Inovação na produção de ligas: um único passo dos minérios aos metais sustentáveis

A produção de metais é responsável por 10% do CO2 global₂ emissões, com a produção de ferro a emitir duas toneladas de CO₂ para cada tonelada de metal produzida, e a produção de níquel emite 14 toneladas de CO₂ por tonelada e até mais, dependendo do minério utilizado. Esses metais formam a base de ligas que apresentam baixa expansão térmica, chamadas Invar. Eles são essenciais para os setores aeroespacial, de transporte criogênico, de energia e de instrumentos de precisão. Reconhecendo o impacto ambiental, cientistas do Instituto Max Planck para Materiais Sustentáveis ​​(MPI-SusMat) desenvolveram agora um novo método para produzir ligas de Invar sem emitir CO₂ economizando uma grande quantidade de energia — conseguindo isso em um processo de etapa única que integra extração de metal, liga e processamento termomecânico em um único reator e etapa de processo.

A abordagem deles dissolve algumas das fronteiras clássicas entre metalurgia extrativa e física, inspirando a conversão direta de óxidos para produtos dignos de aplicação em uma única operação de estado sólido. Suas descobertas foram publicadas no periódico Natureza.

A metalurgia de uma etapa economiza energia e CO₂

“Nós nos perguntamos: podemos produzir uma liga com combinação de microestrutura e propriedade quase otimizada diretamente de minérios ou óxidos com zero CO₂“emissão?” diz o Dr. Shaolou Wei, pesquisador Humboldt no MPI-SusMat e primeiro autor da publicação. A produção convencional de ligas é tipicamente um processo de três etapas: primeiro, reduzir minérios à sua forma metálica, depois misturar elementos liquefeitos para criar a liga e, finalmente, aplicar tratamentos termomecânicos para atingir as propriedades desejadas. Cada uma dessas etapas consome muita energia e depende do carbono como um transportador de energia e um agente redutor, resultando em emissões significativas de CO₂ emissões. “A ideia principal é entender a termodinâmica e a cinética de cada elemento e usar óxidos com redutibilidade e miscibilidade semelhantes em torno de 700 °C”, continua Shaolou, “Essa temperatura está muito abaixo do ponto de fusão em massa, o que ainda nos permite extrair metais de seus estados de óxido e misturá-los em ligas por meio de uma única etapa do processo de estado sólido sem reaquecimento.” Ao contrário dos métodos convencionais em que os minérios são reduzidos usando carbono, o que resulta em metais contaminados com carbono, o novo método da equipe usa hidrogênio como agente redutor. “Usar hidrogênio em vez de carbono traz quatro vantagens principais”, explica o professor Dierk Raabe, diretor administrativo da MPI-SusMat e autor correspondente do estudo. “Primeiro, a redução baseada em hidrogênio produz apenas água como subproduto, o que significa zero CO₂ emissões. Segundo, ele produz metais puros diretamente, eliminando a necessidade de remover carbono do produto final, economizando tempo e energia. Terceiro, fazemos o processo em temperaturas comparativamente baixas, no estado sólido. Quarto, evitamos o resfriamento e o reaquecimento frequentes, característicos dos processos metalúrgicos convencionais.”

As ligas Invar resultantes produzidas usando essa técnica não apenas correspondem às propriedades de baixa expansão térmica das ligas Invar produzidas convencionalmente, mas também oferecem resistência mecânica superior devido ao tamanho de grão refinado naturalmente herdado do processo.

Ampliação para dimensões industriais

Os cientistas do Max Planck demonstraram que produzir ligas de Invar por meio de um processo rápido, sem carbono e com eficiência energética não é apenas possível, mas altamente promissor. No entanto, dimensionar esse método para atender às demandas industriais apresenta três desafios principais:

Primeiro, enquanto os pesquisadores usaram óxidos puros para um estudo de prova de conceito, as aplicações industriais provavelmente envolveriam óxidos convencionais carregados de impurezas. Isso introduz a necessidade de adaptar o processo para lidar com materiais menos refinados, mantendo a qualidade da liga. Segundo, o uso de hidrogênio puro no processo de redução, embora eficaz, é caro para operações em larga escala. A equipe agora está conduzindo experimentos com concentrações mais baixas de hidrogênio em temperaturas elevadas para encontrar um equilíbrio ideal entre o uso de hidrogênio e os custos de energia, tornando o processo mais economicamente viável para a indústria. Terceiro, enquanto o método atual usa sinterização sem pressão, a produção de materiais a granel finamente grosseiros em escala industrial provavelmente exigiria a adição de etapas de prensagem. Incorporar deformação mecânica no mesmo processo poderia melhorar ainda mais a integridade estrutural do material, mantendo a produção simplificada.

Olhando para o futuro, a versatilidade desse processo de uma etapa abre novas possibilidades. Como ferro, níquel, cobre e cobalto podem ser processados ​​dessa forma, ligas de alta entropia podem ser o próximo foco. Essas ligas, conhecidas por sua capacidade de manter propriedades únicas em uma ampla gama de composições, têm potencial para desenvolver novos materiais, como ligas magnéticas macias, ideais para aplicações de alta tecnologia. Outra direção promissora pode ser o uso de resíduos metalúrgicos em vez de óxidos puros. Ao remover impurezas de materiais residuais, essa abordagem pode transformar subprodutos industriais em matéria-prima valiosa, aumentando ainda mais a sustentabilidade da produção de metais.

Ao eliminar a necessidade de altas temperaturas e combustíveis fósseis, esse processo baseado em hidrogênio em uma única etapa pode reduzir drasticamente a pegada ambiental da produção de ligas, abrindo caminho para um futuro mais verde e sustentável na metalurgia.

A pesquisa foi financiada com uma bolsa para Shaolou Wei pela Fundação Alexander von Humboldt e uma Bolsa Europeia de Pesquisa Avançada de Dierk Raabe.