Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien GmbH

Dierk Raabe und Martin Palm, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien, arbeiten daran, Metalle nachhaltiger herzustellen und einzusetzen

Das Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien wird untersuchen, wie sich Werkstoffe klimafreundlich herstellen, nachhaltig nutzen und recyceln lassen

Aus Abfällen der Aluminiumproduktion lässt sich mit Wasserstoff in einem wirtschaftlichen Verfahren CO₂-freies Eisen gewinnen

Ein Rückblick auf ein abwechslungsreiches Forschungsjahr

Das Gas eignet sich so gut für die Eisenproduktion wie Wasserstoff, ist aber einfacher und kostengünstiger zu transportieren

Bei der Produktion von Aluminium fallen gigantische Mengen giftigen Rotschlamms an. Gleichzeitig trägt die Stahlindustrie mit ihren CO2-Emissionen wesentlich zum Klimawandel bei. Ein Team des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien zeigt einen Weg auf, mit einem Verfahren beide Probleme anzugehen – und das würde sich auch ökonomisch lohnen.

Metalle sind aus unserem Leben nicht wegzudenken. Doch die Metallindustrie verursacht heute ein Drittel aller industriellen Treibhausgas-Emissionen. Dierk Raabe und Martin Palm, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf, arbeiten daher daran, Metalle nachhaltiger herzustellen und einzusetzen. Ihre Konzepte könnten die Metallindustrie gehörig umkrempeln.

Im Altertum war er das Material der Wahl für Schwertklingen. Jetzt hat ein Team des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung in Düsseldorf und des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik in Aachen eine Technik entwickelt, mit welcher sich eine Art Damaszener Stahl im 3D-Drucker fertigen lässt. Solche Verbundwerkstoffe könnten für Bauteile in der Luft- und Raumfahrt oder für Werkzeuge interessant sein.

Mitten im Ersten Weltkrieg wurde 1917 das Kaiser-Wilhelm-Institut für Eisenforschung gegründet. Es sollte ein Innovationslabor für die deutsche Stahlindustrie werden und entwickelte sich zu einem Zentrum kriegstechnischer Wissensproduktion. Seine Geschichte offenbart das Risiko anwendungsorientierter Grundlagenforschung in wirtschaftlichen und politischen Krisenzeiten.

Max-Planck-Wissenschaftler kooperieren mit Partnern in rund 120 Ländern dieser Erde. Hier schreiben sie über persönliche Erlebnisse und Eindrücke. Die Materialwissenschaftlerin Jiali Zhang vom Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf verbrachte im Rahmen ihrer Postdoc-Zeit neun Monate am US-amerikanischen Massachusetts Institute of Technology. Sie war von der am Institut herrschenden Schwarmintelligenz fasziniert.

Dem 3D-Druck gehört die Zukunft. Aber noch lässt sich aus den dafür verwendeten Werkstoffen und den Fertigungsprozessen nicht das Optimum herausholen. Daher arbeiten Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung in Düsseldorf gemeinsam mit Kollegen des Aachener Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT daran, dem neuen Verfahren aus den Kinderschuhen zu helfen.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien, das bis vor Kurzem „Max-Planck-Institut für Eisenforschung“ hieß, ist ein Durchbruch beim Recycling von Abfällen aus der Aluminiumproduktion, sogenanntem Rotschlamm, und der Herstellung von grünem Stahl gelungen. Dabei konnten wir aus umweltschädlichem Rotschlamm mithilfe von Wasserstoffplasma CO₂-freies Eisen gewinnen. So ließen sich 600 Millionen Tonnen CO₂-freier Stahl aus den derzeit vier Milliarden Tonnen angehäuftem Aluminium-Abfall erzeugen. Und das in konventionellen Lichtbogenöfen, die seit Jahrzehnten in der Stahlindustrie zum Einsatz kommen.

Die Bewältigung technologischer und ökologischer Herausforderungen hängt stark von der Verfügbarkeit neuer Materialien ab. Diese sind beispielsweise die Voraussetzung, um CO₂-Emissionen drastisch zu verringern oder eine umweltfreundliche Mobilität zu verwirklichen. Mit den am Max-Planck-Institut für Eisenforschung entwickelten digitalen Strategien lassen sich fundamentale Methoden, die ursprünglich für idealisierte Modellsysteme entwickelt wurden, auf reale Materialien übertragen. Damit eröffnen sich neue Zugänge für die Materialforschung und ein beschleunigtes Werkstoffdesign.

Metalle, über Jahrtausende Garanten menschlichen Fortschritts, sind mit einem Drittel aller industriellen Treibhausgas-Emissionen der größte Einzelverursacher der Erderwärmung. Das Wachstum bei Energie, Bau, Industrie, Technik und Verkehr wird die Nachfrage in den nächsten 25 Jahren verdoppeln. Am Max-Planck-Institut für Eisenforschung führen wir Grundlagenforschung durch, um dieses Jahrhundertproblem zu lösen. Wir stellen zwei Ansätze vor: grüne Stahlherstellung durch Wasserstoff, Plasma und Elektrolyse und Aluminiumlegierungen, die das ‘Gen’ unbegrenzter Recyclingfähigkeit in sich tragen.

Der industrielle Einsatz von Wasserstoff gilt als zukunftsweisend. Doch welche materialwissenschaftlichen Herausforderungen ergeben sich bei der Produktion, Speicherung und Nutzung? Am MPIE untersuchen wir in einem interdisziplinären Team mit verschiedenen Methoden, wie sich Wasserstoff durch effektivere Elektrolyse produzieren lässt, wie sich Wasserstoffatome im Material aufspüren lassen und wie verhindert wird, dass Materialien durch Wasserstoff verspröden. Zudem arbeiten wir daran, Eisenerze durch Wasserstoff statt Kohlenstoff zu reduzieren und so CO₂-Emissionen zu vermeiden.

Werkstoffe in Windkraftanlagen, Flugzeugtriebwerken oder Turbinen sind großen mechanischen Belastungen bei hohen Temperaturen ausgesetzt. An der MPI für Eisenforschung GmbH haben wir Legierungskonzepte entwickelt, die diesen Anforderungen optimal entsprechen und zudem kostengünstig und nachhaltiger sind als bisher verwendete Materialien. Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie optimieren wir diese Herstellungsprozesse derzeit für die Anwendung.