Från höghållfasta stål och metalltrikåer till mer futuristiska aerogeler, metallskum och amorfa metaller kan nya material ge hållbara, lättare produkter med nya egenskaper, och minskade transportutsläpp. Samtidigt pågår en processutveckling som minskar utsläpp och sparar energi i masstillverkningsledet.

En stor del av vår energikonsumtion går åt till att förflytta saker, inte sällan tillverkade av stål. Stål är ett av våra mest förekommande material, med en årsproduktion på runt 1.5 miljarder ton – vilket inte är konstigt, för det är billigt, formbart, segt och starkt. Det är också återvinningsbart, och med ett väl utvecklat kretslopp. Den höga återvinningsgraden till trots är behovet av brytning och nyproduktion fortsatt stort – för efterfrågan växer, inte minst genom den snabbt ökande industrialisering och infrastrukturuppbyggnad som äger rum i länder som Kina och Indien.

Knäckfrågan med processutsläppen

Något som ur ett klimatperspektiv särskilt ligger ståltillverkningen till last är att den är förknippad med ofrånkomliga processutsläpp; järnmalm (Fe3O4 eller Fe2O3) reduceras nämligen med kol för att frigöra järnet. Det innebär att den undergår en reaktion där syre tas bort från malmen och istället förenar sig med kolet och bildar koldioxid. Innan råjärnet blir stål måste det också färskas; då tillförs syre för att minska kolhalten, vilket frisätter ytterligare koldioxid.

På grund av det här – i kombination med att tillverkningen behöver mycket energi – står stålindustrin för en tiondel av växthusgasutsläppen i Sverige och i världen.

Stor skillnad på stål och stålarchitecture-414035_640

Under beteckningen stål ryms samtidigt många olika material. Bara de svenska stålföretagen hanterar tusentals sorter, alla med olika egenskaper, och nya sorter utvecklas kontinuerligt med hjälp av högteknologiska processer.

Med moderna typer av stål och nyutvecklade material kan man erhålla lägre vikt utan att kompromissa med hållfasthet och styrka, vilket genast leder till energi- och utsläppsbesparingar i många led. Nyligen rapporterade exempelvis forskare i Sydkorea att man lyckats ta fram en ny princip för kostnadseffektivt lättviktsstål genom att legera med aluminium.

Den svenska stålindustrin har blivit en föregångare, genom att nischa in sig mot att utveckla olika typer av specialstål med särskilda egenskaper: SSAB:s höghållfasta stål är ett exempel, ett annat är Ovakos stål Isotropic Quality, som genom tillverkningsprocessen får mindre innehåll av slagg och hålrum och som har funnit tillämpningar i bland annat dieselmotorer. (Se även artikeln ”Höghållfasta stål ger ökad miljönytta”). Ett väl utvecklat forskningssamarbete mellan de nordiska stålverken har varit en viktig grogrund för innovation.

Framtidens lösningar studeras

LKAB har tillsammans med andra aktörer börjat studera något som kallas toppgasåterföring, där avgaserna från masugnen fångas upp och separeras. Tanken är att återföra kolmonoxid som reduktionsmedel, vilket skulle minska koksåtgången, och i och med att även koldioxid samlas upp kan metoden utgöra ett försteg till att i framtiden implementera koldioxidlagring, CCS-teknik (se ”Utsläppsfri kolkraft?”).

I samarbetsprojektet, ULCOS, är målet att drastiskt minska den framtida stålindustrins utsläpp. Där studeras också tre andra processkoncept: HIsarna, som för ihop flera processteg i samma reaktor, ULCORED, där malmen direktreduceras osmält, med naturgas istället för kol, och ULCOWIN, där malmen separeras i järn och syrgas genom elektrolys.

Elektrolys används av nödvändighet vid till exempel aluminiumframställning. Där kan malmråvaran, bauxit, inte reduceras på samma sätt som järnmalm, detta eftersom aluminium är mer reaktivt än kol. Nackdelen är en mångfaldigt större energiåtgång – men i en framtid med god tillgång till ren el kan det vara en möjlig väg att komma åt processutsläppen av koldioxid.

En svensk variant på samma tema som HIsarna är företaget Scan Arc Plasma Technologies nyutvecklade ugn, där gas upphettad till plasma i eldrivna generatorer överför värmen till smältreduktionen (se ”Plasmaprocess halverar utsläppen av koldioxid”).

Nya processer och material

Utvecklingen leder inte bara till nya och effektivare processer, utan också till nya material. Förutom att utveckla stålet i sig pågår många försök att ersätta det med annat. Olika former av kompositer är ett sådant spår (se artiklarna ”Kompositmaterial ger bränslesnålare bilar” och ”Lättviktsmaterial möjliggör smartare transporter”), och för framtiden finns rikliga förhoppningar knutna till det lovande materialet grafen (Se ”Supermaterial med miljöpotential”).abstract-620707_640

I projektet Metmask, ett samarbete mellan bland andra textilhögskolan, stålindustrin och bilindustrins leverantörer, har svenska forskare lyckats ta fram ett nytt material för bilplåt. Genom att konstruera ett treskiktslaminat med mittenskikt i form av stickad metalltrikå, blir plåten 40 procent lättare men med fullgod hållfasthet.

Textilhögskolans material är moget och nära produktion, men själva idén med porösa material har en framtidspotential som sträcker sig längre än så. Aerogeler och metallskum är exempel på sådana ultralätta material med mycket speciella egenskaper.

Tar man metalltrikåns princip ett steg längre kommer man till något som ännu i hög grad befinner sig på forskningsstadiet: metallskum, metalliska material som är extremt lätta och mycket elastiska. Sådant skum kan tillverkas genom att skapa gitter av nanorör, belägga dem med metall och sedan avlägsna rören, med ett mycket poröst, tvättsvampsliknande resultat.

Aerogeler isolerar, absorberar och filtrerar

Aerogeler har spåtts få en lika framträdande roll i samhället 2050 som plaster har idag. De är ytterligare en klass av nanoporösa material, som rymmer några av världens lättaste. Aerogel tillverkas av silikat, polymerer, kol eller metall som blandas med ett lösningsmedel, vilket sedan får avdunsta i en speciell process. Bara enstaka procent av den färdiga volymen består av fast material, och de framstår ofta som halvgenomskinliga. Samtidigt kan de hålla uppe stora trycklaster.

Porositeten gör att de inrymmer mycket yta i en liten volym, vilket gör dem intressanta som filter, till exempel för vattenrening eller filtrering av växthusgaser. Förutom extremt låg densitet har de också anmärkningsvärt goda isolerande egenskaper.

De tros kunna spela en stor roll som värmeisolerande material för byggnader, pipelines med mera. Bara inom EU har byggnadsisolering potential att spara sex gånger så mycket som Sveriges totala koldioxidutsläpp årligen, så miljöpotentialen är stor. Ett annat intressant användningsområde är att använda absorbtionsförmågan till att fånga upp oljespill, så att oljan kan kramas ur och åter tas till vara.

Svenska Aerogel har en patenterad metod för tillverkning som är under uppskalning.

Amorfa metaller

Amorfa metaller är en klass av material där de ingående atomerna olikt vanliga metaller inte placerar sig i ordnade storskaliga kristallstrukturer. Istället ligger de huller om buller, som i glas – därav deras andra namn, glasmetall. Avsaknaden av struktur gör dem starkare än vanlig metall, samtidigt som de blir sega, utan glasets skörhet. De kan bland annat konstrueras genom att kyla ned smält metall mycket snabbt. En särskilt intressant egenskap är deras mjuka övergång från fast till flytande fas, vilket skulle kunna göra dem möjliga att formspruta, som plast. De är också korrosionsbeständiga, eftersom de är fria från de strukturdefekter som alltid finns i kristallina material.

Amorfa legeringar har redan funnit användning i nya, energieffektivare transformatorer för elnät. Svenska Exmet AB är en annan aktör, som försöker kombinera amorf metall med 3D-printing. Det finns förhoppningar om att nya tillverkningsmetoder i förlängningen kan leda till exempelvis amorfa stålsorter med helt nya hållfasthetsprestanda och dramatiska möjligheter att reducera materialåtgång och vikt i många tillämpningar.

För en lekman är det lätt att tänka på till exempel det så vanligt förekommande stålet också som något statiskt som funnits länge – men sanningen är att det händer mycket på materialområdet, både i termer av nya material och mer effektiva processer. När ständiga små förbättringar av material som tillverkas och transporteras i stora volymer kombineras med tekniksprång i form av helt nya material kan stora miljönyttor nås.

Artikeln publicerad i februari 2015