Znajdź zawartość

Przemysł produkcji stali jest odpowiedzialny za około 10% antropogenicznej emisji węgla do atmosfery. Gdyby przemysł ten stanowił oddzielne państwo byłby 3. – po Chinach i USA – największym emitentem CO2. Przedstawiciele firmy Electra z Boulder twierdzą, że opracowali praktycznie bezemisyjny proces elektrochemicznej produkcji stali, a pozyskany w ten sposób materiał nie będzie droższy od wytworzonego metodami tradycyjnymi. Aż 90% CO2 emitowanego w procesie produkcji stali powstaje podczas wytopu żelaza z rudy. Dlatego też, jeśli chcemy mówić o dekarbonizacji procesu produkcji stali, mówimy o dekarbonizacji wytopu, stwierdza prezes i współzałożyciel Elektry, Sandeep Nijhawan. Electra opracowała „elektrochemiczny proces hydrometalurgiczny”, dzięki któremu zawarty w rudzie tlenek żelaza jest redukowany do żelaza w temperaturze 60 stopni Celsjusza. Nie trzeba przy tym spalać węgla. Najpierw ruda jest rozpuszczana w specjalnym roztworze kwasów. To znany proces hydrometalurgiczny, który stosowany jest np. podczas produkcji miedzi czy cynku. Jednak dotychczas nie udawało się go stosować w odniesieniu do żelaza. Nijhawan wraz z zespołem opracowali unikatowy proces, który to umożliwia. Dzięki niemu oddzielają zanieczyszczenia od rudy, a następnie pozyskują samo żelazo przepuszczając przez roztwór prąd elektryczny. Cały proces może być napędzany energią słoneczną i wiatrową. Ma on jeszcze jedną olbrzymią zaletę, do produkcji można używać tanich rud o niskiej zawartości żelaza. Możemy korzystać z rud, które obecnie są traktowane jak odpady. W kopalniach jest olbrzymia ilość takich rud, których nikt nie wydobywa, stwierdza Nijhawan. Electra podpisała już umowę z firmą Nucor Corporation, największym producentem stali w USA. Firma zebrała też 85 milionów dolarów od inwestorów za które rozwija swoją technologię i buduje eksperymentalną fabrykę w Boulder w USA. Ma ona ruszyć jeszcze w bieżącym roku, a przed końcem dekady ma rozpocząć się komercyjna produkcja stali z wykorzystaniem nowej technologii. « powrót do artykułu

Studenci ekonomii z Lehigh University w Pensylwanii wyliczyli, ile kosztowałoby zbudowanie Gwiazdy Śmierci - bojowej stacji kosmicznej z "Gwiezdnych wojen". Wg Amerykanów, średnica pierwszej stacji wynosiła 140 km. Założono, że stosunek stali do objętości konstrukcji jest taka, jak we współczesnych okrętach wojennych. Po dokonaniu obliczeń okazało się, że w takim przypadku do budowy Gwiazdy Śmierci trzeba by 1,08x1015 ton stali. Przyjmując, że dzisiejsze tempo produkcji stali to 1,3 mld ton rocznie, wstępny (odlewniczy) etap prac zakończyłby się dopiero po 833315 latach. Koszt operacji wynosiłby 852.000.000.000.000.000 dol. (wg cen z br.). To odpowiednik światowego produktu krajowego brutto pomnożonego przez 13 tysięcy. Skoro potrzebowalibyśmy 1,08x1015 ton stali, oznacza to, że na Ziemi znajduje się tyle żelaza, że dałoby się z tego skonstruować ponad 2 mld Gwiazd Śmierci. Jak napisano na blogu Centives, przy realizacji projektu obliczonego na miliardy stacji budowniczy musieliby wykorzystać całe żelazo ze skorupy ziemskiej i sięgnąć po to z jądra.

Jeden z przedsiębiorców z Detroit zadziwił ostatnio uczonych wynalezieniem prostego procesu termicznej obróbki stali, który powoduje, że materiał staje się o 7% mocniejszy niż jakakolwiek inna stal. Flash Banite, bo tak nazwano nową stal lepiej też absorbuje wstrząsy niż większość stopów tytanu. Obecnie przedsiębiorca współpracuje z uczonymi z Ohio State University i wspólnie starają się zrozumieć proces wzmacniana stali, nazwany przez nich flash. Uczeni przyznają, że gdy po raz pierwszy zgłosił się do nich Gary Cola, nie wiedzieli co o tym sądzić. Proces, który opisał, nie powinien działać. Nie wierzyliśmy mu. Zabrał więc mnie i moich studentów do Detroit - mówi profesor Suresh Babu, dyrektor National Science Foundation Center for Integrative Materials Joining for Energy Applications i jeden z niewielu specjalistów na świecie, który wciąż zajmuje się ulepszaniem właściwości stali. Stal to coś, co nazywamy ‚dojrzałą technologią'. Lubimy myśleć, że wiemy o niej wszystko. Jeśli ktoś wymyśli proces, który wzmocni stal o kilka procent, to jest to olbrzymi postęp. Ale aż 7 procent? To niesamowite - mówi uczony. Proces wynaleziony przez Gary'ego Colę polega na podgrzaniu i schłodzeniu stali. W stworzonym przez biznesmena laboratorium płachty stali przechodzą przez płomienie o temperaturze 1100 stopni Celsjusza, a następnie trafiają do kąpieli chłodzącej. Cały proces wzmacniania trwa... 10 sekund, gdy tymczasem najczęściej stosuje się technologię wielogodzinnego podgrzewania stali do temperatury około 900 stopni Celsjusza. Cola poinformował Babu, że nie tylko błyskawicznie powoduje, że stal jest o 7% mocniejsza, ale można ją wyciągnąć o 30% bardziej niż stal martenzytową bez utraty jej właściwości. To z kolei oznacza, że np. producenci samochodów będą mogli robić ramy o 30% cieńsze, nie poświęcając przy tym wytrzymałości i bezpieczeństwa, a zyskując na wadze pojazdu. Poprosiliśmy go o próbki stali i okazało się, że wszystko co mówił, było prawdą - mówi Tapasvi Lolla, jeden ze studentów Babu. Cola, metalurg-samouk, nawiązał kontakt z naukowcami, gdyż chciał poznać proces, jaki stoi za wzmocnieniem stali. Za pomocą mikroskopu elektronowego ujawniono, że w stali Coli powstała mikrostruktura martenzytowa. Ale nie tylko. Pojawiła się też bogata w węgliki mikrostruktura bainitowa. Profesor Babu wyjaśnia, że prawdopodobnie szybkie podgrzanie i schłodzenie powodują, że węgliki nie mają czasu by się rozpuścić i utworzyć w kolejnym etapie martenzyt. Pozostają w stali i uzyskujemy unikatową mikrostrukturę zawierającą bainit, martenzyt i węgliki - mówi uczony. Naukowcy mają nadzieję, że wynalazek Coli rozwiąże jeszcze jeden problem. Wysokowytrzymałe stale ulegają znacznemu osłabieniu w miejscach spawania. Niewykluczone, że zastosowanie metody metalurga-samouka, i szybkie podgrzanie oraz schłodzenie łączonych elementów zapobiegnie osłabieniu konstrukcji.

Na University of Technology w Sydney powstaje tzw. grafenowy papier - stworzony z grafitu materiał, który jest cienki jak papier i 10-krotnie bardziej wytrzymały niż stal. Pojawienie się takiego materiału będzie miało olbrzymi wpływ na przemysł samochodowy, lotniczy czy elektryczny. Profesor Guoxiu Wang i jego zespół z UTS opracowali technologię wytwarzania grafenowego papieru ze zmielonego grafitu poddanego procesom oczyszczania i filtrowania, dzięki którym powstał nanomateriał o zadanych właściwościach. Składa się on z pojedynczej warstwy sześcioatomowego węgla, a dzięki odpowiedniemu dobraniu struktury papieru osiągnięto świetne właściwości termiczne, elektryczne i mechaniczne. W porównaniu ze stalą nowy materiał jest sześciokrotnie lżejszy, ma pięć do sześciu razy mniejszą gęśtość, jest dwukrotnie twardszy, 13-krotnie bardziej elastyczny i 10-krotnie bardziej wytrzymały na rozciąganie. Dzięki niemu mogą powstać lżejsze i bardziej wytrzymałe samochody oraz samoloty, które będą zużywały mniej paliwa i wydzielały mniej spalin. Australijskie odkrycie przysłuży się też australijskiemu górnictwu. Miejscowe kopalnie zawierają bowiem olbrzymie ilości grafitu, który jest potrzebny do produkcji grafenowego papieru.

RMS Titanic wyruszył w swój dziewiczy rejs w kwietniu 1912 roku. Jak się to skończyło, wiemy wszyscy. Wrak transatlantyku spoczął na dnie morza. Przez niemal wiek stal kadłuba i poszycia korodowała. Na porowatych, przypominających sople tworach (ang. rusticle) zamieszkały bakterie. Okazało się, że znalazł się wśród nich gatunek nieznany dotąd nauce - Halomonas titanicae. Soplopodobne twory z rdzy zostały po raz pierwszy odkryte właśnie na Titanicu. Występują w nich nie tylko bakterie, ale i grzyby. H. titanicae są halofilami, co oznacza, że bytują w wodach o dużym zasoleniu. Dzięki pracy kanadyjsko-hiszpańskiego zespołu udało się je wyizolować z próbek rdzy pobranych przed 19 laty przez podwodnego robota; uzyskany szczep został oznaczony jako BH1T. Okazało się, że mikroby są Gram-ujemne, tlenowe, nie tworzą przetrwalników i poruszają się dzięki amfitrichalnym rzęskom (inaczej mówiąc, należą do bakterii czuborzęsych z pękami rzęs na jednym bądź obu biegunach). Dla ich wzrostu optymalne są temperatury od 30 do 37°C oraz pH 7,0-7,5. Bakterie z transatlantyku należą do rodzaju Halomonas. Analiza filogenetyczna na podstawie sekwencji genu 16S rRNA wykazała, że są najbardziej podobne do 4 gatunków: Halomonas neptunia (98,6% podobieństwa), Halomonas variabilis (98,4%), Halomonas boliviensis (98,3%) oraz Halomonas sulfidaeris (97,5%). Ważne jest nie tylko samo odkrycie nowego gatunku bakteryjnego, ale również zyskanie okazji do zgłębienia mechanizmu powstawania sopli. W przyszłości należy jeszcze ustalić, czy BH1T jest unikatowy dla tego konkretnego wraku. Jeśli ta sama bakteria powoduje uszkodzenia podwodnych rurociągów czy statków, trzeba będzie pomyśleć o specjalnej powłoce zabezpieczającej. Uważamy, że H. titanicae odgrywa ważną rolę w recyklingu żelaza na pewnych głębokościach – wyjawia dr Henrietta Mann z Dalhousie University. Spoglądając na opisywane zjawisko z nieco innej strony, można wskazać na pewne pozytywy. Czemu bowiem nie wykorzystać H. titanicae do ewentualnego bezpiecznego utylizowania na morzu oczyszczonych z toksyn i ropy, a następnie zatopionych platform wiertniczych czy starych jednostek? Na razie pytań bez odpowiedzi pozostaje jednak sporo. Nie wiadomo na przykład, czy halobakterie były na Titanicu przed katastrofą, czy pojawiły się dopiero po jego zatonięciu i czy pracują w pojedynkę, czy też w pracy pomagają im inne organizmy. Na pewno niedługo uda się to ustalić. Z artykułem naukowców z Dalhousie University, Ontario Science Centre oraz Uniwersytetu w Sewilli można się zapoznać na łamach pisma International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology.

Aluminium, lekki powszechnie występujący na Ziemi metal, ma olbrzymią wadę, jest mało wytrzymałe. Pęka pod obciążeniami, którym nie poddają się inne metale. Lekkim i wytrzymały metalem jest za to tytan. Jest on jednak drogi. Dlatego też naukowcy od dawna szukali sposobu na zwiększenie wytrzymałości aluminium. Udało się to osiągną międzynarodowemu zespołowi pracującemu pod kierunkiem uczonych z University of Sydney. Okazało się, że ściskając aluminium pomiędzy dwoma kowadłami, można uzyskać lekki materiał wytrzymały jak stal. Podczas prac wykorzystano skręcanie wysokociśnieniowe (HPT - high-pressure torsion). Metoda ta polega na umieszczeniu cienkiego dysku metalu na cylindrycznym kowadle i przyciśnięcie go do drugiego kowadła. W czasie tego procesu jedno z kowadeł powoli się obraca. Nacisk wywierany na metal wynosi około 60 000 kilogramów na centymetr kwadratowy. Po zakończeniu skręcania wysokociśnieniowego aluminium 7075 (to aluminium z niewielką domieszką cynku i magnezu) było przez ponad miesiąc trzymane w temperaturze pokojowej, przeszło zatem proces zwany starzeniem. Zarówno HPT jak i starzenie zmieniły nanostrukturę metalu. Przeprowadzone później badania wykazały, że tak zmieniony materiał wytrzymuje nacisk 1 gigapaskala. Odpowiada to wytrzymałości najlepszych rodzajów stali i jest wynikiem trzykrotnie lepszym od osiąganego przez standardowe aluminium. Bliższe badania wykazały, że sieć krystaliczna atomów aluminium została silnie zdeformowana, tworząc hierarchiczną nanostrukturę - wielkość ziaren aluminium zmniejszyła się, a atomy cynku i magnezu połączyły się w grupy o różnej wielkości, która zależała od położenia wewnątrz lub na krawędziach ziaren aluminium. Nie wiadomo, jak to się dzieje, że takie ułożenie znacząco wzmacnia aluminium, przyznaje Simon Ringer z University of Sydney. Uczeni mają nadzieję, że uda się stworzyć proces produkcyjny, który umożliwi tworzenie "superaluminium" w skali przemysłowej. Taki materiał znajdzie zastosowanie w przemyśle samochodowym, lotniczym i posłuży do budowy kamizelek kuloodpornych.

Naukowcy z North Carolina State University opracowali niezwykły materiał, który już niedługo może znaleźć zastosowanie m.in. w ortopedii. Substancją tą jest spieniona forma metalu, która może posłużyć jako element spajający kości lub ułatwiający związanie się implantów z tkanką kostną. Jak twierdzą autorzy wynalazku, jego główną zaletą jest biokompatybilność (tzn. możliwość umieszczania go w obrębie żywej tkanki bez wywoływania nadmiernej reakcji immunologicznej) oraz niska gęstość, nieprzekraczająca tej charakterystycznej dla aluminium. Ważne są także korzystne właściwości mechaniczne, takie jak zdolność do absorpcji drgań oraz elastyczność porównywalna z naturalną tkanką kostną. Równie niezwykły, co porowata forma nowego materiału, jest jego skład chemiczny. Oprócz pianki złożonej w 100% ze stali badacze opracowali bowiem dość rzadko spotykaną w tradycyjnych konstrukcjach mieszankę stali i aluminium. Jednocześnie, jak zaznaczają autorzy, liczne przestrzenie obecne w implancie pozwalają na jego infiltrację przez elementy żywej tkanki, ułatwiając tym samym jego umocowanie w organizmie i wzmacniając jego integrację ze strukturami ożywionymi. Jak ocenia szef zespołu pracującego nad udoskonaleniem metalicznej pianki, dr Afsaneh Rabiei, ma ona sporą szansę wyprzeć tytan z pozycji najlepszego materiału do produkcji wielu rodzajów implantów. Zdaniem badacza kluczową cechą nowego wynalazku jest jego stosunkowo wysoka elastyczność, trzykrotnie większa niż w przypadku tytanu i jednocześnie zbliżona do wartości charakterystycznych dla tkanki kostnej. Jest to niezwykle ważne, gdyż ogromna sztywność implantów tytanowych sprzyja przyjmowaniu przez nie zbyt wielkich obciążeń, przez co na styku z metalowym ciałem obcym w wielu przypadkach dochodzi do obumierania komórek tkanki kostnej. Ostateczne zatwierdzenie metalicznej pianki do zastosowania klinicznego będzie jednak wymagało dalszych testów.

Dzięki badaniom nad przyczynami zawalenia się wież World Trade Center naukowcy wyprodukują doskonalszą stal, a materiał ten trafi tam, gdzie dotychczas nie można było go zastosować. Stal topi się w temperaturze około 1150 stopni Celsjusza, jednak, co wiadomo nie od dzisiaj, traci swoją sztywność w znacznie niższych temperaturach. Najbardziej drastycznym tego przykładem były zamachy z 2001 roku, kiedy to wystarczyło 500 stopni Celsjusza, by stalowe konstrukcie wieżowców stały się na tyle miękkie, iż całość runęła. Doktor Sergei Dudarev, główny specjalista w United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA), wraz ze swoim zespołem znalazł przyczynę utraty sztywności stali. Okazało się, że wszystkiemu jest winne pole magnetyczne atomów żelaza, które ulega osłabieniu w wysokich temperaturach i atomy, zamiast trzymać się razem, ześlizgują się po sobie. Właściwość tę od setek lat wykorzystują kowale, którzy wiedza, że żelaza nie trzeba roztapiać, a wystarczy je "rozmiękczyć". Naukowcy dowiedzieli się, że za osłabienie pola magnetycznego odpowiedzialne są niedoskonałości w samej stali. Wystarczy zatem je wyeliminować, by materiał nie stawał się miękki w temperaturze już 500 stopni Celsjusza. Dudarev chce teraz opracować technologię produkcji stali, która pozwoli na wyeliminowanie wspomnianych niedoskonałości. Ma w ten sposób powstać stal, z której będą budowane np. reaktory fuzyjne.

Jak odtworzyć brakujący fragment kości? Ortopedzi mają na to swoje sposoby, a teraz będą mogli do nich dołączyć... pieczenie. Badacze z Fraunhofer Institute opracowali bowiem prototyp ciekawego urządzenia, które najpierw wylicza gęstość/porowatość kości pacjenta, a następnie wypieka implant ze sproszkowanego metalu. Kości nie są jednakowo gęste we wszystkich miejscach, dlatego oprogramowanie musi przeprowadzić wyliczenia dla konkretnego odcinka. Gdy już wiadomo, jakim wymogom należy się podporządkować, można rozpocząć rekonstrukcję. W ten sposób da się odtworzyć nawet skomplikowane kształty. W miejscach, gdzie kość powinna być gęstsza, promień lasera silniej spieka cieniutkie warstwy proszku. To jak pieczenie ciasta – twierdzi Andreas Burblies, rzecznik jednego z wydziałów Instytutu. Pozostałości luźnego pyłu są usuwane. "Produkt końcowy jest elementem z otwartymi porami. Każdy punkt cechuje się właściwą gęstością, a zatem określoną stabilnością". Inżynierowie ulepszyli metodę. Teraz mogą zmieniać wewnętrzną strukturę już po wypieczeniu, prowadząc precyzyjne wiercenia. Umieją uzyskiwać bardzo lekkie, a zarazem wytrzymałe konstrukcje, co stanowi wabik dla wielu gałęzi przemysłu, np. motoryzacyjnego czy lotnictwa. Proszek przygotowuje się biomateriałów, m.in. z tytanu i stali.

Naukowcy opracowali przezroczysty polimer, który jest niemal tak wytrzymały jak stal. Nowy materiał, który powstał na University of Michigan, naśladuje strukturę macicy perłowej, jednego z najbardziej wytrzymałych naturalnych materiałów. Nicholas Kotov, wynalazca materiału, uważa, że po jego udoskonaleniu posłuży on do produkcji lekkich wytrzymałych pancerzy dla wojska czy policji. Może być również użyty w lotnictwie, medycynie czy do produkcji różnego typu zaworów. Naukowcom z University of Michigan udało się rozwiązać problem, z którym nie poradzono sobie od dziesięcioleci. Otóż pojedyncze, niewielkie struktury w skali nano, takie jak nanorurki czy nanowarstwy, są niezwykle wytrzymałe. Jednak stworzone z nich większe struktury były znacznie słabsze. Innymi słowy, dotychczas uczeni mieli poważny problem z „przeniesieniem” wytrzymałości podstawowej cegiełki tworzącej daną strukturę, na całą strukturę. Udowodniliśmy, że można niemal idealnie przenieść wytrzymałość nanowarstwy na cały stworzony z ich polimer – mówi Kotov. Udało się to dzięki specjalnie skonstruowanemu urządzeniu, które tworzy materiały w skali nano warstwa po warstwie. W przypadku nowego polimeru do ramienia maszyny zamocowano kawałek szkła, który odpowiadał wielkości tworzonego polimeru. Szkło było najpierw zanurzane w alkoholu poliwinylowym, a następnie w roztworze, w skład którego wchodziły nanowarstwy glinki. Gdy obie warstwy wyschły na szkle, proces zanurzania powtarzano. W ten sposób, powtarzając operację 300 razy, uzyskano fragment wyjątkowo wytrzymałego polimeru o grubości podobnej do grubości opakowań foliowych. Alkohol wraz z roztworem tworzyły wyjątkowo silne wiązania, przypominające rzepy. Wiązania te, jeśli nawet zostały zerwane, z łatwością tworzyły się w innym miejscu.