbesserung der Dehnbarkeit um 73,2 %, ohne die Festigkeit zu opfern. Laut den Wissenschaftlern werden diese Legierungen vollständig aus recyceltem Material hergestellt, ohne Zugabe von Primärstahl.
Potenzial für zukünftige Anwendungen
Sie sind überzeugt, dass diese Technologie auf die Wiederverwertung von Stahl, Aluminium und Kupferlegierungen ausgeweitet werden kann und in den Bereichen Verkehr, Energieinfrastruktur und industrielle Fertigung Anwendung finden wird.
Liuliu Han erläuterte, wie diese Methode metallische Verunreinigungen in Vorteile umwandelt. In einer Erklärung sagte er: „So haben wir eine neue maschinelle Lernstrategie entwickelt, die diese Verunreinigungen von einem Problem in einen Vorteil verwandelt, was es uns ermöglicht, Legierungen zu entwerfen, die nicht nur Verunreinigungen tolerieren, sondern sogar davon profitieren.“ Die Studie wurde in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Element Spezifikation Zugfestigkeit Erhöhung um 15,2 % Dehnbarkeit Erhöhung um 73,2 % Kostenreduktion 8,1 %
Umwelt- und wirtschaftliche Auswirkungen der neuen Legierungstechnologie
Der Durchbruch dieser Forschung liegt in der Nutzung von maschinellem Lernen zur Umwandlung von Verunreinigungen in Metallabfällen in Vorteile für Legierungen, was sowohl ökologische als auch wirtschaftliche Vorteile zeigt. Der traditionelle Metallproduktionsprozess verbraucht nicht nur große Energiemengen, sondern verursacht auch hohe Kohlenstoffemissionen, während die neue Technologie durch Recycling diese Probleme verringert. Dies verbessert nicht nur die Leistung der Materialien, sondern senkt auch die Produktionskosten und bietet nachhaltige Lösungen für zukünftige industrielle Anwendungen, insbesondere in wichtigen Bereichen wie Verkehr und Energieinfrastruktur.