Ett nytt sätt att tillverka stål skulle kunna minska 5 % av CO2-utsläppen i ett slag

Med tillstånd av Boston Metal

En klumpig skiva av mörkgrått stål täcker en bänk i laboratoriet i Boston Metal, en spinout från MIT som ligger en halvtimme norr om staden med samma namn.

Det är företagets första parti av den höghållfasta legeringen, skapad med en ny metod för metallbearbetning. Istället för masugnen som använts vid ståltillverkning i århundraden har Boston Metal utvecklat något som är närmare ett batteri. Specifikt är det vad som kallas en elektrolytisk cell, som använder elektricitet - snarare än kol - för att bearbeta rå järnmalm.

Om tekniken fungerar så billigt som grundarna hoppas, kan den erbjuda en tydlig väg till att minska utsläppen av växthusgaser från en av de svårstädade sektorerna i den globala ekonomin och den enskilt största industriella källan till klimatföroreningar.

Efter att ha arbetat med idén under de senaste sex åren går det nio personer stora företaget in i nästa fas. Om det avslutar en pågående finansieringsrunda planerar startupen att bygga en stor demonstrationsanläggning och utveckla en cell i industriell skala för stålproduktion.

Kapning av kol

I dagens huvudsakliga tillvägagångssätt för ståltillverkning placeras järnoxid i en masugn med koks, ett hårt, poröst ämne som härrör från kol. Vid höga temperaturer förvandlas koksen till kolmonoxid, som plockar syre från järnet och producerar en mellanmetall som kallas tackjärn - tillsammans med koldioxid som rinner ut i atmosfären.

Detta och andra steg i processen pumpar ut cirka 1,7 gigaton koldioxid till atmosfären årligen, vilket adderar upp till cirka 5 procent av de globala koldioxidutsläppen, enligt en färsk tidning i Vetenskap (se Vi har fortfarande ingen aning om hur man eliminerar mer än en fjärdedel av energiutsläppen ). Och det är innan man tar hänsyn till de bränslen som krävs för att elda ugnarna.

Bilar, byggnader och broar är alla ganska väl beroende av att ha stål, säger Steven Davis, huvudförfattare till den studien och en jordsystemforskare vid University of California, Irvine. Så om vi inte ändrar det – och det finns inga tecken på att vi är det – måste vi komma på ett sätt att minska koldioxidutsläppen i processen.

Men för att helt eliminera utsläppen krävs antingen teknik som kan fånga upp koldioxid innan den lämnar stålverket, vilket är både dyrt och tekniskt belastat, eller användning av alternativa material för att ta bort syre från järnoxid.

Månskott

Donald Sadoway, kemist vid MIT, började oavsiktligt arbeta på en lösning i mitten av 2000-talet.

NASA hade erbjudit ett pris på kvarts miljoner dollar till det första forskarteamet som kunde ta reda på hur man extraherar syre från månens yta, en förutsättning för att etablera månbaser. Sadoway föreslog att man skulle använda en elektrolytisk cell - som producerar en elektrisk ström för att bryta ner föreningar - för att extrahera syre från månens stenar. Biprodukten var smält metall, en insikt som fick honom att undersöka möjligheten att använda ett liknande tillvägagångssätt för att bearbeta metaller tillbaka på jorden.

Men att producera något som stål skulle kräva en anod gjord av billiga material som inte skulle korrodera under höga temperaturer eller lätt reagera med järnoxid. År 2013 publicerade Sadoway och MIT metallurgiforskare Antoine Allanore en papper i Natur dra slutsatsen att anoder gjorda av krombaserade legeringar kan kontrollera alla dessa rutor.

Föregående år, Sadoway, Allanore och annan partner hade varit med och grundat en startup känd som Boston Electrometallurgical, som skulle bli Boston Metal.

Företaget har hittills samlat in 13 miljoner dollar, främst från den brasilianska investeraren Ingo Wender, US Department of Energy och National Science Foundation. Företaget avböjde att avslöja källan till en pågående investering tills den transaktionen är slutförd.

En tveksam bransch

En av dess elektrolytiska celler sitter i Boston Metals bakrum. Det är en squat metallcylinder, med ett skorstensliknande rör som kommer fram från toppen och en äggformad öppning framtill. Den är designad för att producera ferrolegeringar, ett material med hög marginal som används för att producera vissa stålkvaliteter – och startupens initiala målmarknad.

Skorstenen är egentligen en anod. Ett tunt lager av metall längs botten bildar katoden. Dessa positiva och negativa elektroder fungerar tillsammans som en slags pump, som driver elektroner genom elektrolyten i kammaren, en blandning av metalliska mineraler och andra oxider.

De exakta ingredienserna i den elektrolyten är en kritisk del av företagets kärnteknologi. När det gäller stål fungerar de andra oxiderna som lösningsmedel vid höga temperaturer och löser upp järnoxiden utan att sönderdela sig själva.

Hur Boston Metals elektrolyscell bearbetar metall med elektricitet.

När den elektriska strömmen värmer upp den soppan, bubblar syre som frigjorts från järnet upp till toppen, och den resulterande metallen ackumuleras i botten. När operatörerna knackar, eller spricker igenom, ett foder genom hålet i fronten, rinner smält metall ut i en flammande orange linje.

En fördel med att använda kol vid ståltillverkning är att det ger styrka till slutprodukten, åtminstone när den är i rätt proportion. Adam Rauwerdink, företagets strategichef, sa i ett e-postmeddelande att för att producera specifika stålkvaliteter kan kol och andra ingredienser helt enkelt läggas till när metallen svalnar.

Men vissa undrar hur övertygande det kommer att vara för den notoriskt konservativa stålindustrin, som trots allt producerar ett material som behöver hålla uppe skyskrapor.

Kol krävs på någon nivå för de mekaniska egenskaperna hos själva stålet, sa Nathan Lewis, kemist vid California Institute of Technology, i ett e-postmeddelande. Och förståeligt nog är branschen tveksam till att förändra den processen.

Nästa steg

Förra året gick Tadeu Carneiro till Boston Metal som verkställande direktör. Han ledde tidigare Brasilien-baserade CBMM , den största tillverkaren av niob, en metall som används i supraledande legeringar.

Carneiro, som bär ett par mörka, tunga glasögon ovanför en uppsättning mörka, tunga ögonbryn, klottrar kemiska ekvationer på en whiteboardtavla när han beskriver företagets affärsstrategi med brasiliansk accent. Treårsplanen är att bygga en demonstrationsanläggning för att tillverka ferrolegeringar, säger han. Samtidigt kommer företaget också att börja designa och konstruera en fullskalig cell för att producera stål, en milstolpe som han hoppas nå inom sju år.

Om Boston Metal uppnår dessa riktmärken, kan det driva ett antal affärsmodeller, inklusive licensiering av tekniken, samarbeta med metalltillverkare, sälja celler eller producera metaller direkt.

Men som alltid inom vetenskapen, tills produkten faktiskt är byggd och testad i kommersiell skala, är det för tidigt att säga hur bra eller prisvärt den verkligen kommer att fungera. Dessutom räcker det inte att bara producera en grön version av en produkt för ungefär samma pris för att omvandla industrin, med tanke på de miljarder dollar i sänkta kostnader i stålverk som kan arbeta i årtionden – och det faktum att mycket av denna industri är baserat i relativt fattiga länder eller kämpar ekonomiskt.

En metallstång som produceras av företagets smältoxidelektrolys, eller MOE, process. Med tillstånd av Boston Metal

Även om den perfekta tekniken kom på scenen idag, skulle det förmodligen ta flera decennier innan vi effektivt kunde övergå till det, säger Davis.

Carneiro erkänner att företaget fortfarande måste övervinna ett antal återstående tekniska utmaningar, inklusive att förbättra den faradaiska effektiviteten, vilket innebär att öka andelen elektroner som faktiskt producerar metall; förbättra den termiska effektiviteten eller minska de kilowattimmar el som krävs för att producera en given volym metall; och skala upp en kromlegeringsanod som hittills bara har demonstrerats på labbnivå.

Han är dock övertygad om att Boston Metal kommer att lösa dessa utmaningar, bevisa att tekniken är billigare och i slutändan övertyga branschen att anta sitt tillvägagångssätt.

Att omvandla stålsektorn på nästan 1 biljon dollar är fortfarande ett långt skott. Men om startupen kan visa att dess process fungerar i industriell skala, kan det åtminstone ge ett litet hopp om att lösa en av de svåraste delarna av klimatpusslet.

Dölj